Die grosse Herausforderung bei den erneuerbaren Energien liegt in der Speicherung. Um den Stromüberschuss, der künftig im Sommer erzeugt wird, im Winter nutzen zu können, benötigen wir nicht nur Kurzzeitspeicher wie Batterien, sondern auch saisonale Langzeitspeicher. Welche Lösungsansätze gibt es und wohin geht die Entwicklung?
Strom aus erneuerbarer Energie, also aus Solar-, Wasser- und Windkraft, stellt die Produzenten vor neue Herausforderungen. Die Erzeugung erfolgt dann, wenn etwa die Sonne scheint. Damit wir diesen Strom auch zeitversetzt nutzen können, wenn es dunkel oder bewölkt ist, muss er gespeichert werden.
Doch bereits verfügbare Speichermöglichkeiten wie Batterien überbrücken nur kurze Zeiträume und haben viel zu wenig Speicherkapazität, um die Wirtschaft und die Haushalte in der Schweiz über den Winter zu versorgen. An Methoden zur Langzeitspeicherung herrscht hingegen noch immer Mangel. Es gibt zwar viele Lösungsansätze und zahlreiche kleine wie grosse Forschungsprojekte für die Energiespeicher der Zukunft. Allerdings sind sie oft noch zu teuer oder stecken in technischer Hinsicht noch in den Kinderschuhen.
Power-to-X hat die Nase vorn
Am Paul Scherrer Institut (PSI) werden verschiedenste Optionen untersucht, die in Zusammenhang mit der Gewährleistung der Energieversorgungssicherheit und der Speicherung von Energie stehen. Doch es geht nicht nur um die Stromspeicherung: Neben der Entwicklung von unterschiedlichsten Komponenten von Power-to-X-Systemen spielt die Systemintegration eine ebenso wichtige Rolle wie ökonomische und ökologische Aspekte.
«Unsere Forschungsergebnisse zeigen, dass die Vermeidung von Treibhausgasen in den Endverbrauchssektoren zusammen mit einem beschleunigten Ausbau der erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung Langzeitspeicher für chemische Energieträger wie etwa Wasserstoff und synthetische Kohlenwasserstoffe im Massstab mehrerer Terawattstunden bedingen wird», sagt Peter Jansohn, Head Energy System Integration Plattform ESI am PSI. «Diese Energieträger sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte und vergleichsweise geringen Speicherkosten zur Langzeitspeicherung grosser Energiemengen geeignet.»
Power-to-X: Aktuell sind chemische Energieträger wie Wasserstoff die am weitesten entwickelte Möglichkeit, Strom aus erneuerbaren Energien über längere Zeiträume zu speichern. (Illustration: Shutterstock/Audio und Werbung)
Bei der Verwendung und Speicherung von Kohlenwasserstoffen wie etwa Methan müsse man jedoch die Treibhausgasbilanz im Blick haben, betont Jansohn. Kohlenstoff sollte möglichst im Kreislaufprinzip verwendet werden. Power-to-Gas hält gerade Einzug in die Praxis und wenn die Kosten dank Skaleneffekten sinken, stehen die Chancen gut, dass sich Power-to-X-Technologien etablieren können.
Neuartige Speichermedien für Strom
Eine Vielzahl von neuen Forschungsansätzen versucht, das Problem der saisonalen Stromspeicherung zu lösen. Elektrothermische Speicher, Hubspeicherkraftwerke oder die Speicherung mithilfe von eigens entwickelten Molekülen sollen neue Wege aufzeigen. Tom Kober, Leiter der Gruppe Energiewirtschaft im Labor für Energiesystemanalysen am PSI, kennt die Herausforderungen, die sich bei der Entwicklung neuer Energiespeicher stellen.
Die Erfolgsaussichten der diversen Ansätze bewertet er eher zurückhaltend, nicht zuletzt deshalb, weil die Neuentwicklungen zum Teil noch am Anfang stehen. Für alle gilt, dass die Gesamteffizienz eines Speichersystems umso höher ist, je weniger Teilschritte für die Speicherung notwendig sind. Doch nicht nur die Effizienz zählt, auch die potentielle Speicherkapazität über längere Zeiträume entscheidet über Erfolg oder Misserfolg. «Generell lässt sich sagen, dass alle auf thermischen Prinzipien beruhende Verfahren hier durch Wärmeverluste Nachteile haben», sagt Tom Kober.
