Energiespeicher

Elektrisierende Elemente

Warum die vier Elemente der Natur – Feuer, Wasser, Erde und Luft – auch bei der Energiespeicherung der Zukunft eine wichtige Rolle spielen werden.

Text Tino Scholz

Schon im antiken Griechenland befassten sich Philosophen und Gelehrte mit den Vorläufern der Lehre von den vier Elementen, wie wir sie heute kennen: Feuer, Wasser, Luft und Erde. Die unvergänglichen Naturgewalten gehören nach der Lehre des Philosophen Empedokles zu den Grundbausteinen menschlichen Lebens, aus denen sich alles Sein zusammensetzt. Ohne sie wären wir nichts.

Und was seit Jahrtausenden unser Leben bestimmt, bleibt auch in Zukunft wichtig. Die nachhaltigen vier Elemente werden die Dekarbonisierung der Welt vorantreiben und zu großen Teilen dafür sorgen, dass wir Strom haben, Licht und Wärme. Da der Wind aber nicht immer weht und die Sonne nicht immer scheint, brauchen wir Speicher, um die Energie über einen längeren sowie kürzeren Zeitraum sichern zu können. An vielen Systemen wird momentan geforscht – mal mit mehr Erfolg, mal mit weniger. „Wir werden künftig mehrere Systeme benötigen, denn heutzutage gibt es keine Speichertechnologie, die der Herausforderung der Speicherung von regenerativen Energien allein begegnen kann“, sagt Myriam Gil Bardají, die am Karlsruher Institut für Technologie das Programm für Energiespeicher der European Energy Research Alliance managt. Wie vielversprechende Ansätze aussehen, zeigt die folgende Übersicht. Jede Entwicklung für sich ist einzigartig – und baut auf jeweils einem der vier Elemente auf.


Foto: Max Bögl Wind AG

Wasser – Schlaue Kombination

Geht es um die Speicherung der Energie von morgen, geht es auch immer um das neue Denken. Die Idee hinter der Wasserbatterie im baden-württembergischen Gaildorf ist daher ein innovativer Schritt nach vorn: Die von TÜV SÜD geprüfte Anlage kombiniert erneuerbare Energien aus Wind mit einem Pumpspeicherkraftwerk zu einem leistungsstarken Stromspeicher. Dabei funktioniert die Wasserbatterie als Kurzspeicher, der die überschüssige Energie aufnimmt, bereithält und wieder ins Netz einspeist, wenn diese gebraucht wird.  

Mit dem flexiblen Kurzzeitspeicher können bei Bedarf 70 Megawattstunden, das entspricht bis zu ca. vier Stunden Windradstrom, eingespeist werden und zur Netzstabilität beitragen. Während die Windenergieanlagen schon laufen, soll die Wasserbatterie im Sommer 2019 ans Netz gehen. Sie steckt in den Fundamenten der Windkraftanlage. Rohrleitungen verbinden diese Tanks mit einem Wasserkraftwerk und dem dazugehörigen Unterbecken, das 200 Meter tiefer im Tal liegt. „Die Entwicklung neuer Technologien ist essenziell, um die Herausforderungen der Zukunft zu meistern. Daher sind solche Pilotprogramme zur Netzintegration sehr wichtig und lobenswert“, sagt Expertin Gil. 

Und es soll nicht bei dem Pilotprojekt bleiben: Das modulare Konzept der Wasserbatterie lässt sich für alle erneuerbaren Energien als Speicherlösung einsetzen. So soll die vollständig standardisierte Wasserbatterie ein Speicherkraftwerk von der Stange werden. Schon jetzt gibt es weitere Interessenten in Deutschland, Österreich, den USA, Australien und Indonesien.


Foto: shutterstock/mmoktp 

Feuer – Der H₂offnungsträger

Wasserdampf oder Tröpfchen – mehr ist es nicht, was bei der Trennung von Wasserstoff als „Abfallprodukt“ entsteht. Kommt Wasserstoff mit Sauerstoff in Kontakt und wird die erforderliche Zündenergie zugeführt, verbrennt beides zu Wasser. Sauberer geht es kaum. Kein Wunder also, dass der Elektrolyse eine zentrale Rolle bei der langfristigen Stromspeicherung der Zukunft spielt.  

Bei der Elektrolyse wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Dafür wird Strom aus erneuerbaren Energien verwendet. Bei Windstille oder bewölktem Himmel kann das Gas aus den Kavernen wieder entnommen und etwa in einer Gas-und-Dampfturbinen-Anlage verbrannt werden, die einen elektrischen Generator zur Stromerzeugung antreibt. 

„Wasserstoff ist vielseitig, er kann in elektrische Energie für stationäre Anwendungen wie Strom- und Wärmeerzeugung oder Turbinen, aber auch in mobile Anwendungen, wie etwa beim Transport notwendig, umgewandelt werden“, sagt Expertin Gil. Ein Problem aber besteht darin, dass große Mengen Energie bislang noch mit relativ geringem Wirkungsgrad verbraucht werden.

Dass Wasserstoff einen hohen Wirkungsgrad erreichen kann, soll die weltweit größte Wasserstoffanlage beweisen, die momentan im österreichischen Linz entsteht. Die Pilotanlage soll einen Wirkungsgrad von 80 Prozent erreichen. Das erklärte Ziel ist es herauszufinden, ob Wasserstoff im großen Stil langfristig Kohle und Koks ersetzen kann. Die Mitteldeutsche Netzgesellschaft Gas mbh wiederum hat mit dem Bau einer Wasserstoff-Testinfrastruktur im Chemiepark Bitterfeld-Wolfen begonnen. Diese Infrastruktur ist Teil des Projektes HYPOS (Hydrogen Power Storage & Solutions) East Germany. Die über 100 Teilnehmer streben den Aufbau einer Modellregion für Wasserstoff in Ostdeutschland an. Das Gesamtprojekt ist auf eine Dauer von rund zwei Jahren angelegt. TÜV SÜD begleitet das Projekt durchgehend.


