Unter den verschiedenen Methoden, wie man elektrische Energie speichern kann, gibt es einen Champion, von dem gewöhnlich nicht viel Aufhebens gemacht wird – auch weil es Systeme dieser Art schon lange gibt und sie gerade in Österreich selbstverständlich sind: Pumpspeicherkraftwerke.

An Standorten in den Bergen, wo ein entsprechender Höhenunterschied vorhanden ist, wird bei Überschussstrom Wasser von einem unteren in ein oberes Becken gepumpt, um es bei Strombedarf – durch eine Turbine – wieder hinunterzuschicken. Diese Art der Nutzung potenzieller Energie zu Speicherzwecken ist in wirtschaftlicher Weise großtechnisch umsetzbar – und damit ein Unikat. Der Eingriff in die Natur ist auf die unmittelbare alpine Umgebung des Bauwerks beschränkt.

Kombination mit thermischem Speicher

Auch für Franz Georg Pikl, Doktorand am Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU Graz, sind Pumpspeicherkraftwerke die "zuverlässigste, effizienteste und langlebigste Form der Speicherung von Elektrizität". Doch er hat eine Idee, um dem Ganzen noch eins draufzusetzen: Er möchte den elektrischen Energiespeicher eines Pumpspeicherkraftwerks mit einem thermischen Speicher kombinieren.

Das Wasser, das im Kraftwerk zirkuliert, soll gleichzeitig Strom- und Wärmespeicher sein. Bei Bedarf könnte also Elektrizität für die Stabilisierung des Stromnetzes abgerufen werden, aber auch thermische Energie für ein Fernwärmenetz.

Technische Machbarkeit

Schon während der Masterarbeit hat sich der 1992 geborene, aus Bleiburg stammende Kärntner mit der technischen Machbarkeit dieser Idee beschäftigt, in seiner aufbauenden Dissertation wird das Thema verfeinert. "Es gab keine Referenzen zu diesem Ansatz, keine wissenschaftlichen Arbeiten. Ich musste mir alles dazu erarbeiten", blickt Pikl zurück. Die Erfindung gehe nicht auf einen plötzlichen Einfall zurück, sagt er. "Der Heureka-Moment dauert noch immer an."

Wie könnte nun ein derartiges Heißwasserpumpspeicherkraftwerk aussehen? Pikl verlegt die Anlage vollständig in den Untergrund, sodass sie nicht mehr von einer Gebirgstopografie abhängig ist.

Eine geeignete Felsgeologie im Boden wäre die Voraussetzung und würde als natürliche Wärmedämmung wirken, sodass keine weitere Isolation nötig wäre. Vorbilder zu unterirdischen Wärmespeichern gebe es bereits. Pläne für einen saisonalen Wärmespeicher in einem isolierten Erdbecken gibt es etwa auch in Graz. Die Kombination mit dem Pumpspeicherkraftwerk könnte man als Weiterentwicklung sehen.

Schachbretttunnel

Eine Anlage dieses "sektorkoppelnden" Energiespeichers, die nun eine Stadt wie Graz mit Wärme und Elektrizität versorgen kann, müsste man sich wie ein Tunnel- oder Bergwerksprojekt vorstellen. In einem "schachbrettartigen Tunnelsystem", das in eine Tiefe von 600 Metern reicht und wohl eine mehrjährige Bauzeit erfordert, würden mehrere Millionen Kubikmeter Wasser zirkulieren.

Wärmetauscher, die beispielsweise mit Abwärmequellen in der Industrie und Fernwärmenetzen gekoppelt sind, würden zur Einspeicherung von thermischer Energie in den geschlossenen Kreislauf des Kraftwerkssystems bzw. zu deren Entnahme dienen.

Im Sinne von Power-to-Heat könnte auch der gespeicherte Strom gleich in Wärme umgesetzt werden. Gleichzeitig könnte der Anlage auch ein Fernkältesystem angegliedert sein, das angeschlossene Gebäude im Sommer kühlt und die entzogene Wärme in den kombinierten Riesenspeicher unter der Erde einbringt.

Erstanwendung

Ein besonderer Clou des Konzepts liegt in der hohen Effizienz, die sich aus der Kombination der Energieformen ergibt. "Bei der langfristigen Wärmespeicherung werden saisonale Wirkungsgrade von 90 bis 95 Prozent gemessen", erläutert Pikl. "Bei Pumpspeicherkraftwerken liegt der Wirkungsgrad bei rund 80 Prozent."

Speichert man also Überschussstrom aus Windkraft ein, kann Strom dieser Größenordnung später dem Netz wieder zur Verfügung gestellt werden. "Die 20 Prozent, die hier verloren gehen, sind nichts anderes als Reibungsverluste an Rohren und Turbinen, die in Wärme umgesetzt werden", so Pikl weiter.

In seiner Anlage bleiben diese 20 Prozent nicht ungenutzt, auch sie werden zum Wärmeeintrag in den thermischen Speicher. "Es werden wirklich 100 Prozent für die Energiespeicherung genutzt. Das schafft kein anderes System", betont der Forscher. Auf diese Art komme über Wochen und Monate eine erstaunliche Erwärmung zusammen. Im saisonalen Kontext könne allein dadurch die Temperatur um zweistellige Gradwerte steigen.

"Je effizienter die Speicher, desto schneller kann die Energiewende erfolgen", sagt Pikl. Seine Lösung ist in diesem Zusammenhang jedenfalls eine, die klotzt und nicht kleckert. Ihm zufolge seien die technischen Herausforderungen gelöst und die Anlage wirtschaftlich betreibbar.

Pikl ist auf der Suche nach einer "kleineren Stadt", die sich über die Sache drübertraut: "Die Herausforderung liegt eher darin, dass es ein komplett neues System ist, für das es nun eine Erstanwendung braucht." (Alois Pumhösel, 18.11.2020)