Carbon-Thermalbatterien zielen auf rund um die Uhr verfügbare, günstige Energie für die US-Industrie

GrafTech International, ein bedeutender Hersteller von Kohlenstoff- und Graphitprodukten, tut sich mit einem Entwickler für thermische Energiespeicherung zusammen, um kohlenstoffbasierte Thermalbatterien zu entwickeln, die der amerikanischen Industrie rund um die Uhr kostengünstige Energie liefern sollen. Das Vorhaben, über das Interesting Engineering berichtet, rückt einen der etablierten Namen der Graphitfertigung in den Mittelpunkt einer Speicherkategorie, die als Alternative zu herkömmlichen Batterien für schwere industrielle Lasten wachsende Aufmerksamkeit erhält.

Die Prämisse ist einfach, auch wenn die Technik es nicht ist: Statt Energie wie Lithium-Ionen-Zellen in chemischen Reaktionen zu speichern, speichert eine Thermalbatterie sie als Wärme in einem festen Medium – in diesem Fall Kohlenstoff – und gibt diese Wärme frei, wenn eine Fabrik sie benötigt. Für die vielen industriellen Prozesse, die mit Hochtemperaturwärme statt allein mit Elektrizität betrieben werden, passt dieser Ansatz direkt dazu, wie Anlagen tatsächlich Energie verbrauchen.

Warum industrielle Wärme das schwierige Problem ist

Die Schwerindustrie gehört zu den hartnäckigsten Sektoren bei der Dekarbonisierung, weil so viel von dem, was sie tut, von Wärme statt von mechanischer oder elektrischer Arbeit abhängt. Schmelzen, Kalzinieren, Trocknen, Härten, Raffinieren und chemische Verarbeitung erfordern alle anhaltend hohe Temperaturen, und die Ausrüstung, die diese Temperaturen liefert, wurde historisch um die Verbrennung herum konzipiert.

Das schafft zwei Probleme gleichzeitig. Das erste sind Emissionen: Prozesswärme aus fossilen Brennstoffen macht einen großen Anteil des industriellen Energieverbrauchs und damit auch der industriellen Kohlenstoffemissionen aus. Das zweite ist die Wirtschaftlichkeit. Einen gasbefeuerten Ofen durch ein System zu ersetzen, das mit volatilen Großhandelsstrompreisen läuft, führt eine neue Art von finanziellem Risiko ein, weil die Kostenstruktur der Anlage nun davon abhängt, wann sie Strom bezieht.

Thermalbatterien werden als Möglichkeit positioniert, diese Verbindung zu durchbrechen. Wenn eine Anlage Strom aufnehmen kann, wenn er günstig und reichlich vorhanden ist – auch in Zeiten hoher Erneuerbaren-Erzeugung – und dann gespeicherte Wärme nach Bedarf abgeben kann, kann sie kontinuierlich weiterlaufen, ohne Spitzenpreise für Strom zu zahlen. Das ist das rund um die Uhr verfügbare Wertversprechen, das GrafTech und sein Partner verfolgen.

Was eine kohlenstoffbasierte Thermalbatterie leistet

Eine Thermalbatterie in diesem Design nimmt elektrischen Input auf und wandelt ihn in Wärme in einem Speichermedium um. Die Wärme wird in einer isolierten Masse gehalten, bis der Prozess sie benötigt, woraufhin sie als Hochtemperatur-Wärmeenergie bereitgestellt wird. Nichts an dieser Abfolge hängt von der intermittierenden Verfügbarkeit eines Brennstofflieferplans ab; die Einschränkung wird, wie viel Energie der Speicherblock halten kann und wie effizient sie zurückgewonnen werden kann.

Mehrere Eigenschaften machen Kohlenstoff für diese Rolle attraktiv:

• Hochtemperaturbeständigkeit. Kohlenstoff- und Graphitmaterialien werden in industriellen Umgebungen gerade deshalb eingesetzt, weil sie extreme Hitze aushalten, ohne ihre strukturelle Integrität zu verlieren.
• Thermische Leistungsfähigkeit. Graphit leitet Wärme effektiv, was sowohl für das Aufladen des Speichermediums als auch für die Entnahme von Wärme mit kontrollierter Rate wichtig ist.
• Etablierte Lieferketten. Kohlenstoff und Graphit werden bereits in industriellem Maßstab für Elektroden, Ofenauskleidungen und andere anspruchsvolle Anwendungen produziert.
• Kostenprofil. Die Wirtschaftlichkeit eines Speichermediums hängt stark davon ab, dass der Rohstoff billig genug ist, um ihn in großen Mengen statt in kleinen, präzisionsgefertigten Mengen einzusetzen.

Das sind die Eigenschaften, die kohlenstoffbasierte Speicherung zu einer plausiblen Antwort auf ein Problem machen, das allein mit Batteriechemie im industriellen Maßstab wirtschaftlich schwer zu lösen war.