Neue Ansätze zur saisonalen Stromspeicherung
In vielen Forschungsbereichen werden aktuell neue Möglichkeiten zur saisonalen Stromspeicherung gesucht. Hier einige Ansätze, die diese Vielfalt abbilden. Die Experten des PSI geben zu jeder vorgestellten Technologie eine Einschätzung, wie realistisch diese jeweils ist.
Power-to-X bezeichnet verschiedene Technologien zur Speicherung beziehungsweise Umwandlung von Stromüberschüssen in Form von chemischen Energieträgern. Erzeugt werden dabei etwa Methan, Methanol oder Ammoniak.
Die Speicherung von überschüssigem Strom durch Wasserstoff ist aktuell die populärste Methode. Ihre Erforschung ist relativ weit fortgeschritten, EKZ hat bereits eine Anlage für ein Mehrfamilienhaus realisiert. Das Prinzip ist einfach: Strom aus erneuerbaren Quellen wird dazu verwendet, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Bei Bedarf, beispielsweise im Winterhalbjahr, wird der Wasserstoff in einer Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie umgewandelt.
Durch Kompression können grosse Mengen an Wasserstoff gespeichert werden, Diese Kompression verbraucht zwar auch wieder Strom und auch die Rückverstromung geht mit weiteren Verlusten einher. Doch das ist immer noch besser, als den Überschuss an erzeugtem Strom gar nicht zu nutzen.
Power-to-X (Energiespeicherung in chemischen Energieträgern) ist sehr vielfältig und wird schon in einer Reihe von Pilotprojekten realitätsnah erprobt. Power-to-X erlaubt – nahezu als einzige «neue» Speichertechnologie – die Speicherung sehr grosser Energiemengen (TWh = Milliarden Kilowattstunden) über längere Zeiträume (Monate). Einzig die mit Power-to-X verbundenen Kosten verhindern momentan noch die breite Markteinführung.
Je schwerer ein Objekt ist, umso mehr Energie kostet es uns, dieses hochzuheben. Dieses Prinzip macht sich das schweizerisch-amerikanische Unternehmen Energy Vault zunutze. Rund 35 Tonnen schwere Blöcke werden mittels elektrischem Antrieb in Höhen bis zu 200 Meter gehoben. Dies geschieht mit Strom aus erneuerbaren Quellen, der nicht direkt ins Netz eingespeist werden kann. Nach demselben Prinzip, das auch hinter Pumpspeicherkraftwerken steht, wird so Energie für die spätere Nutzung gespeichert. Beim Herunterlassen des Blocks wird wieder Strom erzeugt. Ein solches Hubspeicherkraftwerk kann einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent erreichen.
Auf Nachhaltigkeit legt Energy Vault auch bei den eingesetzten Materialien Wert: Die 35-Tonnen-Blöcke bestehen nicht aus CO2-intensivem Beton, sondern aus alternativem Zement. Dieser wird aus Quellen wie Erde, Verbrennungsrückständen oder Fiberglas von ausgedienten Windturbinen produziert. Noch im Jahr 2021 sollen die ersten Anlagen in Betrieb genommen werden.
Speicherung von elektrischer Energie in potentieller (Lage-) Energie ist eine einfache, sehr effektive Methode der Energiespeicherung. Allerdings müssen grosse Massen bewegt werden, und die logistischen Herausforderung, immer ausreichend Masse(körper) auf beiden Energieniveaus vorzuhalten, ist nicht zu unterschätzen. Um ausreichend grosse elektrische Leistungen (1 MW = 1000 Kilowatt) abrufen zu können – sowohl für die Ein- als auch die Aus-Speicherung von Energie – müssen gleichzeitig viele Massekörper innerhalb von Minutenbruchteilen sehr schnell bewegt werden können.
Im Juni 2019 wurde in Hamburg-Altenwerder ein elektrothermischer Energiespeicher eingeweiht, der aus rund 1000 Tonnen Vulkangestein besteht. Eine mit Strom betriebene Widerstandsheizung und ein Gebläse erzeugen einen Heissluftstrom, der die Vulkansteine auf 750 Grad Celsius aufheizt.
130 Megawattstunden thermische Energie sind so rund eine Woche speicherbar. Die gespeicherte Energie kann über eine einfache Dampfturbine bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt werden. Bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Dampfturbine von etwa 30 Prozent (bis zu 50 Prozent sind möglich bei hochmodernen grossen Anlagen) könnte man 40 MWh elektrisch wiedergewinnen.
In naher Zukunft sollen bereits mehrere Gigawattstunden gespeichert werden. Das würde ausreichen, um gut 12’000 Haushalte einen Tag lang mit Strom zu versorgen. Noch kein Saisonalspeicher also, aber die Bauherrin Siemens Gamesa möchte Kapazität und Leistung noch nennenswert steigern.
Thermische Speicher kämpfen mit allgegenwärtigen Wärmeverlusten, die umso schwerer zu minimieren sind, je höher die Temperatur des Speichermediums ist. Ähnlich wie bei Batterien führt dies zu einer kontinuierlichen (Selbst-)Entladung des Speichermediums. Hohe Speichertemperaturen sind aber nötig, um die Rückverstromung in thermischen Prozessen möglichst effektiv durchführen zu können. Auch zehrt die zyklische Temperaturbelastung des Speichermaterials an der mechanischen Integrität der verwendeten Materialien (ebenfalls ähnlich den Degradationsprozessen in Batterien). Nur extrem billigen Speichermaterialien wird deshalb eine ökonomische Chance eingeräumt.
Ein Forscherteam der Ostschweizer Fachhochschule (OST) arbeitet an einem Konzept für einen chemischen Energiespeicherzyklus auf der Basis von Aluminium. Damit soll im Sommer produzierter Strom aus erneuerbarer Energie in Form von Aluminium gespeichert werden, um im Winter daraus sowohl Wärme als auch wieder Strom zu erzeugen.
Die Vision ist ein autarkes Energiesystem, das in Kombination mit einer Photovoltaikanlage und einer Wärmepumpe ganzjährig die Strom- und Wärmeversorgung eines Einfamilienhauses gewährleisten kann.
Dabei wandelt eine Erzeugereinheit die in Aluminium gespeicherte Energie in Wärme und Wasserstoff um. Der gewonnene Wasserstoff kann dann in einer Brennstoffzelle rückverstromt werden. Übrig bleibt Aluminiumhydroxid, das in einem aufwändigen Prozess wieder zu Aluminium umgewandelt werden kann.
Ein Einfamilienhaus benötigt einen Behälter mit rund 300 bis 500 Kilogramm Aluminium, um über den Winter zu kommen. Die CO2-freie Produktion von Aluminium ist jedoch noch eine der Herausforderungen. Um das Verfahren rentabel zu machen, muss noch viel an Entwicklung geschehen.
Das komplexe Regenerationsverfahren eignet sich nicht für eine Anwendung in dezentralen kleinen Anlagen (oder gar Einzelhaushalten) und erfordert deshalb zusätzlichen logistischen Aufwand für den Transport zu zentralen Aufbereitungsanlagen. Auch Sicherheitsanforderungen beim Handling sind im Wohngebäudebereich nur mit hohem Aufwand zu erfüllen, weshalb die Forscher der OST auf ein Aluminium-Granulat mit gröberer Körnung setzen, von welchem kein Explosions- oder Brandrisiko ausgeht.
Ein neues Molekül aus Stickstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff soll zum Strom-Langzeitspeicher werden. An der Technischen Hochschule Chalmers in Göteborg arbeiten Forscher am Projekt MOST (Molecular Solar Thermal Energy Storage).
Wird das Molekül in flüssiger Form dem Sonnenlicht ausgesetzt, verändern sich die Bindungen zwischen seinen Atomen und verwandeln es in ein energiereiches Isomer. Dieses ist in der Lage, Sonnenenergie zu speichern.
Bei Raumtemperatur können die Isomere die Energie über Jahre hinweg speichern. Die Rückgewinnung der Energie erfolgt durch eine wärmefreisetzende Reaktion an einem speziellen Katalysator. Bis zu einer möglichen kommerziellen Nutzung wird jedoch laut den Forschern noch etwa ein Jahrzehnt ins Land ziehen.
Die Nachahmung natürlicher Energieumwandlungs- und Speicherprozesse (ähnlich der Photosynthese) sind schon lange Ziel technischer Entwicklungen. Energiespeicherung auf molekularer Basis kann jeweils immer nur (sehr) kleine Energieeinheiten transferieren, muss also an Millionen von Molekülen gleichzeitig vollzogen werden. Typischerweise laufen bei chemischen Umwandlungsprozessen auch immer unerwünschte Nebenreaktionen ab, die zu einem Abbau (Degradation) des organischen Trägermediums führen. Licht, Sauerstoff und Temperatur beschleunigen diese Prozesse und reduzieren die Langzeitstabilität.
Das Institut für Technische Thermodynamik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht an der Entwicklung einer sogenannten Carnot-Batterie. Dabei wird mittels einer elektrischen Wärmepumpe erneuerbarer Strom in Wärme umgewandelt. Diese Wärme wird in einem kostengünstigen Medium wie Wasser, Flüssigsalz, Steine oder Flüssigmetalle zwischengespeichert.
