Energiespeicher-Tagung in Halle – „Wissen speichern“

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Haseloff: „Holen Sie uns an den Stellen zurück, wo wir falsche Pfade gehen!“

Sachsen-Anhalts Ministerpräsident Reiner Haseloff eröffnete am 06.02.2014 in Halle (Saale) vor 230 Teilnehmern die Energiespeicher-Tagung der Leopoldina/Nationale Akademie der Wissenschaften unter dem Titel „Fehlender Baustein der Energiewende?“ Zu Beginn konnte sich Haseloff einen Seitenhieb auf seinen Kollegen Seehofer nicht verkneifen, der eben den Netzausbau in Bayern verkompliziere, der allerdings auch auf Widerspruch des Brüsseler Energiekommissars Oettinger gestoßen sei. Haseloff stellte vor allem die Notwendigkeit der Speicherforschung heraus – immerhin benötige man einen Puffer von ca. einem Fünftel des Gesamtenergiebedarfs, um Schwankungen auszugleichen. Der promovierte Physiker äußerte drei Bitten an die Wissenschaftler: Sie möchten vor allem ihre systemischen Überlegungen weiter vorantreiben, aber auch die Leuchtturmprojekte wie etwa Hypos nicht vernachlässigen – schließlich aber ihre „wissenschaftliche Lauterkeit und Deutlichkeit nicht dem großen politischen Mainstream hintan stellen“. Wörtlich bat er: „Holen Sie uns an den Stellen zurück, wo wir falsche Pfade gehen!“

Auch Speicher von Wissen

Robert Schlögl, Direktor am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft Berlin, wissenschaftlier Koordinator der Tagung, dankte Haseloff – wenn alle das Problem so durchdächten, sei „ihm um die Energiewende nicht bange“. Energie stelle ab auf Teilhabe, die aber setze Information voraus – Vermittlung der Inhalte schaffe Verständnis. Daher kümmere sich die Nationale Akademie um diese Aufgabe. Deren Präsident Hacker hatte bei seiner Begrüßung darauf hingewiesen, dass die Leopoldina sich dessen vertieft angenommen habe. Schlögl weiter: Teilhabe setze voraus, „dass wir wissen, was wir wollen“. Dabei seien „Speicher nicht nur technisch zu verstehen – sondern auch als Speicher von Wissen. Wir haben die Verpflichtung, dieses Wissen für unsere Nachkommen zu generieren und aufzuheben.“ In einem etwas kühnen Vergleich nannte Schlögl abschließend „das Energie-System in etwa das Rentensystem der Wirtschaft unseres Landes, es ist sicher besser, heute Einzahlungen in dieses System zu machen.“

Wie viel Speicher braucht die Energiewende? – Eine systemische Betrachtung

Eberhard Umbach vom KIT Karlsruhe gab einen Überblick über die Speichertechniken und die Funktionen von Batterien, die Herausforderungen und den Forschungsbedarf dazu. Angesichts einer Jahres-Gesamtstrommenge von ca. 58 TWh (integrale Energie) diagnostizierte Umbach einen Leistungsbedarf von 35 bis 85 GW. Der tatsächliche Beitrag der erneuerbaren Energien sei dabei deutlich niedriger als die installierte Leistung: Wind ca. 18 %, PVca. 11 %. Er nannte einen (künftigen) optimalen Mix von Wind zu PV von 75 : 25 als anstrebenswert – das sei eine politische Entscheidung, sagte er an den Physiker Haseloff gewandt.

Das Verhalten der Energiekonsumenten – die Achillesferse der Energiewende?

Ortwin Renn, Universität Stuttgart („Das Risikoparadox. Warum wir uns vor dem Falschen fürchten“), wies auf die nach wie vor breite Zustimmung in der Bevölkerung (78 %) zur Energiewende hin. Je mehr Energieeffizienz wir erreichten, desto leichter falle „die Energiewende, desto weniger Speicher brauchen wir“. Eigentliches Problem sei der Reboundeffekt: Um +37 %  sei die Effizienz aller Haushaltseräte im Durchschnitt gestiegen, aber auch der Verbrauch habe um 22 % zugenommen. „Wir haben bis heute kein wirkliches Rezept gegen den Rebound gefunden“. Zweites Stichwort Renns war die Akzeptanz von E-Anlagen unter drei Aspekten:

