Speicherung von Öko-Strom

Neue Ansätze bei Druckluftspeicheranlagen sowie im Bereich der Akku-Forschung erweisen sich als vielversprechend - Wasserstoffspeichersystemen steht ein Nischendasein bevor

Auch wenn das primär auf fossilen Energieträgern basierende globale Wirtschaftssystem in diesem Jahrhundert um eine stärkere Nutzung erneuerbarer Energien nicht umhin kommen wird – eine wirkliche Wende in der Energiepolitik steht nicht unmittelbar bevor, allen Aufbruchsbekenntnissen zum Trotz. Wenn man es recht betrachtet, trifft sogar das Gegenteil zu. Die steigende globale Nachfrage nach Energie wird in den nächsten Jahren in noch höherem Maße durch fossile Energieträger gedeckt werden. Angesichts des stetig größer werdenden Energiehungers aufstrebender Schwellenländer wie China, Indien oder Brasilien erscheint dieses Szenario unabwendbar, zumal auch der Pro-Kopf-Ausstoß an Treibhausgasen in diesen Staaten noch um ein Vielfaches unter selbigem in westlichen Industrienationen liegt.

Alternatives Wasserstoffspeichersystem (HARP) in Kanada. Bild: Hydrogenics

Vor diesem Hintergrund ist es sicherlich legitim, die "Vorreiterrolle" Europas in punkto Umweltpolitik zu hinterfragen. Fakt ist aber auch: Der EU-Raum kann seit Jahren einen moderaten Rückgang beim Ausstoß von Treibhausgasen verbuchen. Deutschland konnte seine Treibhausgasemissionen laut Daten des Umweltbundesamtes bis Ende 2009 um knappe 29 Prozent gegenüber dem Jahr 1990 reduzieren. Für den gesamten EU-Raum strebt die EU-Kommission bis zur Mitte des Jahrhunderts einen Rückgang um 80-95% gegenüber dem Referenzjahr 1990 an. Aus ökonomischer Sicht dürfte sich dadurch für die EU kein Wettbewerbsnachteil ergeben. Schließlich könnte der Staatenverbund auf diese Weise seine energiewirtschaftliche Abhängigkeit zu anderen Erdteilen überwinden und somit gleichzeitig eine Erhöhung der eigenen Wertschöpfung sicherstellen.

Um die drastische Reduktion beim Treibhausgas-Ausstoß zu erreichen, müsste die Stromerzeugung in Europa nahezu vollständig dekarbonisiert werden. In welchem Umfang dafür auf erneuerbare Energien vertraut werden soll, ist Gegenstand fortlaufender Debatten. Eine aktuelle Studie des Umweltbundesamtes geht im Falle Deutschlands davon aus, dass bei der Stromerzeugung eine vollständige Umstellung auf erneuerbare Energien bis zum Jahr 2050 als "realistisch" einzustufen ist.

Aber unabhängig davon, wie groß der Anteil der erneuerbaren Energien bei der Stromproduktion in 40 Jahren sein wird – bereits heute gilt es vorrangig eine Frage zu klären: Wie kann die aus regenerativen, Umwelteinflüssen unterliegenden Quellen gewonnene Elektrizität in effizienter Weise gespeichert werden?

Wasserstoffspeichersysteme

Eine mögliche Antwort darauf lässt sich dieser Tage in einem kleinen, an der Westküste von British Columbia gelegenen Städtchen finden. In Bella Coola, so der Name des Nestes, wurde vor kurzem ein innovatives Wasserstoffenergiesystem in Betrieb genommen, welches den überschüssig anfallenden Strom eines Wasserkraftwerkes mittels Elektrolyse von Wasser in Form von Wasserstoff speichert. Je nach Bedarfsfall wird der erzeugte Wasserstoff zum Antrieb einer Brennstoffzelle verwendet. Auf diese Weise kann nach Belieben Strom in das kommunale Netzwerk eingeschleust werden.