Die Paarung GrafTech und Antora

GrafTechs Rolle in der Zusammenarbeit ist in der Fertigung begründet. Das Unternehmen stellt Kohlenstoff- und Graphitprodukte in großem Maßstab her, was bedeutet, dass es Materialproduktions- und Industrieverarbeitungsexpertise einbringt statt Speichersoftware- oder Leistungselektronik-Spezialisierung. Sein Partner, das Unternehmen für thermische Energiespeicherung Antora, arbeitet daran, Elektrizität in gespeicherte Wärme umzuwandeln und sie industriellen Kunden zurückzuliefern.

Diese Arbeitsteilung ist bezeichnend. Thermische Speicherung für die Schwerindustrie ist ebenso eine Material- und Fertigungsherausforderung wie eine energietechnologische. Speicher zu bauen, der in einer laufenden Anlage stehen kann, jahrelange thermische Zyklen übersteht und in Mengen produziert werden kann, die groß genug sind, um relevant zu sein, erfordert die Art von schwerindustrieller Lieferbasis, die GrafTech bereits betreibt.

Die Paarung signalisiert auch, wohin die Entwickler den Markt gehen sehen: nicht in Richtung Unterhaltungselektronik oder Personenkraftwagen, sondern in Richtung der industriellen Kunden, deren Energiebedarf groß, kontinuierlich und teuer zu dekarbonisieren ist.

Rund um die Uhr verfügbare Energie als Verkaufsargument

Der Ausdruck "rund um die Uhr" hat in diesem Zusammenhang eine spezifische Bedeutung. Industrieanlagen hören nicht auf zu arbeiten, wenn die Sonne untergeht oder die Windstromerzeugung nachlässt. Ein Speichersystem, das Energie nur über einige Stunden verschiebt, löst ihr Problem nicht. Was die Industrie braucht, ist eine Möglichkeit, Energie zu kaufen, wenn sie am günstigsten ist, und trotzdem kontinuierlich zu betreiben.

Thermalbatterien adressieren das, indem sie den Zeitpunkt des Einkaufs vom Zeitpunkt der Nutzung entkoppeln. Strom kann in Niedrigpreisfenstern bezogen, in Wärme umgewandelt und gehalten werden, bis der Prozess ihn benötigt. Für Anlagenbetreiber ergibt sich daraus eine besser vorhersehbare Kostenbasis und ein Weg, kohlenstoffärmeren Strom zu nutzen, ohne die gesamte Produktionslinie neu zu gestalten.

Es gibt auch ein Argument auf Netzebene. Große industrielle Lasten, die Strom flexibel aufnehmen können, sind nützlich für ein System mit wachsenden Mengen variabler Erneuerbaren-Erzeugung, weil sie Elektrizität verbrauchen können, wenn das Angebot reichlich ist, statt in Spitzenzeiten zusätzliche Belastung zu verursachen. Thermische Speicherung macht eine Fabrik effektiv zu einem flexiblen statt zu einem starren Asset.

Worauf zu achten ist

Die Zusammenarbeit ist eine Entwicklung, die man verfolgen sollte, und keine abgeschlossene Einsatzgeschichte. Wie die Technologie abschneidet, wird von mehreren Faktoren abhängen, die klarer werden, wenn Projekte voranschreiten:

• Kosten pro Einheit gespeicherter Wärme. Thermische Speicherung verdrängt fossil befeuerte Prozesswärme nur, wenn die gelieferten Kosten wettbewerbsfähig sind.
• Integration in bestehende Anlagen. Die Nachrüstung von Speichern in laufenden Industriestandorten ist ein Ingenieurproblem, das sich vom Bau im Labor unterscheidet.
• Materialhaltbarkeit. Lange Lebensdauer unter wiederholten Hochtemperaturzyklen entscheidet, ob die Wirtschaftlichkeit über Jahrzehnte trägt.
• Fertigungsmaßstab. Die Produktionskapazität für Kohlenstoff und Graphit wird bestimmen, wie schnell die Technologie eingesetzt werden kann.

Für GrafTech erweitert die Initiative ein Materialgeschäft in die Energiewende hinein, wo Graphit- und Kohlenstoffexpertise über traditionelle Industriekunden hinaus Wert hat. Für die US-Industrie stellt sie einen weiteren Versuch dar, günstige, kontinuierliche und kohlenstoffärmere Wärme zu einer praktischen Option statt zu einer langfristigen Vision zu machen. Die zugrunde liegende Wette ist einfach: Wenn Wärme so günstig gespeichert werden kann, wie sie erzeugt werden kann, bestimmt der Zeitpunkt der Strompreise nicht länger, wann amerikanische Fabriken laufen können.

Dieser Artikel basiert auf einer Reportage von Interesting Engineering. Lesen Sie den Originalartikel.