  1. Konsumtechnik (hier keine Akzeptanzverweigerung) und Speichertechnik (Speicher zuhause mit großer Zustimmung)
  2. Arbeitstechnik und Innovation (ebenfalls ohne Akzeptanzprobleme)
  3. externe Technik  (hängt ab von folgenden Fragen: habe ich Nutzen davon? Ist die Technik fähig, meinen Spielraum auszudehnen, bedeutet sie Souveränitätsaufgabe? Emotionale Identität möglich (durch Eigentumsrechte; Überzeugung statt Beteiligung, die aber nur dann, wenn sie echt und ernsthaft ist)?

Multi-Talent Energiespeicher: Nutzen für Netz und Markt

Britta Buchholz von der ABB AG Mannheim benannte die „Verteilnetze“ in „Einsammelnetze“ um. Planung sei problematisch geworden, seitdem sie von individuellen Entscheidungen der Konsumenten und Produzenten abhängig sei. „Die Planungsgrundsätze müssen weiter entwickelt werden, denn manche Betriebsmittel sind heute noch gar nicht standardmäßig Inhalt“. Beispiel Speicher – wo könnten die den Netzausbau entlasten (an der falschen Stelle belasteten sie die Netze und verzögern den Ausbau)? Buchholz verglich das Problem mit der Medizin: Spannungsband und Blutdruck, thermische Belastung mit Fieber und Spannung mit Pulsfrequenz. Oft sei gar kein Speicher notwendig, oder es gebe preiswertere Lösungen z.B. Spannungsregler, Leitungssysteme (wie im Verkehr). Speicher könnten als Last und als Erzeuger fungieren – im virtuellen Kraftwerk seien sie – verbunden mit Umrichterplattformen – von entscheidender Bedeutung. Zukunft hätten Speicherlösungen in der „Cloud“. Nicht vernachlässigt werden dürfe der Aspekt Exportnation Deutschland, denn nur standardisierte Komponenten mit Skaleneffekten im internationalen Einsatz seien sinnvoll.

Energiespeicher – Potenziale und Wirtschaftlichkeit

Friedrich Schulte, RWE, referierte über die wirtschaftlichen Aspekte von Stromspeichern. Pumpspeicher seien an ihrer Wirtschatflichkeitsgrenze angekommen, ihre Perspektive sei gering  – erst ab 2030 wachse sie erneut mit weiter steigenden volatilen eneuerbaren Energien. Zentralen Speichern sprach Schulte wenig Zukunftsaussichten zu. Druckluftspeicher seien eigentlich chancenlos, erst ab großen Mengen kämen sie ins Spiel, hier sei F+E nötig. Power-to-Gas leide an schlechten Umsetzungsgraden und sei ökonomisch kaum einsetzbar – sei aber der „Klassiker für Frü-F+E“. Die Speicherentwicklung sei eine „direkte Funktion der Entwicklung und des Marktanteils der Erneuerbaren“. Keine Technologie zu früh abschreiben! Dennoch sei der Ausbau die erste Wahl beim Niederspannungsnetz – er sei billiger als Batterien. Noch mehr im Mittelspannungsnetz. Fazit: „Auf absehbare Zeit sind Speicher im Verteilnetz nicht wirtschaftlich betreibbar“. Allerdings machen sinkende PV-Kosten Batteriespeicher interessant. Vier regulatorische Stellschrauben beeinflussen laut Schulte den Wert von Speichern: die Abregelung erneuerbarer Energien, der Einfluss möglicher Kapazitätsmärkte, Netzengpässe und die Netzentgelte.

Status der Entwicklung des adiabaten Druckluftspeichers ADELE 

Den sogenannten adiabaten Druckluftspeicher ADELE stellte Peter Moser, RWE, vor. Zehn technische Verfahrensvarianten seien verglichen und daraus drei ausgewählt worden. Man habe das technische Ziel erreicht. Wirtschaftlich hätten jedoch drei Strompreisreihen ergeben, dass die Renditen nicht ausreichten, um Kapitalkosten zu decken. Es sei kein Geld damit zu verdienen. Das gelte für alle nicht subventionierten Stromspeicher. Die Risiken für die Errichtung einer „first-of-its-kind“-Demonstrationsanlage seien angesichts des derzeitigen Strompreisniveaus denn auch zu hoch.