Foto: ALACAES 

Erde – Aus der Tiefe des Massivs

Der Gotthard-Eisenbahntunnel ist eine Meisterleistung. Auf einer Länge von knapp 60 Kilometern durchbricht er die zentralen Schweizer Alpen und verkürzt Reisezeiten drastisch. Doch damit nicht genug: Ein drei Kilometer langer Stollen nahe dem Ort Bianca, während des Tunnelbaus als Förderband zum Abtransport von Ausbruch genutzt, wurde von 2015 bis 2017 zur Versuchsanlage für einen modernen Druckluftspeicher umfunktioniert.  

Das Prinzip von Druckluftspeichern ist einfach erklärt: Mit überschüssigem Solar- und Windstrom werden Kompressoren angetrieben, die Außenluft verdichten. Die komprimierte Luft wird in einem Speichergefäß, Kaverne genannt, gespeichert, um bei Bedarf auf eine Turbine zu strömen, die einen Stromgenerator antreibt. Einatmen, Luft anhalten, ausatmen – es ist, als würde ein Druckluftspeicher mit jedem Atemzug Energie tanken und wieder ausstoßen.  

Bislang aber sind Druckluftspeicher rar gesät – denn sie haben einen Nachteil: „Sie sind wenig effizient und benötigen hohe geologische Anforderungen“, sagt Gil. Der energetische Gesamtaufwand ist sehr hoch, der Wirkungsgrad beträgt nur 40 Prozent. Pumpspeicherwerke, heutzutage am meisten genutzte Speichersysteme, erreichen etwa 80 Prozent.

Im Gegensatz zu anderen Durckluftspeichern hat das Gotthardprojekt aber einen relativ hohen Wirkungsgrad. Das liegt insbesondere an der Wärmerückgewinnung. Die Luft wird in zwei Stufen komprimiert und dabei bis zu 550 Grad heiß. Diese Wärmeenergie wird nicht mehr zu großen Teilen ungenutzt abgelassen, sondern in einem zusätzlichen Speicher aufgefangen und bei der Umwandlung von Druckluft in elektrische Energie wiederverwendet. Das führt zu einem Wirkungsgrad von bis zu 75 Prozent.

Ende dieses Jahrzehnts, so die vage Planung, soll auf das Pilotprojekt eine kommerzielle Anlage folgen. Bis dahin sind noch viele Fragen zu klären. Die Technologie, insbesondere die thermische Speicherung, sei noch nicht ausgereift, mahnen Experten. Ein Bergland wie die Schweiz mit vielen luftdichten Stollen könnte insofern eine wichtige Rolle bei den Druckluftspeichern der Zukunft spielen.


Foto: Frauenhofer ICT 

Luft – Die neuen Riesen

Redox-Flow-Batterien gelten in der Forschung als vielversprechende Lösungen für großflächige Stromspeicherung. Das Besondere: Während herkömmliche Batterien, ob in Autos oder Smartphones, abgeschlossene Einheiten mit festgelegter Speicherkapazität sind, hängt bei der Redox-Flow-Batterie die Kapazität allein von der Flüssigkeitsmenge ab. Ob ein Liter oder 100.000 Liter, je größer die Tanks sind, umso mehr Energie kann die Batterie aufnehmen. Daher ist sie zum Beispiel interessant für Industrielösungen.  

Bei der Redox-Flow-Batterie (Red für Reduktion = Elektronenaufnahme, Ox für Oxidation = Elektronenabgabe) werden flüssige Elektrolyte eingesetzt, die in zwei voneinander unabhängigen Kreisläufen fließen. Elektrolyte sind Lösungen, die bewegliche Ionen enthalten, also elektrischen Strom leiten können. Beim Laden nehmen die Ionen in einer Flüssigkeit Elektronen auf, in der anderen werden Elektronen abgegeben. Wenn die Batterie dann Strom liefern soll, läuft die Reaktion in umgekehrter Richtung.  

Ein Beispielprojekt in Pfintztal bei Karlsruhe zeigt das Potenzial der Technologie: Ein 2-Megawatt-Windrad liefert die Energie für das Gelände des Fraunhofer-Instituts. Gibt es zu wenig Wind, sorgt die riesige Batterie, die in einer extra gebauten Halle untergebracht ist, für die Stromversorgung aller angeschlossenen Gebäude – so viel, wie eine Kleinstadt von 4.000 Einwohnern verbrauchen würde.

Ihre Skalierbarkeit macht die Redox-Flow-Batterie auch für einen Einsatz in entlegenen Gebieten, die nicht an ein zuverlässiges Elektrizitätsnetzwerk angeschlossen sind, attraktiv. In Pfinztal wird erforscht, ob es möglich ist, Dörfer, Kleinstädte oder auch Unternehmen mithilfe der Redox-Flow-Batterie zuverlässig mit Strom zu versorgen. „Dafür spricht, dass das System vor allem als Mittelfrist- und Langfristspeicher nutzbar ist“, sagt Expertin Gil. „Zwar gibt es noch einen hohen Entwicklungsbedarf, dennoch haben die Batterien schon heute einen hohen Wirkungsgrad von mehr als 75 Prozent des Gesamtsystems.“