Ein Start-up will den Überschussstrom von Windkraftanlagen direkt vor Ort speichern. Möglich wird das durch Osmose und Salzwasser. Die Technologie ist günstig und umweltfreundlich.
Diese Windturbine treibt eine Osmoseanlage zur Meerwasserentsalzung an. Das Prinzip kann auch zur Speicherung von elektrischer Energie genutzt werden, die die Anlage selbst erzeugt.
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Energie lässt sich nicht nur in Batterien auf Metall-Salz-Basis speichern, sondern auch in Salzwasser. Verbreitet ist das nicht. Die entsprechenden Technologien werden bisher etwa bei der Entsalzung (Umkehrosmose, Ionentauscher, Elektrodialyse) für Elektrolyse von Springer-Vieweg-Autor Peter Kurzweil in seinem Buchkapitel Elektrolyse von Wasser auf Seite 477 genannt.
Dennoch ist Salzwasser als Speichermedium eine umweltfreundliche Alternative zu Batterien. Das Start-up Hopes, eine Ausgründung der TU Darmstadt, hat einen auf Osmose basierenden Energiespeicher entwickelt, der direkt in den hohlen Basisbereich von Windrädern integriert wird. Das Gründerteam ist fest davon überzeugt, dass eines Tages jedes Gebäude und jedes Windrad mit ihrer Speichertechnologie ausgestattet sein wird. Der Name Hopes steht nicht nur für diese Hoffnung, sondern auch für "Hybrider Osmose Pump Energie-Speicher".
Naher Osten als Vorbild
Die Idee entstand 2018, als Falah Alobaid im Nahen Osten an der Meerwasser-Entsalzung arbeitete. Dabei werden durch die Anwendung von Strom Wasser und Salz voneinander getrennt. Alobaid fragte sich, warum man nicht Strom durch den umgekehrten Prozess erzeugen könne. Um Salz aus Meerwasser zu gewinnen, wird normalerweise entweder das Wasser verdampft, was viel Energie erfordert, oder das Meerwasser wird unter hohem Druck durch Membranen gepresst, die das Salz zurückhalten.
Bei starkem Wind kann die überschüssige Windenergie in den Windrädern verwendet werden, um Salz und Wasser zu trennen. Die beiden Substanzen haben jedoch eine natürliche Tendenz, sich zu vermischen. Ohne Trennmembran würde die Salzlauge zum Wasser strömen, bis ein gleichmäßiges Mischungsverhältnis erreicht ist. Alobaid vergleicht diesen osmotischen Effekt mit dem Mischen von Apfelsaftschorle.
Die osmotische Strömung kann eine Turbine antreiben, die Strom erzeugt. Laut Tadeh Nazari, dem Technikleiter des Unternehmens, werden dafür lediglich Salz, Wasser, Speicherbehälter, Rohrsysteme, Membranen, Pumpen und Turbinen benötigt. Diese Materialien sind verfügbar, unbedenklich und umweltfreundlich.
Die einfache Konstruktion des Energiespeichers kann problemlos in den breiten, hohlen Fußbereich eines Windrads integriert werden. Dort befindet sich ein Tank mit Salzwasser. Bei starkem Wind wird die Lösung durch eine Membran gepresst, um Salzlauge und reines Wasser zu trennen. Eine Pumpe fördert diese beiden Lösungen in höher gelegene Tanks. Dort bleiben sie gespeichert, bis wieder Energie benötigt wird. Sowohl das Gefälle als auch der osmotische Druck, der durch das Streben nach einer gleichmäßigen Vermischung von Wasser und Salz entsteht, treiben dann eine Turbine an, um Energie zu erzeugen.
2020 ließen sich Alobaid und seine Mitstreiter ihre Idee patentieren. Laut Nazari entsteht ein Druck von 30 bar, wenn man eine dreiprozentige Salzlösung mit reinem Wasser mische. Das entspricht dem Druck einer Wassersäule von über 300 Metern Höhe. Dadurch erziele man aus der Wasser-Salz-Mischung einen deutlich höheren Energiegewinn als aus dem Gefälle. Der Techniker erklärt: "Auf chemischem Weg erzeugen wir etwa fünfmal mehr Energie als aus dem Höhenunterschied."