Batterietechnologien jenseits von Lithium und Blei

Christoph Doetsch vom Fraunhofer UMSICHT gab einen Überblick über die verschiedenen Formen elektrischer Batterien – von klassischen, wässrigen, trockenen Zink-Luft-, Lithium-Ionen-, bis hin zu Redox-Flow-Batterien, schließlich mit organischen Substanzen. Weiter: Hochtemperatur-(NaNiCl-)-, bzw. NaS-Batterien. Schließlich Radikal-Batterien – noch ganz im frühen Stadium der Grundlagenforschung. Fazit: Viele Anwendungen, wenige rechnen sich. Mittelfristig völlig neue Entwicklungen denkbar.  Und: hohes Innovationspotenzial. Keine Einzellösung für alles, jedoch max. 1-2 bestgeeignete Systeme pro Anwendung.

Materialforschung für zukünftige Speicher

Ferdi Schüth vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim präsentierte die Materialforschung für zukünftige Energiespeicher. Ausgehend von der klassischen Lithium-Ionen-Batterie, die nach wie vor an einem Gewichtsproblem leide, müsse an neuen Elektrodenmaterialen wie Graphit oder Silicium gearbeitet werden.  Er verglich die Zink-Luft-Batterie mit der Vorstellung verrosteten Eisens, an das eine Ladung angelegt werde, und das dann wieder glänzend werde. Künftige Batteriegenerationen könnten Lithium-Schwefel-Batterien sein, allerdings noch mit wenig Ladezyklen.

Oft werde die Wärme vergessen (50% des Energieverbrauchs) – Schüth teilte sie ein in sogenannte sensible und latente Wärme. Er zählte drei große Speichermedien für sensible Wärme auf: Wasser, Beton (Blöcke mit Röhren – hier gebe es noch Materialforschungsaspekte) und Salzschmelzen (CSP – z.B. Andasol – auch hier bestehe noch Forschungsbedarf). Inzwischen gibt es Container, die auf demPrinzip des Handwärmers beruhen und Abwärme transportabel machen. Latentwärmespeicher können zum Ausgleich von Temperaturschwankungen (etwa Tag/Nacht) dienen. Ein Beispiel: Das Magnesium-Wasserstoff-System, das gegenwärtig für die gemeinsame Versorgung von Schüths Kohlenstoff- und Schlögls chemischem Energiekonversions-Institut in Mülheim geprüft werde.

Schließlich kam Schüth auf die Energiespeicherung in Form von Wasserstoff zu sprechen – von der Elektrolyse zur Brennstoffzelle. Allerdings würde er das sogenannte Synthesegas „nicht zurückverstromen“, dabei werde zu viel  Energie verloren. Am Ende ging Schüth in die Geschichte: 1925 entwickeltem  Franz Fischer und Hans Tropsch vom damaligen Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr das Fischer-Tropsch-Verfahren zur Kohleverflüssigung: Synthesegas werde heterogenkatalytisch umgewandelt in ein breites Spektrum gasförmiger und flüssiger Kohlenwasserstoffe. Darin sieht Schüth eine mögliche Zukunft.

Chemische Energiekonversion

Robert Schlögl (Fritz-Haber-Institut und CEC Mülheim) denkt die Energiewende von ihrem Ziel her: Er simuliert gedanklich die Abwesenheit von fossilen Energien. 52 Thinks Tanks zum Thema Energie hat er identifiziert und fragte daher: „Was machen wir anders? Welche Handlungsoptionen haben wir?“ Ein Gesprächskreis neuer Art sei das Forschungsforum Energiewende, dort werde diskutiert, daraus eine kodifizierte Form der Ergebnisse entwickelt, dann Handlungsempfehlungen mit Bewertungen abgegeben. Im Herbst habe die Arbeit begonnen, sogenannte Ad-hoc-Gruppen liefern erste Resultata – Mitte Mai soll die erste Runde stattfinden. Parallel erarbeite das ESYS (Energiesysteme der Zukunft), kooordiniert von der acatech, Handlungsoptionen.

