Strom ohne Verfallsdatum

Erneuerbare Energien sind die Zukunft der Stromerzeugung. Doch die grosse Herausforderung liegt in der Speicherung. Um den Strom, der im Sommer erzeugt wird, auch im Winter nutzen zu können, benötigen wir saisonale Speicher. Welche Technologien gibt es bereits, und auf welche können wir hoffen?

Irene Wrabel
28. Oktober 2021
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Visualisierungen: Franziska Neugebauer

Kochen Sie gern auf Vorrat? Dann bewahrenSie die fertigen Speisen bestimmt im Kühlschrank oder im Tiefgefrierer auf. So haben Sie immer ein Menü parat, auch wenn Sie keine Zeit zum Kochen haben. Dieselbe Herausforderung kennen Stromerzeuger beim Strom aus erneuerbarer Energie, also aus Solar-, Wasser- und Windkraft. Die Erzeugung erfolgt dann, wenn etwa die Sonne scheint. Damit wir diesen Strom nutzen können, wenn es dunkel oder bewölkt ist, muss er gespeichert werden. Doch die Aufbewahrung des Stroms ist wesentlich komplizierter, als einfach das Züri Gschnätzlete einzufrieren. Speichermöglichkeiten wie Batterien überbrücken nur kurze Zeiträume und haben viel zu wenig Speicherkapazität, um Industrie und Haushalte über den Winter zu versorgen. An Methoden zur Langzeitspeicherung herrscht 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 meist noch in den Kinderschuhen.

Hier stellen wir nur einige der vielen Forschungsansätze im Bereich Langzeitspeicherung vor. Dr. Peter Jansohn, Leiter der Plattform Energie-System-Integration ESI am Paul Scherrer Institut (PSI), hat als Experte eine Bewertung des jeweiligen Technologieansatzes vorgenommen. Und auch wenn manche der vorgestellten Ansätze eher extravagant tönen: Sie machen Mut und haben Potenzial in bestimmten Anwendungsfällen. Klar ist aber auch, dass tragfähige Lösungen noch sehr viel Zeit für die Entwicklung benötigen werden…

 

Kochen Sie gern auf Vorrat? Dann bewahrenSie die fertigen Speisen bestimmt im Kühlschrank oder im Tiefgefrierer auf. So haben Sie immer ein Menü parat, auch wenn Sie keine Zeit zum Kochen haben. Dieselbe Herausforderung kennen Stromerzeuger beim Strom aus erneuerbarer Energie, also aus Solar-, Wasser- und Windkraft. Die Erzeugung erfolgt dann, wenn etwa die Sonne scheint. Damit wir diesen Strom nutzen können, wenn es dunkel oder bewölkt ist, muss er gespeichert werden. Doch die Aufbewahrung des Stroms ist wesentlich komplizierter, als einfach das Züri Gschnätzlete einzufrieren. Speichermöglichkeiten wie Batterien überbrücken nur kurze Zeiträume und haben viel zu wenig Speicherkapazität, um Industrie und Haushalte über den Winter zu versorgen. An Methoden zur Langzeitspeicherung herrscht 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 meist noch in den Kinderschuhen.

Hier stellen wir nur einige der vielen Forschungsansätze im Bereich Langzeitspeicherung vor. Dr. Peter Jansohn, Leiter der Plattform Energie-System-Integration ESI am Paul Scherrer Institut (PSI), hat als Experte eine Bewertung des jeweiligen Technologieansatzes vorgenommen. Und auch wenn manche der vorgestellten Ansätze eher extravagant tönen: Sie machen Mut und haben Potenzial in bestimmten Anwendungsfällen. Klar ist aber auch, dass tragfähige Lösungen noch sehr viel Zeit für die Entwicklung benötigen werden…

 

Der Experte

Dr. Peter Jansohn

Dr. Peter Jansohn forscht am Paul Scherrer Institut im Bereich Forschung und Umwelt.
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 sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL angehören,
und wird hauptsächlich von der Schweizerischen Eidgenossenschaft finanziert.

Dr. Peter Jansohn forscht am Paul Scherrer Institut im Bereich Forschung und Umwelt.
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 sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL angehören,
und wird hauptsächlich von der Schweizerischen Eidgenossenschaft finanziert.