Schematische Darstellung der Energieproduktion in Bella Coola. Grafik: Allan Grant

Das sogenannte HARP (Hydrogen-Assisted-Renewable-Power)-System verringert den jährlichen Dieselverbrauch der 1900-Seelen-Gemeinde um 200.000 Liter. Für die nächsten Jahre ist für HARP zunächst eine Art Testlauf vorgesehen: "Dieser Feldversuch wird letztlich nicht nur zu einer Optimierung unseres Systems führen, sondern uns auch Informationen darüber geben können, in welchen Bereichen derartige Systeme überhaupt sinnvoll sind", erklärt der mit der Leitung des Projekts beauftragte Allan Grant. Für Kanada, das eine Vielzahl von Gemeinden aufweist, welche über autarke Stromnetze verfügen, könnten sich diese Systeme als richtungsweisend erweisen. Aber stellt HARP auch eine Alternative für die deutsche Energiewirtschaft dar?

"Wasserkraft wird in Deutschland sicher nicht mit Speichern kombiniert werden, da sie gut regelbare Grundlast liefert, das Netz gut ausgebaut ist und die Potenziale überschaubar sind", stellt Tom Smolinka vom Fraunhofer-Institut für Solarenergie klar. Anders verhält es sich mit Windkraft, der in Deutschland vor allem im Rahmen von Offshore-Windkraftwerken eine große Zukunft bevorsteht.

Chancen von Wasserstoff

Stationäre Wasserstoffspeichersysteme wie in Bella Coola dürften in Deutschland aufgrund ihres schlechten Wirkungsgrades auf absehbare Zeit eine Randerscheinung bleiben.

Dass derlei Konzepte hierzulande aber nicht völlig zu vernachlässigen sind, zeigt das Beispiel Prenzlau. Dort wird gerade ein Hybridkraftwerk errichtet, welches den überschüssig anfallenden Strom dreier Windenergieanlagen in Form von durch Elektrolyse erzeugtem Wasserstoff speichert. Die bedarfsorientierte Rückumwandlung von Wasserstoff in elektrischen Strom erfolgt in Kombination mit einer Biogasanlage in zwei Blockheizkraftwerken. Die Anlage soll den Energiebedarf mehrerer hundert Haushalte in der Umgebung decken. Entgegen vormaligen Ankündigungen wird das Hybridkraftwerk in Prenzlau voraussichtlich erst im nächsten Jahr in Betrieb gehen können.

Auch im Bereich der Verkehrswirtschaft sind den Entfaltungsmöglichkeiten von Wasserstoff enge Grenzen gesetzt. Für die nächsten Jahre rechnet Tom Smolinka erst einmal mit einem stufenweisen Ausbau einer Wasserstoff-Tankstelleninfrastruktur. Generell werden es zunächst wohl eher Nischenanwendungen (Backup-Energie, Notstromversorgung, industrielle/gewerbliche Kleintraktion, Gabelstapler) sein, die auf Wasserstoff als Energieressource aufbauen.

Mittelfristig werden sich Wasserstoffautos nicht gegen konventionell betriebene Fahrzeuge beziehungsweise gegen neuartige Elektroautos durchsetzen können. Der Umstand, dass Wasserstoff in der Regel nach wie vor aus Erdgas hergestellt wird, und somit einen nicht klimaneutralen Energieträger darstellt, bietet zudem wenig argumentativen Spielraum für Subventionierungsmaßnahmen.

Personalisierte Energiesysteme

Aus Kostengründen ist die klimaschonende Produktion von Wasserstoff durch Elektrolyse mittels Strom aus erneuerbaren Energien bislang nur für Ausnahmestandorte vertretbar.Verschiedene Forscherteams rund um den Erdball arbeiten gegenwärtig an einer Optimierung der für die Wasserstoffproduktion essentiellen Elektrolyseurs.

Dan Nocera vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), der durch die Entwicklung eines neuartigen Katalysators die Sauerstoffausbeute beim Elektrolysevorgang stark erhöhen konnte, schwebt sogar ein Zeitalter der "personalisierten Energiesysteme" vor. Wasserstoffsysteme stellen für ihn einen Garant für eine gerechtere Weltordnung dar. Das von Nocera befürwortete - insbesondere für Gegenden mit hoher Sonneneinstrahlung geeignete - Energiesystem ist simpel aufgebaut:

Die Deckung des Strombedarfs eines Haushalts erfolgt über eine am Dach montierte Solaranlage. Überschüssige Energie aus den Solarzellen wird für den Betrieb eines Elektrolyseurs verwendet, der Wasser in seine Bestandteile, Wasserstoff und Sauerstoff, aufspaltet und speichert. Kann keine Energie durch die Solaranlage gewonnen werden, dienen Wasserstoff und Sauerstoff als Treibstoffe für eine Brennstoffzelle, die nun die Stromproduktion übernimmt.