Wasser spalten, Stickstoffreduktion und CO2-Reduktion sind die drei Forschungsthemen, mit denen Schlögl die chemische Energiekonversion umriss. Die Sonne liefere volatile Energie, auch Biomasse (unser Essen – hat gleichen Umfang wie alle Elektritzität der Erde) – die zu verbrennen, habe eigentlich wenig Sinn. Unterschied zwischen freier, elektrischer, mechanischer Energie – bisher fehlte die chemische Energie. Zentrales chemisches Energieelement ist die Verbrennung, die bis heute nicht gut beherrscht sei. Der stoffliche Teil des Energiesystem ist die Verteilung: Nicht beherrscht sei heute der Rückweg vom elektrischen in den materiellen Teil.

Die Energiespeicherung zerfalle in zwei Teile: die thermo-mechanische und die chemische. Bei der chemischen Speicherung müssten heute noch zu viele Hürden (mit Energieverlust) überwunden werden – ihre Formen seien (noch) nicht effizient. Wir hätten heute allerdings bereits die Hälfte des von der Natur in Jahrmillionen gespeicherten Energievorrats verbraucht. Ein Problem der Primärelektrizität sei die Volatilität. Zentralreaktion sei die Wasserspaltung – Hauptschwierigkeit u.a. das Zusammenfügen zweier Sauerstoffatome zu einem Molekül.  Biomasse sei weltweit vorhanden und ohne Schädigung des Nahrungskreislaufs möglich. Noch kaum verstanden sei die biologische Wasserspaltung. Iridiumoxidhydrat könne dabei eine besondere Rolle als Katalysator spielen. Was aber machen wir mit dem gewonnenen Wasserstoff? Methanisierung? Besser sei die Idee „Power-to-chemicals“ – wir müssten weiter denken, denn  Ziel der Energiewende sei es, die fossilen Energieträger zu ersetzen.

Die Energieherausforderung sei eine systemische: funktionierende chemische Energiespeicherung im Großmaßstab sei möglich: Erneuerbare Energieträger könnten allerdings vorerst nicht in großem Umfang ohne zeitweilige Nutzung der fossilen eingesetzt werden. Dass auf lange Sicht große Speichermöglichkeiten fehlten, behindere den Zuwachs erneuerbarer Primärenergie weniger als regulatorische Auswüchse und die Schwierigkeit systemischer Lösungen. Das CEC sei noch nicht fertig – dennoch seien innerhalb der nächsten zehn Jahre erste Untersuchungsergebnisse denkbar.

Völlig andere Themen würden noch aufkommen, unerwartete Optionen der Zukunft : „Vor 80 Jahren wäre eine Solarzelle eine solche unerwartetete Option gewesen“. Die Chemie als Ganzes und die Katalyse würden eine wesentliche Rolle spielen – auch bei der Effizienz. Wir müssten aber zuerst begreifen, was wir eigentlich wollten – es bestehe keine Einigkeit darüber, was eigentlich die Energiewende ist, sie sei dazu dynamisch, sie sei länderspezifisch, unterschiedlich – „wir sind gut beraten, das im interdisziplinären Prozess zu erarbeiten“. Der Gründungsdirektor des CEC schloss mit der Aufgabenstellung, Speicher würden nicht jetzt aktuell gebraucht, aber wir dürften „nicht damit warten, bis wir sie wirklich bräuchten, dann würden wir auf die Nase fallen“.

„Power-to-gas: Energetik, Dynamik, Systemdesign, Akzeptanz“

An die Vorstellung, was machen wir, wenn wir keine fossilen Energieträger mehr hätten, schloss Kai Sundmacher vom MPI für Dynamik komplexer technischer Systeme aus Magdeburg an – sein Thema: „Power-to-gas: Energetik, Dynamik, Systemdesign, Akzeptanz“. Alle Wandlungsschritte seien mit Verlusten verbunden. Also müsse – Stichwort Netzausbau – möglichst viel Energie direkt zu den Verbrauchern geschickt werden. Waaserstoff besitze nur ein Drittel der Energiedichte von Erdgas – Batterien und Pumpspeicher viel weniger. Die höchste Energiedichte hätten flüssige Kraftstoffe.