Als Beispiel dient ein Windradturm mit einer Höhe von 60 bis 200 Metern und einen Fuß von etwa sieben bis 20 Metern Breite. Das sind mehrere Tausend Kubikmeter ungenutzter Raum. Die Windradtechnik nimmt nur etwa zehn Prozent des Raums ein. Für die Hopes-Konstruktion planen die Techniker, etwa ein Viertel des leeren Raums zu nutzen.
"Damit können wir bis zu 30 Prozent der Höchstleistung eines Windrads speichern", erklärt Alobaid. Möglicherweise können die Flüssigkeitstanks im Fußbereich sogar zur Stabilisierung der riesigen Windräder beitragen. Aufgrund statischer Gründe ist es nicht sinnvoll, die gesamte Höhe des Konstrukts zu nutzen.
Bisher ist das Speichern aufgrund des Erneuerbare-Energien-Gesetzes wenig attraktiv, da Energiespeicher sowohl als Verbraucher als auch als Erzeuger berechnet werden. Innerhalb eines Windrads könnte jedoch diese Aufteilung entfallen, da der gespeicherte Strom im erzeugenden Windrad bleibt und erst beim Verlassen bepreist wird.
Großes Interesse auch bei PV-Park-Betreibern
Die Idee von Hopes wurde von Windparkbetreibern und Energieversorgern bereits mit großem Interesse aufgenommen. Das Team hat jedoch auch begonnen, die Anwendung ihres Salzwasserspeichers für Photovoltaikanlagen zu erkunden. Viele private Betreiber großer Photovoltaikflächen haben bereits Interesse an dem Salzwasserspeicher bekundet. Alobaid sagt: "Sie sind überzeugt von unserem einfachen, sicheren System, das keine Chemikalien, seltene Erden oder Klimaanlagen erfordert und als geschlossenes System äußerst wartungsfreundlich ist."
Er selbst sei fast erstaunt darüber, wie begeistert die Menschen von der Osmoseanlage seien, die über die Windräder hinausgeht. Das Team sichtet derzeit die vielen Kundenanfragen und sucht nach passenden Partnern.
Ein Firmenkonsortium, bestehend aus Pumpen- und Turbinenherstellern sowie Stahllieferanten, unterstützt das Start-up bei technischen Fragen, Genehmigungen und Kontakten. Derzeit arbeitet das Team an Kostenschätzungen, um von der Laborphase in die erste kommerzielle Anlage überzugehen. Die erste Anlage soll bei einem Privatkunden mit einer Speicherkapazität von 100 Kilowattstunden installiert werden.
Das größte Problem, das Alobaid derzeit sieht, besteht im Mangel an qualifiziertem Personal. Start-ups können nicht mit den hohen Gehältern und den festen Stellen etablierter Unternehmen konkurrieren.
Diese Technologie kann man auch größer denken. "Das Funktionsprinzip eines Osmosekraftwerks beruht auf der Vergrößerung der Entropie nach einer Mischung von Meer- und Süßwasser, die sich aus den unterschiedlichen Konzentrationen der gelösten Salze ergibt. […] Zum Ausgleich der Salzkonzentration diffundiert Süßwasser durch die Membran in die Kammer mit Salzwasser, so dass die Anzahl der Wassermoleküle und damit der Druck in der Kammer steigen. Eine Turbine wandelt den Wasserdruck in elektrische Energie um und lässt das Wasser aus der Kammer abfließen", beschreiben die Springer-Vieweg-Autoren Ulrich Blum, Eberhard Rosenthal und Bernd Diekmann in ihrem Buchkapitel Erneuerbare Energien auf Seite 45 eine entsprechende Anwendung.