Umwelttechnik Speicherlösungen der Zukunft

Redakteur: Andreas Leu

Das PSI testet mit einem Siemens-Wasserstoff-Elektrolyseur und Brennstoffzellen den Betrieb mit Methanisierung der Biomasse.

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Siemens-Ingenieure haben einen Elektrolyseur entwickelt, der mit Protonen leitenden Membranen arbeitet. Er reagiert binnen Millisekunden auf den zur Verfügung stehenden Strom.
Siemens-Ingenieure haben einen Elektrolyseur entwickelt, der mit Protonen leitenden Membranen arbeitet. Er reagiert binnen Millisekunden auf den zur Verfügung stehenden Strom.
(Bild: Siemens)

Neue Windkraftwerke und zahlreiche Fotovoltaik-Anlagen auf privaten und öffentlichen Hausdächern beanspruchen das Stromnetz immer mehr. So wichtig ihr Beitrag für die Energiewende ist, so herausfordernd ist der technische und wirtschaftliche Umgang mit ihnen. Weil Strom aus erneuerbaren und dezentralen Energiequellen stark schwankt und sich nur schlecht speichern lässt, sollen Elektrolyseure das Problem lösen. Diese nutzen den überschüssigen Strom, um Wasserstoff herzustellen, der entweder direkt gespeichert oder in Methan umgewandelt wird.

Neue Speichermethoden gesucht

Unser Stromnetz kann nur so viel Strom aufnehmen, wie gerade verbraucht wird. Ohne Speicher würde das gesamte System aus dem Gleichgewicht geraten und die Frequenzstabilität kollabieren. Immer häufiger müssen deshalb Energieversorger ihren Strom zu Dumping-Preisen ins Netz einspeisen, weil sonst eine gefährliche Überlast droht. Ein besonderes Ärgernis: Auch wenn die Betreiber den erneuerbaren Strom abregeln, müssen sie ihn bezahlen.

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Allein im Bundesland Schleswig-Holstein fallen für die Betreiber jährlich rund 25 Millionen Euro Entschädigungskosten an, weil die Windkraftwerke in der Nordsee zeitweise zu viel Strom generieren.

Die Energieversorger haben daher allen Grund, sich mit neuen Speichermethoden zu befassen. Die verfügbaren Technologien sind vielfältig, aber je nach Anwendung mit Nachteilen behaftet: Pumpspeicherkraftwerke sind teuer und benötigen eine riesige Infrastruktur, und die Kapazität von Batterien ist limitiert, wobei sie in der Regel nur die tagesaktuelle Stromproduktion ausgleichen.

Speicherung in chemischer Form

Eine mögliche Lösung für die saisonale Speicherung ist das zweistufige Power-to-Gas-Konzept. Hier wird zuerst der überschüssige Strom genutzt, um mithilfe eines Elektrolyseurs Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. In einem zweiten Schritt wird der Wasserstoff unter Zugabe von CO2 zu synthetischem Erdgas (Methan) weiterverarbeitet. Die überschüssige elektrische Energie wird so in chemischer Form gespeichert.

Diese gasförmigen Energieträger können lange gelagert und weit transportiert werden. Bei Bedarf werden sie wieder in Strom oder Wärme umgewandelt. Der Wasserstoff kann zum Beispiel mit einem Anteil von bis zu 5 Prozent ins Erdgasnetz eingespeist werden und so fossiles Methan ersetzen. Zudem benötigt auch die chemische Industrie Millionen Tonnen Wasserstoff. Neben der Versorgung von Haushalten, Gewerbe und Industrie ist auch eine Nutzung als Treibstoff möglich, zum Beispiel in Erdgasfahrzeugen oder Brennstoffzellenautos.

Wasserstoff-Elektrolyseure und Systeme, die den Wasserstoff methanisieren, werden bereits in einigen Pilotprojekten eingesetzt und von Energieversorgern getestet. Noch ist aber nicht klar, welche Speichertechnologie ökonomisch am sinnvollsten ist. Das Paul-Scherrer-Institut (PSI) in Villigen hat im Rahmen der Energieforschung die Energy-System-Integration-­Plattform (ESI) lanciert, bei der das Power-to-Gas-Konzept im Mittelpunkt steht. Bei der ESI-Plattform geht es darum, all die bisher isoliert erforschten Bausteine erstmals in ihrem komplexen Zusammenspiel zu untersuchen und die Technologien im Verbund zu betreiben. Im Laufe des Jahres 2016 hat die Forschungsplattform schrittweise ihre Arbeit aufgenommen.

PEM-Technologie mit vielen Vorteilen

Das PSI setzt dabei auf das Elektrolysesystem Silyzer von Siemens, das auf Basis der PEM-Technologie (Proton Exchange Membrane) entwickelt wurde. Dieses eignet sich insbesondere für den dynamischen Betrieb, kommt ohne Chemikalien aus, ist flexibel steuerbar und kann innert kürzester Zeit hochfahren. Der am PSI eingesetzte Silyzer ist in der Lage, seine Normleistung innerhalb von zehn Sekunden vollständig zu erreichen oder die Leistung ebenso schnell wieder zu reduzieren. Ein weiterer Vorteil der PEM-Technologie: Sie produziert bis zu fünfmal mehr Wasserstoff pro cm2 als ein alkalischer Elektrolyseur. Der PEM-Elektrolyseur eignet sich auch als dynamische Regellastkomponente zum Ausgleich von Schwankungen in den Stromnetzen — und kann damit zur Schlüsselkomponente für Energieversorger, Netzbetreiber und Anbieter erneuerbarer Energien werden.

siemens.ch

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