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Strom chemisch gespeichert

Energiespeicherung Strom chemisch gespeichert

Energie wirtschaftlich zu speichern ist eine der großen Herausforderungen an die Wissenschaft. Nur durch neuartige Konzepte können die Ziele der Energiewende erreicht werden.

Ausschnitt eines Systems zur Langzeitenergiespeicherung mit Hilfe einer reversiblen Brennstoffzelle.

Langzeitenergiespeicherung

Foto: Fraunhofer ISE

Elektrolyse? Da war doch irgendwas im Chemieunterricht: Strom war an ein Wasserbecken angelegt und dann stiegen Bläschen auf. Tatsächlich ist die Elektrolyse ein Prozess, der durch elektrischen Strom Wasser in seine gasförmigen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Mischt man beide Gase, explodiert das Gemisch durch einen Funken: die so genannte Knallgasreaktion. Lässt man diese Reaktion von Wasserstoff und der Luft aus der Umgebung in einer so genannten Brennstoffzelle kontrolliert ablaufen, so entsteht wieder elektrischer Strom und Wasserdampf.

Energieträger Wasserstoff

Wasserstoff ist also ein Energieträger, der sich gut aus überschüssigem Strom herstellen lässt. Derartigen unverkäuflichen Überschuss produzieren Wind- und Sonnenkraftwerke bei viel Wind oder Sonne. Der Physiker Eicke Weber hält es für sinnvoller, diesen "kostenlosen" Strom zur Wasserstoffherstellung zu nutzen als die Windräder anzuhalten.

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Wasserstoff lässt sich langfristig verlustfrei lagern, etwa in Salzkavernen, die nach dem Salzabbau tief in der Erde in großer Zahl zur Verfügung stehen. Solche Kavernen werden heute oft als Erdgasspeicher genutzt. Diese unterirdischen Gasspeicher stellen keine Gefahr dar, da sie weit genug von Häusern entfernt liegen. Käme es zu einem Leck, bestünde höchstens die Gefahr eines eng auf das Leck begrenzten Feuers.

Erzeugung, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff

Erzeugung, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff

Foto: Siemens

Wertvolles Gas

So ist es möglich, Energie in Form von Wasserstoff auch über sehr lange Zeiträume zu speichern - etwa für einen kalten Winter zur Stromerzeugung. Aus dem Wasserstoff und dem Stickstoff in der uns umgebenden Luft lässt sich auch Methan herstellen, also Erdgas. Daraus lässt sich in herkömmlichen Gaskraftwerken wieder Strom herstellen. Das Verfahren ist derzeit allerdings nicht sehr wirtschaftlich. Nur etwa 40 Prozent der elektrischen Energie, die bei der Elektrolyse eingesetzt wird, kann als Strom zurück gewonnen werden.

Zellstapel des Druckelektrolyseurs

Zellstapel des Druckelektrolyseurs

Foto: Fraunhofer ISE

Das Methan kann natürlich wie fossiles Erdgas ins Gasnetz eingespeist werden. Allerdings ist die Umwandlung dafür eigentlich gar nicht notwendig, da bis zu fünf Prozent Wasserstoff im Erdgas ohnehin enthalten sein dürfen. Eine derartige Menge wird sicher auch langfristig nicht aus überschüssigem Strom entstehen.

Aber eigentlich ist Wasserstoff viel zu wertvoll, um ihn zu verbrennen oder mit großem Verlust wieder in Strom zu verwandeln. Er wird in zahlreichen chemischen Prozessen in der Industrie benötigt, aber auch im Gesundheitswesen.

Mit Wasserstoff fahren

Am spannendsten natürlich: Wasserstoff als Treibstoff für Elektrofahrzeuge. Die Idee, Wasserstoff in einem Verbrennungsmotor zu nutzen, hat sich als schwierig herausgestellt. Deshalb arbeiten Industrie und Forschung an Elektroautos mit Brennstoffzellen, die aus Wasserstoff Strom herstellen.

Professor Weber sieht hier die "Henne-Ei-Problematik". Solange es keine Wasserstofftankstellen gibt, finden Wassertoffautos keine Abnehmer. Mit dem Bau solcher Tankstellen warten Unternehmen allerdings, da es ja noch keine Flotte von Wasserstofffahrzeugen gibt. Baden-Württemberg spielt jetzt den Vorreiter: Schon bald soll es hier ein Netz von Tankstellen geben.

Besonders spannend: Der Wasserstoff müsste nicht einmal zur Tankstelle transportiert werden, wenn diese ihn selbst über eine eigene Solaranlage produziert. Derartige Überlegungen sollen im Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme bald Realität werden.

Zukunft Redox-Flow

Wasserstoff ist also ein chemischer Speicher für Energie, ähnlich wie ein Batterietyp, der heute als besonders aussichtsreiche Entwicklung gilt: die Flussbatterie oder Redox-Flow-Zelle. Zwei Flüssigkeiten - zumeist Salzlösungen – werden durch elektrischen Strom elektrisch aufgeladen. Eine der Lösungen nimmt positive Ladungen auf, die andere negative. Die Lösungen können unabhängig in Tanks gelagert und transportiert werden, wobei die Ladung langfristig weitgehend erhalten bleibt. Kommen die Stoffe dann wieder in der Zelle zusammen, so entsteht elektrischer Strom.

Redox-Flow-Batterien könnten bei der Energiespeicherung die wichtige Lücke zwischen kleinen Festbatterien und Wasserstoff schließen. Allerdings sind hier noch Forschungen notwendig, wie sie etwa das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal durchführt. Vor allem geht es darum, die Speicherfähigkeit der Elektrolyte zu verbessern.

Zukunft Speichermix

Die Beispiele unserer Serie über Energiespeicherung zeigen ganz unterschiedliche Möglichkeiten, Energie zu speichern. Keine davon ist ohne Probleme, keine davon als alleinige Methode geeignet.

Wenn es darum geht, kurzfristige Engpässe von wenigen Sekunden bis zu mehreren Minuten auszugleichen, so kann dies durch riesige Kondensatoren oder Schwungräder geschehen. Bei einem Ersatzbedarf von bis zu einem Tag sind Batterien die beste Lösung, zentral oder dezentral im eigenen Haushalt installiert.

Soll eine Reserve geschaffen werden, um längere Windflauten oder trübes Wetter zu überbrücken, brauchen wir Pumpspeicherkraftwerke, Wasserkraftwerke an Stauseen, Druckluftspeicher, Redox-Flow-Batterien und – wenn alles nicht reicht – Wasserstoff zur Stromerzeugung.

Dieser Mix zusammen mit ausgebauten, intelligenten Stromnetzen ermöglicht die Energiewende hin zu erneuerbaren Energien. Die Optimierung dieser neuartigen Technologie ist eine Herausforderung für Forschung, Politik und Wirtschaft.

Fahren mit Wasserstoff