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Hochhäuser als Energiespeicher

Per Fahrstuhl transportierte Gewichte könnten Energieschwankungen in Großstädten ausgleichen

Hochhäuser
Hochhäuser und ihre Fahrstühle könnten als Energiespeicher genutzt werden. © DifferentMindDesigns/ Getty images

Originelle Idee: Das Fahrstuhlsystem von Hochhäusern kann die Gebäude zu Energiespeichern machen – und überschüssigen Strom wie ein Pumpspeicher konservieren. Dabei wird in Überschusszeiten Strom genutzt, um Gewichte in die oberen Etagen des Hochhauses zu bringen. Wird dann Strom benötigt, lässt man sie wieder herunterfahren und nutzt die Bremsenergie der Fahrstühle zur Stromgewinnung. Global könnten Hochhäuser dadurch 30 bis 300 Gigawattstunden Strom speichern, wie Forscher ermittelt haben.

Strom aus Wind und Sonne sind wichtige Säulen der Energiewende. Allerdings schwankt ihre Produktion je nach Wetter stark. Daher werden Energiespeicher benötigt, die Überschüsse abpuffern und den gespeicherten Strom bei hohem Bedarf und geringem Nachschub ins Netz abgeben. Neben elektrochemischen Batterien und thermischen Speichern könnten dabei auch Pumpspeicher eine Renaissance erleben. Sie nutzen Überschussstrom, um Wasser in ein höher liegendes Reservoir zu pumpen. Dessen Lageenergie kann über das Gefälle und Turbinen wieder zu Strom gemacht werden.

Das Problem jedoch: Gänge Pumpspeicherkraftwerke benötigen viel Platz in Form von Speicherseen. Zwar könnte man – beispielsweise im Ruhrgebiet – auch Pumpspeicher unter die Erde verlegen. Im Allgemeinen sind solche Energiespeicher aber vor allem für ländliche Gegenden geeignet.

Fahrstühle als Generatoren

Eine Alternative für Großstädte könnte aber eine innovative Abwandlung des Prinzips bieten. Statt der Wasserreservoire und Pumpen werden dabei Fahrstühle und Hochhausetagen als Energiespeicher genutzt. „Ich war schon immer fasziniert vom Prinzip der Lageenergie – der Stromerzeugung durch Höhenunterschiede wie beispielsweise durch Wasserkraft, Pumpspeicher, Auftrieb oder Schwerkraftspeicher“, erklärt Erstautor Julian Hunt vom International Institute für Applied Systems (IASA).

Nach dem gleichen Prinzip funktioniert auch die von Hunt und seinem Team entwickelte Lift Energy Storage Technology (LEST). Sie nutzt die Tatsache, dass die meisten modernen Fahrstühle beim Abwärtsfahren und Bremsen Strom erzeugen: Spezielle Generatoren nutzen die von der Schwerkraft bewirkte Kraft zur Rückgewinnung der Energie. „Diese Permanentmagnet-Elektromotoren/Bremsen haben eine Effizienz von fast 92 Prozent“, berichten die Forscher. Vor allem wenn Fahrstühle beladen nach unten fahren, könnte das regenerative Bremsen seine Vorteile ausspielen.

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LEST-System
Lift Energy Storage Technology (LEST): Durch Transport von Gewichten und die Bremsen der Fahrstühle kann ein Hochhaus Strom als Lageenergie speichern und dann rückgewinnen. © Hunt et al./ Energy, CC-by 4.0

Gewichte vom Keller zum Dach und zurück

Konkret funktioniert das LEST-System, indem zu Zeiten mit wenig Auslastung und Stromüberschuss schwere Gewichte mittels Fahrstuhl in ein Lager in den oberen Etagen des Hochhauses gebracht werden. Je nach Tragfähigkeit der Fahrstühle könnte ein solches Gewicht bis zu einer Tonne schwer sein und aus Behältern mit nassem Sand bestehen, aber auch aus Blei oder Beton. Die durch autonom agierende Roboter beförderten Gewichte werden in leeren Etagen, Räumen oder Korridoren geparkt. Die „Gebäudebatterie“ ist damit aufgeladen.

Wird dann Strom benötigt, lässt man diese Gewichte im Fahrstuhl in ein unteres Reservoir im Keller oder den unteren Tagen hinunterfahren. Dabei gewinnt das Bremssystem aus der freiwerdenden Lageenergie Strom zurück – die Gebäudebatterie entlädt sich. Je größer das Gewicht und der Höhenunterschied, desto mehr Energie kann auf diese Weise gespeichert werden. „Ein Gebäude mit 5.000 Gewichtscontainern und einer 50 Meter Höhendifferenz hat eine Energiespeicherkapazität von rund 545 Kilowattstunden“, berichten Hunt und sein Team.

Globale Kapazität von 30 Gigawattstunden – mindestens

Lohnend ist das System ihren Angaben nach überall dort, wo es Hochhäuser von mehr als 50 Meter Höhe gibt. Würde man einen LEST-Energiespeicher mit jeweils 5.000 Gewichtscontainern weltweit in allen Hochhäusern mit mehr als 50 Meter Höhe installieren, könnten dies den Berechnungen der Wissenschaftler zufolge rund 30 Gigawattstunden an Energie speichern. Werden mehr Gewichte pro Gebäude verwendet, kann die Kapazität sogar bis auf 300 Gigawattstunden steigen.

Ein Vorteil auch: Die Kosten halten sich in Grenzen. Weil die meisten Hochhäuser schon Fahrstühle mit stromrückgewinnenden Bremsen haben und leere Räume in Bürogebäuden vor allem nachts und am Wochenende vorhanden sind, müssen nur die Gewichte und die autonomen Vehikel dafür angeschafft werden. Den Forschern zufolge liegen die Kosten von LEST bei einer mittleren Höhendifferenz von 100 Metern bei rund 62 US-Dollar pro Kilowattstunde. Das sei weniger als die Kosten für Batteriespeicher.

Allerdings gibt es auch Einschränkungen: Voraussetzung ist, dass es in den oberen und unteren Etagen nutzbare Räume für die Gewichtscontainer gibt. Außerdem muss überprüft werden, ob die Statik und Tragfähigkeit der Decken für die Lagerung so großer Massen ausreicht.

Lösung für dezentrale urbane Energiespeicher

Dennoch sehen die Wissenschaftler in diesem System eine sinnvolle lokale Ergänzung zur Stromerzeugung durch Sonne und Wind – vor allem für die großen Metropolen der Welt. „LEST kann als dezentrale urbane Energiespeicher-Lösung dienen, um Schwankungen von Wind- und Solarstrom und Bedarfsschwankungen auszugleichen“, konstatieren Hunt und seine Kollegen. Dadurch können solche dezentralen Speicher die Qualität der Stromversorgung ohne zusätzlichen Platzbedarf verbessern helfen. (Energy, 2022; doi: 10.1016/j.energy.2022.124102)

Quelle: International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA)

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