Bei Bedarf lässt sich die Wärme dann, wie bei einer Dampfmaschine mit einem Generator, wieder in Strom zurückumwandeln, Noch existieren aber keine Hochtemperatur-Wärmepumpen, mit denen man Strom in Hochtemperaturwärme über 200° C umwandeln kann. Und auch die unterschiedlichen Speicherkonzepte, Betriebsweisen und Speichermaterialien wie etwa Salze, Gesteine oder Keramik, sind noch in der Erforschungsphase. Ein spannender Ansatz, der aber noch Zukunftsmusik ist.
Wärmepumpenbasierte Energiespeicherkonzepte, die Wärme (d.h. thermische Energie) zwischen einem Kälte- und einem Wärmespeicher hin und her transferieren, sind grundsätzlich attraktiv und können in Zukunft durchaus eine signifikante Rolle in industriellen Prozessen spielen. Dies gilt insbesondere bei Industrieprozessen bei denen grosse Wärmemengen frei werden bzw. grosser Kühlbedarf besteht. Hochtemperatur-Wärmepumpen sind allerdings in der Tat noch grossteils technisches Neuland und in ihrer Effizienz eingeschränkt, wenn grössere Temperaturdifferenzen überwunden werden müssen.
Steiniger Weg in die Energiezukunft
Die Suche nach neuen Möglichkeiten zur saisonalen Speicherung läuft auf Hochtouren. Und laufend werden neue Ansätze vorgestellt. Doch der Bedarf an weiterer Forschung und Entwicklung ist bei all diesen Ansätzen noch sehr hoch. Peter Jansohn bleibt deshalb pragmatisch: «Die breite Palette von chemischen Energieträgern erscheint deutlich realistischer und auch in kürzerer Frist erreichbar. Die grössten Herausforderungen bestehen darin, dass sehr grosse Energiemengen – TWh – über sehr lange Zeiträume, also mehrere Monate, gespeichert werden sollen. Aus heutiger Sicht können diese Herausforderungen ausser über Power-to-X kaum ausreichend adressiert werden.»
Pumpspeicherkraftwerke wie Limmern in den Glarner Alpen spielen eine wichtige Rolle in der Energiezukunft. Sie nehmen Stromüberschüsse auf und gleichen Mangellagen aus. (Foto: Axpo) Unser Titelfoto ganz oben zeigt ebenfalls die Muttsee-Staumauer – auf der Südseite wird im Sommer 2022 eine neue Solaranlage in Betrieb genommen.
Zusammenspiel vieler Speichertypen
Für eine nachhaltige Energiezukunft sind jedoch nicht die saisonalen Speicher allein die Lösung. «Wir sehen sowohl die Notwendigkeit und Koexistenz von Langfristspeichern, basierend auf chemischen Energieträgern, als auch die von kurzfristigen Speichern wie Batterien und Pumpspeichern», erläutert Tom Kober. Ergänzt werden muss das Energiesystem durch weitere Flexibilisierungsoptionen: Sektorkopplung, gesteuerte Lasten, flexible Kraftwerke und der strategische Einsatz der Speicherwasserkraft sind hier im Fokus.
Der Herausforderung der saisonalen Speicherung des Stroms aus erneuerbaren Energien kann also auch mit neuartigen Technologien nicht so schnell begegnet werden. Tragfähige, zukunftsweisende Lösungen sind ein komplexes Zusammenspiel aus vielen Elementen. Für deren Entwicklung muss noch sehr viel Aufwand betrieben werden.
Das Paul Scherrer Institut und die Experten
Das Paul Scherrer Institut PSI ist das grösste Forschungsinstitut für Natur- und Ingenieurwissenschaften in der Schweiz. Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die drei Themenschwerpunkte Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit.
Das Forschungsinstitut beschäftigt 2100 Personen und hat ein jährliches Budget von rund 400 Millionen Franken. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL. Es wird hauptsächlich von der Schweizerischen Eidgenossenschaft finanziert.
Dr. Peter Jansohn ist Leiter der Plattform Energie-System-Integration ESI.
Dr. Tom Kober ist Leiter der Gruppe Energiewirtschaft, Labor für Energiesystemanalysen.
Die Kommunikationsberaterin und Journalistin ist unter anderem als freie Autorin tätig, einer ihrer Schwerpunkte ist dabei der Bereich Energiewirtschaft und Nachhaltigkeit.
