Effizienzverluste in der Wasserstoff-Prozesskette
Abb. 3 Typischer Aufbau eines Batterie-Großspeichers. Einzelne Batteriemodule werden zu größeren Einheiten verschaltet und in wetterfesten Containern angeordnet. Über eine Leistungselektronik sind sie an das äußere Netz angebunden. Eine zentrale Steuerung überwacht und regelt die Funktion (Quelle: Phoenix Contact).
Abb. 4 Die Erzeugung von Wasserstoff auf Basis erneuerbarer Energien ist eines der Standbeine für die Energiewende (Quelle: shutterstock/Audio und werbung, Phoenix Contact).
Zur Herstellung grünen Wasserstoffs wird Wasser-Elektrolyse eingesetzt. Dabei wird Wasser mit Hilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespaltet. Die beiden Gase können getrennt voneinander an den Elektroden des chemischen Reaktors extrahiert werden. Die weiter oben beschriebene Weiterverarbeitung des grünen Wasserstoffs in höherwertige Brennstoffe benötigt zusätzliche Energie. Diese lässt sich dem Endprodukt nur bedingt wieder entnehmen und nutzen. Je mehr Umwandlungsschritte auf dem Weg von Elektrolyse über Wasserstoff bis zum finalen Energieträger nötig sind, desto höher werden somit die dabei auftretenden Energieverluste, meist in Form von Abwärme. Sofern man diese nicht sinnvoll anderweitig nutzen kann, sinkt die Effizienz des Gesamtprozesses.
Welche Speicher eignen sich für die Sektorenkopplung?
Es liegt daher nahe, dass man die elektrische Energie aus Sonne, Wind und Wasser möglichst unmittelbar nutzen sollte. Jede Umwandlung bringt Effizienzverluste mit sich, die zwangsläufig zu einer Erhöhung der benötigten Erzeugungskapazität führen. Aus diesem Grund ist die weitestgehende Elektrifizierung aller Sektoren so entscheidend für das Gelingen der Energiewende und damit für die Begrenzung des Klimawandels.
Da die erneuerbaren Energien nicht ununterbrochen und nur bedingt steuerbar zur Verfügung stehen, ist die Speicherung der elektrischen Energie unumgänglich. Für Energiemengen bis in den Gigawattstundenbereich im Zeithorizont von Millisekunden bis zu mehreren Tagen eignen sich vorzugsweise Batteriespeicher. Sie können Energie schnell und flexibel aufnehmen und wieder an das Netz abgeben, sei es für die Bereitstellung von Regelleistung oder zum Ausgleich von Bedarfsspitzen.
Geht es um die Speicherung von Überschussenergie über mehrere Wochen oder Monate, um etwa saisonale Schwankungen der regenerativen Energieerzeugung auszugleichen, empfehlen sich Wasserstoff-basierte Verfahren.
Überdies existieren zahlreiche Anwendungen, die nicht oder noch nicht mit elektrischer Energie betrieben werden können – aus technischen oder aus wirtschaftlichen Gründen. Im industriellen Bereich sind dies zum Beispiel die Stahl- sowie die Zementherstellung. Im Mobilitätssektor ist es der Transport großer Massen über weite Distanzen. Genannt sei hier der Langstrecken-Flugverkehr oder der Ferntransport per Lkw oder Schiff. Auch für diese Anwendungen sind nach heutigem Stand der Technik Wasserstoff und darauf basierende Folgeprodukte im Einsatz (Abb. 4).
Anwendungsfälle für Energiespeicher
Die Verwendung von Batterien im Mobilitätssektor ist einfach zu beschreiben. Die gespeicherte elektrische Energie wird zum Betreiben von Elektromotoren und aller Hilfsaggregate der Fahrzeuge eingesetzt. In der Wasserstoff-basierten Mobilität kann der Energieträger als Treibstoff für Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Alternativ wird der Wasserstoff für das Betreiben einer Brennstoffzelle verwendet, so dass der Antrieb letztlich wieder rein elektrisch vonstattengeht. In diesem Fall wird ebenfalls eine – wenn auch deutlich kleinere – Batterie benötigt, um Leistungsspitzen bereitzustellen und zurückgespeiste Energie aufnehmen zu können. Brennstoffzellen arbeiten besonders effizient bei konstanter Last.
In der Ladeinfrastruktur im Mobilitätssektor können Batterien das Schnellladen unterstützen, indem sie die hohen Ladeleistungen bedienen und damit das Verteilnetz entlasten.
Wichtige Anwendungsfälle von stationären Energiespeichern sind das Anfahren (Schwarzstart) sowie das Stabilisieren von öffentlichen Verteilnetzen, das Kappen von Lastspitzen in Industriebetrieben, die unterbrechungsfreie Stromversorgung, das Betreiben von Inselnetzen, die nicht an das öffentliche Verteilnetz angebunden sind, sowie der Ausgleich der Volatilität erneuerbarer Energieträger. Von zunehmender kommerzieller Relevanz ist der Stromhandel. Hierbei wird Energie zu Zeiten niedriger Erzeugerpreise gespeichert, um sie bei hohem Energiebedarf mit Gewinn wieder bereitzustellen.
Fazit
Elektrische Energie wird im täglichen Leben immer präsenter. Ob elektrische Mobilität oder das elektrische Heizen: Die Vision einer All Electric Society scheint schon bald Realität zu werden. Mit diesem Ansatz kann es gelingen, dem Klimawandel Einhalt zu gebieten und uns aus der Abhängigkeit von den endlichen fossilen Energieressourcen zu befreien.
Quelle
[1] Adeh EH, Good SP, Calaf M, Higgins, CW: Solar PV Power Potential is Greatest Over Croplands. Sci Rep. 2019 Aug 7;9(1):11442. doi: 10.1038/s41598-019-47803-3. PMID: 31391497; PMCID: PMC6685942
Dr.-Ing. R. Meyer, Application Expert Energy Storage Systems in der Business Area Device Connectors, Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg