Asger Risom
Die Schwerindustrie wird von riesigen Mengen erdgasbefeuerten Dampfes angetrieben, der nicht wirtschaftlich durch Lithium-Ionen-Batterien ersetzt werden kann. Durch die Nutzung von günstigem Wind- und Solarstrom außerhalb der Spitzenzeiten zur Überhitzung von Stapeln feuerfester Schamottsteine auf bis zu 1.000 °C können thermische Batterien überschüssige saubere Energie als Rohwärme speichern und rund um die Uhr Industriedampf direkt über die bestehende Rohrinfrastruktur einer Fabrik liefern.
Wenn wir uns die grüne Energiewende vorstellen, denken wir oft an weitläufige Solarfelder, Offshore-Windturbinen und riesige Lagerhallen voller Lithium-Ionen-Batterien. Wir denken in Begriffen von elektrischem Strom.
Betritt man jedoch eine kommerzielle Papierfabrik, eine Kartonfabrik oder eine industrielle Lebensmittelverarbeitungsanlage, wird schnell klar, dass Elektrizität hier zweitrangig ist. Was die Schwerindustrie tatsächlich antreibt, ist Dampf. Riesige, ununterbrochene Ströme von kochend heißem Hochdruckdampf, der rund um die Uhr von dröhnenden Erdgasheizkesseln erzeugt wird.
Fällt dieser Dampf auch nur für wenige Minuten aus, verfestigen sich geschmolzene Flüssigkeiten in den Rohren, Verpackungslinien verstopfen, und Rohmaterial im Wert von Millionen von Dollar wird in einem Augenblick unbrauchbar. Dieser Wärmebedarf macht etwa ein Viertel des gesamten globalen Energieverbrauchs aus und ist der Hauptgrund, warum unsere Lieferketten weiterhin an fossile Brennstoffe gebunden sind.
Diese Fabriken an chemische Batterien anzuschließen, ist wirtschaftlich eine Sackgasse. Ein Lithium-Ionen-Batteriesystem, das groß genug wäre, um industrielles Wasser drei Tage lang ununterbrochen zu kochen, würde mehr kosten als die Fabrik selbst.
Um das Problem zu lösen, beschlossen Ingenieure für saubere Energie, die Dinge nicht länger zu verkomplizieren. Anstatt futuristische Batteriechemie zu entwickeln, füllen sie isolierte Stahlbehälter mit Tausenden Tonnen gewöhnlicher, spottbilliger Ziegelsteine, erhitzen diese, bis sie weißglühend sind, und nutzen diese Wärme bei Bedarf.
Die Absurdität, Wasser mit chemischen Batterien zu kochen
Die Herausforderung bei der Dekarbonisierung von Fabrikwärme besteht darin, dass die Schwerindustrie kontinuierlich Hochtemperatur-Wärmeenergie zu Tiefstpreisen benötigt.
Solar- und Windenergie sind heute die günstigsten Stromformen auf der Erde, aber sie sind intermittierend. Die Sonne geht unter, der Wind lässt nach, und eine Fabrikhalle kann es sich nicht leisten, eine Pause einzulegen. Versucht man, diesen sauberen Strom in Lithium-Ionen-Packs zu speichern und über einen elektrischen Boiler zu entladen, bricht die Wirtschaftlichkeit zusammen. Lithiumzellen verschlechtern sich bei jedem Zyklus, erfordern stark abgebaute Mineralien wie Nickel und Kobalt und speichern Elektrizität als chemisches Potenzial statt als Wärme.
Die Umwandlung von erneuerbarem Strom in chemische Energie, deren Speicherung, die Rückumwandlung in Elektrizität und das anschließende Leiten dieses Stroms durch eine Heizspirale verschwendet Energie und Kapital in jedem Schritt der Kette.
Die einfachere Antwort ist, den Mittelsmann zu eliminieren: Günstigen sauberen Strom nehmen, ihn sofort in Wärme umwandeln, sobald er erzeugt wird, und diese Wärme in einem Objekt einschließen, das nicht schmilzt.
Modernisierung eines Hochofen-Tricks aus dem 19. Jahrhundert
Das Geheimnis einer thermischen Ziegelbatterie ist ein Material, auf das sich Stahlhersteller seit der Industriellen Revolution verlassen: feuerfeste Schamottsteine.
