Ein häufig zu hörender Kritikpunkt an Erneuerbaren Energien ist ihr schwankendes Angebot bzw. mangelnde Versorgungssicherheit. Das Schreckgespenst „Dunkelflaute“ macht allenthalben die Runde und lässt den überflüssigen Fels in der Brandung der Unsicherheit – die Atomenergie – umso heller strahlen!
Es ist nun mal so: Anders als Kohle, Erdöl, Gas oder Uran haben Sonnenenergie und Wind keinen eingebauten Speicher. Nur die Wasserkraft kann mit ihren fossilen bzw. nuklearen Geschwistern mithalten, wobei hier die Gravitationskraft der Erde als Unterstützung quasi frei Haus mitgeliefert wird.
Es braucht also zusätzliche Speicher für Wind- und Sonnenenergie, um das schwankende Angebot auszugleichen.
Wer zu Hause bereits eine Photovoltaikanlage installiert hat, der kennt dieses Thema sehr gut, wie auch die naheliegendste Lösung: große Akkus, die überschüssigen Strom vom Tagesertrag für die Nacht speichern. Sie sind allerdings immer noch verhältnismäßig teuer und ihre Kapazität begrenzt. Außerdem hört man ja immer wieder von den teuren Rohstoffen, die unter entsetzlichen Arbeitsbedingungen im Kongo abgebaut werden sollen (was übrigens niemanden daran hindert, Laptops, Handys, Akkuschrauber oder E-Bikes zu kaufen…).
Es gibt mit Redox-Flow-Batterien hierbei übrigens auch Lösungen, die ohne teure Rohstoffe auskommen und nicht aus China stammen…
Der optimale Energiespeicher ist allerdings Wasserstoff, der per Elektrolyse erzeugt und bei Bedarf in einer Brennstoffzelle wieder in Energie umgewandelt wird.
Und das funktioniert so: Eine unter Strom gesetzte Zelle mit einer speziellen Membran spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Mit einem Energieaufwand von ca. 50 KWh kann so ein Kilo Wasserstoff erzeugt werden. Dabei ist es wichtig, die dabei entstehende Abwärme (pro kg Wasserstoff immerhin ca. 17 KWh) zu speichern, um sie für Heizung, Warmwasser etc. nutzen zu können. Der so entstandene Wasserstoff muss in speziellen Hochdruckbehältern mit mindestens 300 Bar gelagert werden.
Wird Energie benötigt, so reagiert der gespeicherte Wasserstoff in einer so genannten Brennstoffzelle zusammen mit Sauerstoff wieder zu Wasser, wobei pro kg Wasserstoff ca. 15 KWh an Wärmeenergie frei wird und 18 KWh Strom erzeugt werden.
Betrachtet man nur alleine den elektrischen Wirkungsgrad, so fällt das Ergebnis eher mager aus: Aus 50 KWh Strom, der z.B. von der hauseigenen Photovoltaikanlage erzeugt wird, kommen am Ende gerade einmal 18 KWh Strom aus der Brennstoffzelle (Umwandlungsverluste nicht mit eingerechnet).
Wird die Abwärme allerdings aufgefangen und ebenfalls gespeichert oder gleich verwendet, so sieht die Rechnung schon ganz anders aus: Bei einem geschätzten Gesamtwirkungsgrad von 90% (auch beim Wärmetauscher und bei der Wärmespeicherung gibt es leichte Verluste), ergeben die ursprünglichen 50 KWh Strom aus der PV-Anlage am Ende ca. 27 KWh Wärme und 18 KWh Strom.
Die deutsche Firma Homepower Solutions hat nach diesem Prinzip eine nachhaltige Lösung für Eigenheime entwickelt, die völlige Unabhängigkeit vom Stromnetz und anderen Energieanbietern verspricht. Das funktioniert nur mit dem Einsatz von Photovoltaik als einzigem Energieversorger, Windkraft oder einen Netzanschluss braucht es nicht.
Der so gewonnene Strom wird zuerst in einem Akku von ca. zwei Dutzend KWh gespeichert. Im Sommer, wenn die Photovoltaik große Überschüsse produziert, wird per Elektrolyse Wasserstoff erzeugt und dieser in dickwandigen Stahlflaschen gespeichert. Die Abwärme wandert in einen großen Boiler für Warmwasser und Heizung (je nach Bedarf). Die nutzbare Speichergröße beträgt hierbei mindestens 300 KWh Strom!