Aber selbst wenn den Wissenschaftlern in nächster Zeit ein weiteres Anheben des Wirkungsgrades des Elektrolyseurs gelingen sollte, wären noch längst nicht alle Hürden auf dem Weg zur "personalisierten Energieerzeugung" genommen. Um Wirtschaftlichkeit zu erzielen, müssten auch die anderen Komponenten des Systems (Produktion von Strom, Speicherung, Energieproduktion in Brennstoffzelle) weiter verbessert werden, erläutert Wolfgang Lippmann von der TU Dresden: "Ich denke, dass ein solches System unter realen marktwirtschaftlichen Rahmenbedingungen (also ohne verzerrende direkte oder versteckte Subventionierung) heute nicht konkurrenzfähig ist."

Elektrolyse von Wasser: Wasser+Strom = 0 Sauerstoff und Wasserstoff. Grafik: Hydrogenics

Effiziente Speichertypen

Im Hinblick auf die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energien haben sich bis dato verschiedene aussichtsreiche Methoden herauskristallisiert: Die bereits seit Jahrzehnten zum Einsatz kommenden Pumpspeicherkraftwerke werden auf absehbare Zeit unabkömmlich bleiben. Energie lässt sich bei diesem Kraftwerkstyp speichern, indem Wasser in topografisch höher gelegene Staubecken gepumpt wird. Liegt eine größere Nachfrage nach Elektrizität vor, wird das aufgestaute Wasser mittels Turbinen zur Stromproduktion verwendet. Der Wirkungsgrad dieser oft auf mehrere hundert Megawatt (MW) ausgelegten Anlagen divergiert zwischen 75-85%.

Die für den Bau notwendigen, nicht überall anzutreffenden Niveauunterschiede prädestinieren Pumpspeicherkraftwerke für hügelige/gebirgige Standorte. Für Deutschland liegen deshalb Pläne vor, die Entwicklung und den Bau von Druckluftspeicheranlagen zu forcieren. Bei diesen Anlagen wird zunächst komprimierte Luft in unterirdische Speicher geleitet. Je nach Bedarf kann diese sodann zur Stromproduktion weiterverwendet werden. Ein relativ schlechter Wirkungsgrad (40-50%) hat die Etablierung dieser Kraftwerkstypen bisher verhindert. Durch Integration eines Wärmespeichers, welcher bei der Komprimierung der Luft entstehende Energieverluste kompensiert, könnte der Wirkungsgrad auf etwa 70% angehoben werden. Unter Förderung des Bundeswirtschaftsministeriums soll bis 2013 in Deutschland eine erste Demonstrationsanlage dieses Druckluftspeicherkraftwerktyps mit einer Leistung von 200MW errichtet werden.

Als dezentrale Stromspeicher im Bereich von 50 Kilowatt(KW) bis 5 MW könnten sich bald sogenannte Redox-Flow-Batterien verstärkt durchsetzen. Redox-Flow-Batterien speichern Energie in Form von flüssigen, in externen Tankbehältern aufbewahrten Elektrolyten. Werden die Elektrolyte in einen durch eine ionendurchlässige Zellmembran geteilten Reaktionsraum geleitet, kommt es zum Stromfluss .Der sich einstellende Spannungsabfall kann durch Laden der Batterie wieder ausgeglichen werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Blei-Akkus zeichnen sich die Redox-Flow-Batterien vor allem durch ihre hohe Zyklenfestigkeit und einen hohen Wirkungsgrad von ca. 80% aus. Im kanadischen Bella Coola (siehe oben) wird dieser Batterietyp ergänzend zur Energiespeicherung durch Wasserstoff eingesetzt.

Auch die mit einem sehr hohen Wirkungsgrad (>90%) ausgestatteten Lithium-Ionen-Akkus, die heute insbesondere bei mobilen Anwendungen weit verbreitet sind, werden zunehmend im stationären Bereich Fuß fassen. Gegenwärtig entwickelt Evonik Industries im saarländischen Völklingen einen Prototyp eines großtechnisch einsetzbaren Lithium-Ionen-Akkus. Evonik setzt dabei auf keramikbeschichtete Membranen, welche Lebensdauer und Sicherheit des in etwa fünf Tonnen wiegenden Speichers erhöhen sollen. (Wolfgang Knierzinger)

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