 

 

 

 

Power-to-X

Power-to-X bezeichnet verschiedene Technologien zur Speicherung bzw. anderweitigen Nutzung von Stromüberschüssen in Form von chemischen Energieträgern. Erzeugt werden dabei etwa Methan, Methanol oder Ammoniak. Die Speicherung von überschüssigem Strom durch Wasserstoff ist aktuell aber die populärste Methode. Ihre Erforschung ist relativ weit fortgeschritten. Das Prinzip ist
einfach: Überschüssiger Strom aus erneuerbaren Quellen wird dazu verwendet, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Im Winterhalbjahr wird der Wasserstoff in einer Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie umgewandelt. Durch Kompression können grosse Mengen an Wasserstoff gespeichert werden.

Expertenbewertung

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.

 

Power-to-X bezeichnet verschiedene Technologien zur Speicherung bzw. anderweitigen Nutzung von Stromüberschüssen in Form von chemischen Energieträgern. Erzeugt werden dabei etwa Methan, Methanol oder Ammoniak. Die Speicherung von überschüssigem Strom durch Wasserstoff ist aktuell aber die populärste Methode. Ihre Erforschung ist relativ weit fortgeschritten. Das Prinzip ist
einfach: Überschüssiger Strom aus erneuerbaren Quellen wird dazu verwendet, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Im Winterhalbjahr wird der Wasserstoff in einer Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie umgewandelt. Durch Kompression können grosse Mengen an Wasserstoff gespeichert werden.

Expertenbewertung

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.

 

Lageenergie: Alles Gute kommt von oben

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 Ablassen des Blocks wird wieder Strom erzeugt. Ein solches Hubspeicherkraftwerk kann einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent erreichen. Noch in diesem Jahr sollen die ersten Anlagen in Betrieb genommen werden.

Expertenbewertung

Speicherung von elektrischer Energie in potenzieller (Lage-)Energie ist eine einfache, sehr effektive Methode der Energiespeicherung. Allerdings müssen grosse Massen bewegt werden, und die logistische Herausforderung, immer ausreichend Masse(körper) auf beiden Energieniveaus vorzuhalten, ist gross. Um ausreichend grosse elektrische Leistungen abrufen zu können (sowohl für die Ein- als auch die Ausspeicherung von Energie) müssen gleichzeitig (!) viele Massekörper sehr schnell bewegt werden können.

 

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 Ablassen des Blocks wird wieder Strom erzeugt. Ein solches Hubspeicherkraftwerk kann einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent erreichen. Noch in diesem Jahr sollen die ersten Anlagen in Betrieb genommen werden.

Expertenbewertung

Speicherung von elektrischer Energie in potenzieller (Lage-)Energie ist eine einfache, sehr effektive Methode der Energiespeicherung. Allerdings müssen grosse Massen bewegt werden, und die logistische Herausforderung, immer ausreichend Masse(körper) auf beiden Energieniveaus vorzuhalten, ist gross. Um ausreichend grosse elektrische Leistungen abrufen zu können (sowohl für die Ein- als auch die Ausspeicherung von Energie) müssen gleichzeitig (!) viele Massekörper sehr schnell bewegt werden können.

 

Akkus aus heissem Stein

Im Juni 2019 wurde in Hamburg 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. Die gespeicherte Energie kann über eine Dampfturbine bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt werden. 130 Megawattstunden thermische Energie sind so rund eine Woche speicherbar. 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 Kapazität und Leistung soll noch nennenswert gesteigert werden.


Expertenbewertung

Thermische Speicher kämpfen immer 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. Nur (extrem) billigen Speichermaterialien wird deshalb eine ökonomische Chance eingeräumt.

 

Im Juni 2019 wurde in Hamburg 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. Die gespeicherte Energie kann über eine Dampfturbine bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt werden. 130 Megawattstunden thermische Energie sind so rund eine Woche speicherbar. 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 Kapazität und Leistung soll noch nennenswert gesteigert werden.


Expertenbewertung

Thermische Speicher kämpfen immer 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. Nur (extrem) billigen Speichermaterialien wird deshalb eine ökonomische Chance eingeräumt.

 

Strom aus Aluminium gewinnen

Ein Forscherteam der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR) arbeitet an einem Konzept für einen chemischen Energiespeicherzyklus auf der Basis von Aluminium. Damit soll im Sommer produzierter Solarstrom in Form von Aluminium gespeichert werden, um im Winter daraus sowohl Wärme als auch wieder Strom zu erzeugen. Dabei wandelt eine Erzeugereinheit die in Aluminium gespeicherte Energie in Wärme und Strom um. Der dabei entstehende Wasserstoff wird in einer Brennstoffzelle rückverstromt. Übrig bleibt Aluminiumhydroxid, das in einem aufwendigen Prozess wieder zu Aluminium umgewandelt werden kann. Ein Einfamilienhaus benötigt einen Behälter mit rund 500 Kilogramm Aluminium, um über den Winter zu kommen.