Sundmacher verglich verschiedene Formen der Elektrolyse: Am besten zur Wasserstoffgewinnung geeignet wäre zwar die Hochtemperatur-Elektrolyse, die aber sei noch nicht genug ausgereift. Er erörterte alkalische und PEM(Polymer-Elektrolyt-Membranen)-Elektrolyse. Bei beiden herrsche noch F+E-Bedarf. Wie aber den erzeugten Wasserstoff speichern? Mehrstufig gekühlt verdichtet in Kavernen – wie bei der Erdgasspeicherung. Dann ins Erdgasnetz mischen (bis zu 5%), entweder rückverstromen (aber 25-30 % Wirkungsgrad, „nicht sonderlich gut“ – zudem sind so große Brennstoffzellen nicht verfügbar). Also das H2 besser für die Mobilität verwenden. Sinnvoller wäre es, über bestehende H2-Pipelines chemische Prozesse zu versorgen.

Ein Projekt verknüpfe wesentlich diese Punkte: Hypos (Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany e.V. beim Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM – entwickelt und installiert im Auftrag der Grundlastfähigkeit einer Energiestabilität auf Basis der erneuerbaren Energieversorgung die H2-Elektrolyse.) Durch Anwendung des so genannten Sabatier-Prozesse könen der Wirkungsgrad erheblich gesteigert werden – bei Wasserstoff auf 62,5 % Wirkungsgrad, ca. 53 % bei der Methanisierung. Dabei gebe es jetzt schon genügend grünes CO2 aus Biogas, das, gekoppelt mit grünem H2, zu grünem [[CH4]] werden könne. Sundmacher machte eine Hierarchie der Wasserstoffnutzung auf:

  1. Strom direkt nutzen
  2. Elektrolyse und Speicherung in H2-Kavernen
  3. Rückverstromung
  4. Wandlung von H2 plus CO2 zu Methan/Methanol

„Biologische Energiespeicherung“

Rudolf  Thauer, Gründungsdirektor des Max-Planck-Institutes für terrestrische Mikrobiologie in Marburg referierte abschließend über „biologische Energiespeicherung“: Er sprach von einem Nullsummenspiel (Aufnahme von CO2 in der Wachsumsphase und CO2-Abgabe beim Verrotten/Verbrennen, was er jedoch einschränkte, denn es müsse gedüngt und umgepflügt werden, zudem könne klimaschädliches Lachgas freigesetzt werden).

Seine Hauptfrage: Können wir die Biologie einsetzen, um Wasserstoff in Methan umzusetzen? In der Natur sei es völlig normal, dass Archaebakterien bei der tierischen Verdauung der Wiederkäuer, in sauerstoffarmen Gewässern und Böden aus Wasserstoff und Kohlendioxid  Methan produzierten. Pfanzliche Substanz werde durch die anaerobe Bakterien in Methan umgebaut. H2 könne dabei sowohl biologisch produziert als auch konsumiert werden. Durch mikrobielle Fermentation in anoxischen Umgebungen werden riesige Mengen an H2 hergestellt. Allerdings wird der größte Teil des erzeugten Wasserstoffs sofort von anderen anaeroben Mikroorganismen verbraucht, die es bespielsweise für die Reduktion von CO2 zu Methan oder Acetat benötigen, verbraucht.

Der gleiche Prozess wie in den Biogasanlagen. Von den anaeroben Bakterien sei allerdings überhaupt erst ein Prozent bekannt – Thauer ging auf den in Marburg isolierten Methanaerobacter marburgensis ein. Eine Anlage mit Methanaerobacter marburgensis und 4 g Katalysator kann aus einem Liter pro Tag 400 Liter Methan ergeben. Allerdings müsse der Prozess noch viel größer dimesnioniert werden, das werde gegenwärtig in Wien geprüft – vorher sei er noch zu energie-ineffizient. CO2 komme aus bestehenden Biogasanlagen. Thauer teilt nicht die Meinung, dass CO2 auch aus Kohlekraftwerken kommen sollte. Die Zugabe von Wasserstoff könne den Prozess verbessern.

->Quelle (und Fotos): Gerhard Hofmann/Agentur Zukunft