Schamottsteine sind dichte, keramikähnliche Blöcke, die aus alltäglichen Mineralien wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und Magnesiumoxid hergestellt werden. Sie wurden ursprünglich entwickelt, um das Innere von Hochöfen und Schmelztiegeln auszukleiden, da sie extrem hohen Temperaturen standhalten können, ohne zu reißen, zu schmelzen oder chemisch zu zerfallen. Es handelt sich im Wesentlichen um künstliche Vulkansteine, die dazu bestimmt sind, Wärme aufzunehmen und zu speichern.
Unternehmen wie Rondo Energy haben diese jahrhundertealte Metallurgietechnologie mechanisiert und zu einer modularen Batterie weiterentwickelt.
Das Konzept funktioniert wie ein überdimensionierter Toaster. Wenn das regionale Netz mittags einen Überschuss an günstigem Solarstrom oder um 3 Uhr morgens überschüssigen Windstrom hat, wird dieser kostengünstige Strom durch Hochleistungs-Widerstandsheizelemente geleitet, die zwischen Stapeln von Tausenden Tonnen feuerfester Ziegelsteine eingefädelt sind. Innerhalb weniger Stunden überhitzen die Elemente den Ziegelkern auf Temperaturen von über 1.000 °C (über 1.800 °F).
Sobald die Ziegel die Temperatur erreicht haben, glühen sie in einem luftdichten, stark isolierten Stahlgehäuse leuchtend gelb-orange. Da der Behälter so konstruiert ist, dass Wärmebrücken eliminiert werden, bleibt die Außenhaut berührungssicher, während der Kern Tausende von Megawattstunden Wärme tagelang mit weniger als 1 Prozent täglichem Energieverlust speichert.
Anschluss an die bestehende Fabrikhalle
Wärme zu speichern ist nur die halbe Miete; die eigentliche Ingenieursleistung besteht darin, diese Energie als vorhersagbaren, stetigen Industriedampf wieder abzugeben.
Die Ziegelstapel werden mit durchgehenden vertikalen und horizontalen Luftkanälen hergestellt, die durch das Gitter verlaufen. Wenn eine Produktionslinie Dampf anfordert, saugt ein automatischer Einlass Umgebungsluft an und drückt sie durch die Kanäle im glühenden Ziegelkern. Die Luft erwärmt sich innerhalb von Sekunden auf Ofentemperaturen.
Diese überhitzte Luft wird dann über Wasserrohre in einem angrenzenden Wärmetauscher geblasen, wodurch das Wasser schlagartig zu Druckdampf kocht. Durch die Einstellung eines einfachen Satzes von Luftklappen kann das System die genaue Temperatur und den Druck einstellen, den die Fabrik benötigt – sei es sanfter 150 °C Dampf zum Brotbacken oder 500 °C Wärme zum Aushärten von Chemikalien.
Da es keine empfindlichen chemischen Reaktionen oder expandierenden Anoden gibt, leiden thermische Ziegel nicht unter Kapazitätsdegradation. Während ein Lithium-Batteriepack nach fünf bis sieben Jahren kontinuierlichen täglichen Betriebs nachlässt, kann ein Stapel feuerfester Ziegel vierzig Jahre lang jeden Tag von kalt bis weißglühend zirkulieren, ohne an Leistung zu verlieren. Besser noch, der Wirkungsgrad für die Wärmelieferung liegt bei über 90 Prozent.
Der einfache Weg aus dem Heizraum
Der Hauptgrund, warum Fabrikbesitzer tatsächlich Verträge für diese Einheiten unterzeichnen, ist, dass sie keine Umrüstung der gesamten Montagelinie erfordern.
Werksleiter müssen ihre bestehenden Fertigungsanlagen nicht entsorgen oder Hunderte von Millionen für die Neugestaltung ihrer Produktionshallen ausgeben. Die thermische Batterie steht draußen auf dem Parkplatz oder im Gleisbereich, auf der einen Seite an einen Stromanschluss und auf der anderen Seite an den bestehenden Dampfverteiler der Fabrik angeschlossen. Wenn die Gaspreise steigen oder Kohlenstoffzölle in Kraft treten, öffnet die Fabrik das Ventil zur Ziegelbatterie und drosselt den fossilen Brenner.
Wir waren zwei Jahrzehnte lang davon überzeugt, dass die Behebung industrieller Emissionen ein technologisches Wunder erfordern würde – wie der Aufbau eines globalen Wasserstoff-Pipeline-Netzwerks oder der Bau kleiner modularer Kernreaktoren auf Fabrikgeländen. Es stellt sich heraus, dass der schnellste Weg, die Schwerindustrie von fossilem Gas zu entwöhnen, möglicherweise nur ein sehr heißer Haufen Ziegelsteine ist.