Expertenbewertung

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 von hochreaktiven Metallen (in Pulverform) sind im Wohngebäudebereich nur mit hohem Aufwand zu erfüllen und erschweren sicherlich die verbreitete Akzeptanz solcher Technologien.

 

Ein Forscherteam der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR) arbeitet an einem Konzept für einen chemischen Energiespeicherzyklus auf der Basis von Aluminium. Damit soll im Sommer produzierter Solarstrom in Form von Aluminium gespeichert werden, um im Winter daraus sowohl Wärme als auch wieder Strom zu erzeugen. Dabei wandelt eine Erzeugereinheit die in Aluminium gespeicherte Energie in Wärme und Strom um. Der dabei entstehende Wasserstoff wird in einer Brennstoffzelle rückverstromt. Übrig bleibt Aluminiumhydroxid, das in einem aufwendigen Prozess wieder zu Aluminium umgewandelt werden kann. Ein Einfamilienhaus benötigt einen Behälter mit rund 500 Kilogramm Aluminium, um über den Winter zu kommen.

Expertenbewertung

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 von hochreaktiven Metallen (in Pulverform) sind im Wohngebäudebereich nur mit hohem Aufwand zu erfüllen und erschweren sicherlich die verbreitete Akzeptanz solcher Technologien.

 

Tanz der Moleküle

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 des Stroms erfolgt über die Filterung durch einen speziellen Katalysator. Bis zu einer möglichen kommerziellen Nutzung wird jedoch laut den Forschern noch etwa ein Jahrzehnt ins Land ziehen.

Expertenbewertung

Energiespeicherung auf molekularer Basis kann jeweils immer nur (sehr) kleine Energieeinheiten transferieren, muss also an Millionen von Molekülen gleichzeitig vollzogen werden. Bei chemischen Umwandlungsprozessen laufen auch immer unerwünschte Nebenreaktionen ab, die zu einem Abbau des organischen Trägermediums führen. Licht, Sauerstoff und Temperatur beschleunigen diese Prozesse und reduzieren die Langzeitstabilität.

 

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 des Stroms erfolgt über die Filterung durch einen speziellen Katalysator. Bis zu einer möglichen kommerziellen Nutzung wird jedoch laut den Forschern noch etwa ein Jahrzehnt ins Land ziehen.

Expertenbewertung

Energiespeicherung auf molekularer Basis kann jeweils immer nur (sehr) kleine Energieeinheiten transferieren, muss also an Millionen von Molekülen gleichzeitig vollzogen werden. Bei chemischen Umwandlungsprozessen laufen auch immer unerwünschte Nebenreaktionen ab, die zu einem Abbau des organischen Trägermediums führen. Licht, Sauerstoff und Temperatur beschleunigen diese Prozesse und reduzieren die Langzeitstabilität.

 

Carnot-Batterie

Das Institut für Technische Thermodynamik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht an der Entwicklung der sogenannten Carnot-Batterie. Dabei wird mittels einer elektrischen Wärmepumpe erneuerbarer Strom in Wärme umgewandelt. Diese Wärme wird in einem kostengünstigen Medium wie Wasser, Flüssigsalz, Steinen oder Flüssigmetallen 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 Grad Celsius umwandeln kann. Und auch die unterschiedlichen Speicherkonzepte, Betriebsweisen und Speichermaterialien wie etwa Salze, Gesteine oder Keramik sind noch in der Erforschungsphase.

Expertenbewertung

Wärmepumpenbasierte Energiespeicherkonzepte, die Wärme 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 noch grossteils technisches Neuland.

Das Institut für Technische Thermodynamik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht an der Entwicklung der sogenannten Carnot-Batterie. Dabei wird mittels einer elektrischen Wärmepumpe erneuerbarer Strom in Wärme umgewandelt. Diese Wärme wird in einem kostengünstigen Medium wie Wasser, Flüssigsalz, Steinen oder Flüssigmetallen 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 Grad Celsius umwandeln kann. Und auch die unterschiedlichen Speicherkonzepte, Betriebsweisen und Speichermaterialien wie etwa Salze, Gesteine oder Keramik sind noch in der Erforschungsphase.

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Wärmepumpenbasierte Energiespeicherkonzepte, die Wärme 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 noch grossteils technisches Neuland.

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