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Hallo zusammen und willkommen auf dem Kanal von A-Tec. Heute beschäftigen wir uns mit den neuen Batterien auf Sandbasis. Batterien sind unverzichtbar, wenn man die Vorteile seiner Erneuerbaren Energieerzeugung, die bekanntlich unregelmäßig erfolgt, voll ausschöpfen möchte. Doch die Umweltverschmutzung und ihre Effizienz treiben diesen Sektor dazu, sich ständig neu zu erfinden. Zu dieser Forschung gehört auch die weltweit erste Sandbatterie, die im Juli dieses Jahres in Finnland im Betrieb genommen wurde. Aber wie funktioniert diese Batterie und ist sie ein gangbarer Weg für die Energiespeicherung?
Bevor wir uns mit der Sandbatterie beschäftigen, müssen wir uns zunächst mit der thermischen Energiespeicherung befassen, die die Technologie hinter dieser neuen Erfindung ist. Hier sind die Arbeiten an Lithium-Schwefel-Batterien und solarthermischen Kraftwerken zu nennen. Chemische Batterien sind nicht die einzigen Möglichkeiten. Es ist zum Beispiel möglich, erneuerbare Energien in Wärme umzuwandeln und diese stattdessen zu speichern. Mit anderen Worten, sie könnten eine Wärmebatterie haben. Aber warum sollten wir uns um die kohlenstofffreie Speicherung von Wärme kümmern? Die Entwicklung einer größeren Zahl von Wärmespeichern wird die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern, was auch dazu beitragen kann, die Klimaauswirkung unseres Wärmeverbrauchs zu verringern.
Wie funktioniert diese Technologie? Die Speicherung von sensibler Wärme ist derzeit eine der am weitesten verbreiteten Speicherlösungen. Im Wesentlichen geht es darum, eine Flüssigkeit oder ein festes Material zu erwärmen, indem man Wind- oder Sonnenenergie erntet, wenn diese im Überfluss vorhanden ist. Die typische Vorgehensweise besteht darin, Elektrizität durch ein Heizelement zu leiten, das mit dem Speichermaterial in Berührung kommt. Um die Wärme abzuführen, muss die Temperatur der Batterie einfach durch das Einlassen von Frischluft gesenkt werden. Das Medium für die Wärmeübertragung kann etwas so Einfaches wie Wasser oder komplexere Verbindungen wie geschmolzene Salze sein, die in konzentrierten Solarkraftwerken verwendet werden.
Der australische Energiemarktbetreiber EMO schätzt, dass wir bis 2050 20% der benötigten Energie aus erneuerbaren Energien erzeugen werden. In diesem Sinne wird der schwedische Stromversorger Vattenfall demnächst einen 45 Meter runden Turm in Berlin mit Wasser füllen. Die Wassermenge, die sich in dem Tank befindet, entspricht dem Volumen von 350.000 Badewannen. Ihre Batterien befinden sich neben einem Heizkraftwerk, das über eine Reserve an Windenergie verfügt, um das Wasser auf knapp unter 100°C zu erhitzen. Es soll im April 2023 betriebsbereit sein. Diese riesige Thermoskanne wird das Wasser warm halten und kann es bis zu 13 Stunden lang abgeben.
Das klingt vielversprechend. Vor kurzem hat das finnische Startup-Unternehmen Polar Night Energy eine neue Art von Batterie entwickelt. Dabei handelt es sich um ein sieben Meter hohes Stahlsilo, das 100 Tonnen Sand minderer Qualität und einen Haufen Rohre enthält. Sie haben ihr Design verfeinert und maßstabsgetreu umgesetzt, wobei sie sich mit Vatajankoski, einem Betreiber eines Fernwärmenetzes, zusammengetan haben. Eine größere Batterie heizt bereits Häuser, Büros und sogar ein städtisches Schwimmbad, so dass insgesamt 10.000 Menschen beheizt werden können. Und Sie könnten dieses System überall auf der Welt nachbauen, wo es eine Fernwärme-Infrastruktur gibt, wie New York, Boston, Philadelphia und San Francisco. Die meisten großen Städte in den USA haben eine solche.
Wie Polar Night Energy behauptet, kann ihr neuestes Batteriemodell bis zu 8 Megawattstunden Energie in Form von Wärme speichern. Neben den Vorteilen für die Umwelt spart die Stadt mit dieser Speicherlösung auch Geld. Bei genauem Hinsehen könnten die finnischen Temperaturen fast so niedrig sein wie die in Alaska während der langen kalten Jahreszeit, für die hohe Nachfrage also zu hohen Kosten. Andererseits wird die Sandbatterie saubere Energie während des Sommers speichern, wenn sie leicht verfügbar ist. Dann wird sie über den Winter verteilt, wenn die Sonne eine Strahlung gering ist. Deshalb ist die Nutzung von Sand finanziell praktisch. Heutzutage würde sich dies erheblich auf das Energiebudget auswirken. Tatsächlich hat Russland nach einem kürzlichen Zahlungsstreit im Mai dieses Jahres seine Gaslieferung nach Finnland eingefroren. Sie können deren Begeisterung für diese Technologie leicht nachvollziehen. Die lokalen Regierungen sind von der Idee begeistert und wollen die Sandbatterien in einem größeren Maßstab entwickeln.