Sobald im Herbst der Ertrag der Photovoltaik sinkt und der Haushaltsbedarf damit nicht mehr gedeckt werden kann, schaltet sich die Brennstoffzelle ein, die vom Wasserstoff, der im Sommer erzeugt wurde, gespeist wird. Der Strom wandert erneut in den Akku (und von dort in den Haushalt), die Abwärme wieder in den Boiler und unterstützt damit die hauseigene Heizung.
Der große Vorteil ist, dass dieses System recht flexibel hochskaliert werden kann. Bei einem höheren Speicherbedarf werden einfach mehr Hochdruckstahlflaschen installiert.
Dieses Prinzip lässt sich ohne Weiteres auf größere Betriebe, Bauernhöfe, Wohnblocks, ja ganze Dörfer und Stadtviertel übertragen. Wichtig ist nur ein gut ausgebautes Fernwärmenetz, um den gesamten Energieumsatz dieser Energiewandlung nutzen zu können. Eine so aufgebaute Wasserstoffwirtschaft ist dezentraler und damit weniger anfällig als das heutige Netz aus Stromleitungen, Gaspipelines, Tankern etc.
Für eine längere Speicherung als die einfache saisonale, sowie für den Transport, empfiehlt sich übrigens als weiterer Zwischenschritt, den per Elektrolyse erzeugten Wasserstoff mit einem nachgeschalteten Reformer weiter zu Methanol zu verarbeiten, welcher – über einen weiteren Reformer – bei Bedarf auch wieder in Wasserstoff zurückverwandelt werden kann. Wichtig ist auch hier, die dabei entstehende Abwärme mitzunutzen.
Der geringere Gesamtwirkungsgrad ist durch die viel leichtere Handhabbarkeit von Methanol gerechtfertigt. Während es für Wasserstoff Hochdruckbehälter und starke Kompressoren braucht, reicht bei Methanol ein einfacher Benzinkanister…
Für Hochtemperaturanwendungen in der Industrie stößt dieses Verfahren allerdings an seine Grenzen. Hier wird nach wie vor viel Strom benötigt, allerdings auch reiner Wasserstoff (in der Stahlherstellung etwa, oder für die Herstellung von Kunststoffen) und/oder anderes Gas (z.B. Methan), das wiederum aus Wasserstoff gewonnen werden kann.
Festzuhalten bleibt:
- Die Versorgung mit 100% Erneuerbaren Energien ist in Österreich kein Problem – ausreichender politischer und gesellschaftlicher Wille vorausgesetzt. Die physikalischen Voraussetzungen sind auf jeden Fall gegeben und die natürlichen Ressourcen vorhanden.
- Noch VOR der Windkraft und der Wasserkraft ist die Photovoltaik die wichtigste Grundlage der Energiewende. Ihr Einsatz ist sowohl ökologisch, gesellschaftlich, als auch ökonomisch am schonendsten. Außerdem hat sie sowohl den geringsten Flächenbedarf und den kleinsten Flächenverbrauch. Siehe Artikel zum Flächenbedarf von Windkraft und Photovoltaik [bitte verlinken!]
- Die richtige Speichertechnologie muss zwingend die Erneuerbaren Energien ergänzen, ansonsten ist die Versorgungssicherheit nicht gegeben. Optimal ist eine Kombination aus Akkutechnologie und Wasserstoff (Elektrolyse+Brennstoffzelle mit Kraft-Wärme-Koppelung). Sie kann mit Pumpspeichern, Redox-Flow-Batterien, Schwungradspeichern, Lageenergiespeichern etc. ergänzt werden. Wasserstoff sollte allerdings das Rückgrat der Speicherstrategie bilden.
Quellen:
- Akkumulator – Wikipedia
- Elektrolyseur – Wikipedia
- Brennstoffzelle – Wikipedia
- Elektrolyse, Wasserstoff, Elektrolyseur, Anode, Kathode, Energieeffizienz, Co-Elektrolyse (energie-lexikon.info)
- Brennstoffzelle, Wasserstoff, Methan, Methanol, Brennstoffe, Niedertemperatur, Hochtemperatur, Anwendungen, Elektroauto (energie-lexikon.info)
- Wasserstoff Energie immer und überall zur Verfügung dank Stromspeicher (homepowersolutions.de)
- Methanolwirtschaft – Wikipedia