Aber wie verwandelt Polar Night Energy ein mit Sand gefüllten Tank in eine Wärmebatterie? Während die Batterie an das Stromnetz angeschlossen ist, erhält sie überschüssigen Solar- und Windstrom zum Aufladen. Diese wird dann in Wärme umgewandelt und auf den Sand übertragen. Um genauer zu sein, die erneuerbaren Energien speisen ein Einheitswiderstand durch die Luft, die den Sand umströmt. Erwärmt sich der Widerstand über eine Reihe von Rohren, und obwohl es kompliziert klingen mag, berührt die Wärmeerzeugung auf der Widerstandsheizung. Das ist eigentlich die Funktionsweise von gängigen Geräten wie Toastern. Der Behälter ist gut von der äußeren Umgebung isoliert, dadurch wird der Wärmeverlust im Laufe der Zeit minimiert, wobei Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius erreicht werden. So kann Ihre Basiseinheit die Wärme monatelang speichern. Wenn Sie diese Energie zurückgewinnen müssen, lassen Sie einfach frische Luft durch die Rohre, das heißen Sandes strömen. Das Endergebnis, das aus dem System kommt, ist heiße Luft, die sauberen Dampf für industrielle Prozesse, Heizung, öffentliches Wasser oder Wohnhäuser erzeugen kann.
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Es ist klar, dass so etwas Einfaches und sicheres wie Sand zu speichern von grüner Energie ein sehr interessantes Thema ist. Aber wie schneidet es im Vergleich zu anderen Speichertechnologien ab? Die Einfachheit ist einer der Hauptvorteile von thermischen Sandbatterien, wie der Leiter des Start-ups erklärte. Es handelt sich im Grunde um ein typisches Silo, das in jeder Stahlwerkstatt gebaut werden kann. So müssten sie keine extra Fabriken bauen, wenn sie seine Vermarktung entwickeln. Natürlich brauchen Sie auch andere Komponenten, zum Beispiel Rohre, Pumpen, Ventilatoren und Heizelemente. Die Ausrüstung ist überall leicht erhältlich. Dasselbe gilt für ihre Schlüsselzutat, den Sand. Das ist einer der entscheidenden Vorteile gegenüber herkömmlichen chemischen Batterien, die aus schwer zu findenden Materialien wie Lithium, Nickel und Kobalt angewiesen sind. Obwohl Polar Night Energy jede Art von Sand verwenden kann, bevorzugt das Startup recycelten Sand aus der Bauindustrie. Dies trägt dazu bei, den Abfall zu minimieren. Und das ist nicht der einzige Umweltvorteil. Forschungsergebnisse zeigen, dass die Sandbatterien von Polar Night Energy bis 2030 die Freisetzung von etwa 100 Megatonnen CO2 in die Umwelt verhindern könnten. Dies entspricht dem doppelten CO2-Ausstoß der Stadt New York pro Jahr. Im Gegensatz zu chemischen Batterien wird keine Elektrolytlösung benötigt, zumal sich das Elektrolyt mit der Zeit abbaut und Lithium-Batterien bestenfalls eine Lebensdauer von etwa 15 Jahren haben. Der von Polar Night Energy entwickelte Sandtank hingegen kann hohe Temperaturen aushalten, ohne seine Fähigkeit der Wärmespeicherung zu verlieren, und nach Angaben des Unternehmens wird seine Lebensdauer auf etwa 50 Jahre geschätzt. Dies ist angesichts der verwendeten Materialien besonders vernünftig.
Es wäre auch möglich, die gespeicherte Wärme zu nutzen, um eine Dampfturbine anzutreiben. Dies würde jedoch einen weiteren Schritt hinzufügen, der die Effizienz des Hin- und Rücklaufs drastisch von 99% auf 25% senken würde. Das ist weit entfernt von Lithium-Ionen-Batterien, die während des Betriebs nur ein Energieverlust von 5% erleiden. Anstatt sie also in Strom umzuwandeln, wäre es sinnvoller, die Wärme so zu nutzen, wie sie ist, zum Beispiel um die mit Erdgas betriebenen Heizkessel zu ersetzen, mit denen unsere Gebäude beheizt werden. Dies wäre jedoch nur in Städten sinnvoll, in denen die Infrastruktur für Fernwärme vorhanden ist. Darüber hinaus könnte diese grüne Lösung auch wärmeintensive Industrieprozesse dekarbonisieren, wie zum Beispiel die Herstellung von Stahl und Zement.
Doch wie sieht es mit den Kosten aus? Während Sand sehr billig ist, werden Sie eine Menge Stahlrohr benötigen, die im Inneren vergraben werden. Das kann die Kosten aufblähen. Polar Night Energy rechnet mit Kosten von etwa 10 Euro pro Kilowattstunde, sobald das System eine Speicherkapazität von 20 Gigawattstunden erreicht hat. Dennoch gibt es einen Haken: Die derzeitige Speicherkapazität beträgt nur 8 Megawattstunden. Es wird also noch einige Zeit dauern, bis diese Technologie wettbewerbsfähig ist. Auch wenn Sandbatterien nicht das Allheilmittel für die kohlenstofffreie Welt sind, können sie eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung unserer elektrischen Infrastruktur spielen.
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