Lösungsansätze für Stromspeicher in einem heterogenen Netzwerk

Im Gegensatz zu dem historisch gewachsenen Stromnetz mit großen, zentralen Grundlast-Kraftwerken (Kohle, Atomkraft) entwickelt sich die Zukunft stark in Richtung zahlloser, heterogener Einspeisepunkte. Wesentlicher Grund dafür ist das Ziel, die Vernichtung Jahrmillionen alter Primärenergielagerstätten zu beenden und den CO2 Ausstoß drastisch zu reduzieren. Wasserkraft, Solar, Wind und z.B. Gezeiten bieten einen Ersatz bei der Energiegewinnung und sind regenerativ, verbrauchen sich also nicht.

Ein gravierender Nachteil ist die nicht vorhandene Grundlastfähigkeit, denn allen regenerativen Stromqueist eine nicht kontinuierliche Stromproduktion. Die Ausnahme Geothermie bildet in Deutschland keine Alternative, obwohl sie grundlastfähig wäre.

Um also in Zukunft regenerative Stromquellen wie die Photovoltaik oder Windkraft nicht immer wieder vom Netz nehmen zu müssen, damit die Grundlast-Kraftwerke weiter laufen können, sind neue Ideen gefragt.

Ansätze zur Energiespeicherung gibt es viele und einige werden auch praktiziert – bis hin, dass regenerativ hergestellter Strom z.B. nach Norwegen exportiert wird, um da in Pumpspeicherkraftwerken zwischengelagert zu werden. Auch das Bezahlen dafür, dass unsere europäischen Nachbarn unseren überschüssigen Strom abnehmen, ist bereits vorgekommen.

Weitere Ansätze sind auch, Druckluft mit Pumpen in großen, unterirdischen Kavernen zwischen zu speichern. Diese Druckluftspeicher könnte dann Turbinen antreiben, die den Strom in dem Moment erzeugen, in dem er gebraucht wird.
Eine andere Idee sind natürlich Pumpspeicherkraftwerke, die aber wegen ihres Flächenverbrauchs im engbesiedelten Deutschland kaum noch durchsetzbar sind. Große, mechanische Schwungrad-Speicher sind genauso wie große Kondensatorbänke eher nur lokal als Spitzenstrom-Lieferanten geeignet.

Bereits großtechnisch realisiert sind dagegen Lithium-Ionen-Speicher mit etlichen Megawatt Speicherkapazität. Die Anschaffungskosten sind hoch, die Lebensdauer jedoch recht lange, da die stationären Batterie-Container sehr gut elektronisch überwacht und optimal betrieben werden können. In Australien wird der weltweit derzeit größte Batteriespeicher (geliefert von TESLA) mit 129 MWh Kapazität betrieben, in der Lausitz wird vom Stromerzeuger LEAG die größte deutsche Pufferbatterie mit 53 MWh im Jahr 2020 ans Netz gebracht.

Eine zweite Idee gewinnt jedoch langsam an Fahrt. Die über 100 Jahre alte Technik der Elektrolyse und der Brennstoffzelle erleben gerade einen Boom. Denn mit Hilfe des überschüssigen elektrischen Stroms kann man Wasser in seine Grundbestandteile Sauerstoff und Wasserstoff aufteilen. Der Wasserstoff kann zu einem späteren Zeitpunkt in Brennstoffzellen wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden. Bislang ist der Wirkungsgrad der chemischen Speicherung von elektrischer Energie noch recht gering, doch Optimierungen versprechen bald eine ausreichende Wirtschaftlichkeit. In Mainz steht (2018) die weltgrößte PEM-Elektrolyse-Versuchsanlage für Power-to-Gas. Hier werden bis zu 6MW Windstrom direkt umgewandelt in Wasserstoff.
Das Verteilnetz für diesen durch Elektrolyse gewonnenen Wasserstoff gibt es bereits: die Hunderttausend Kilometer des deutschen Erdgasnetzes können auch den Wasserstoff dorthin transportieren, wo er benötigt wird.
Neben Wasserstoff kann auch in einem nachgeschalteten Verfahrensschritt Methan oder synthetischer Treibstoff hergestellt werden.

Die dritte Idee, bei der auch eine Ionenaustauscher-Membrane benötigt wird, ist die Redox-Flow-Batterie. Anders wie in Lithium-Ionen oder Zink-Kohle Batterien sind in diesem Fall beide Elektrolyte flüssig und strömen an einer Membrane vorbei. An dieser Membran werden Elektronen zwischen den beiden Flüssigkeiten ausgetauscht und ergeben so einen elektrischen Strom.

Da die Elektrolyte an der Membran vorbei strömen, ohne diese aufzubrauchen, ist die Kapazität einer Redox-Flow-Batterie nur begrenzt durch die Menge Elektrolyt, die zur Verfügung steht. Daher sind auf diese Weise Kraftwerke im mehrere Hundert MW Bereich möglich. Gleichzeitig dienen die Elektrolyten als nahezu unbegrenzter Speicher, denn überschüssiger, regenerativ gewonnener Strom kann in chemisch gespeicherte Energie umgewandelt werden (umgekehrter Redox-Vorgang). Es ist sogar möglich, diese gespeicherte Energie per Tankwagen an den Verbrauchsort transportieren.

Noch befindet sich diese Technik in der Optimierungsphase und der Wirkungsgrad liegt erst bei etwa 75%. Allerdings liegen die Anfänge auch noch gar nicht so weit zurück (erst ab etwa 1955 erste Überlegungen/Versuche). Doch der Charme ist die nahezu beliebige Skalierbarkeit, mit der ganze Grundlastkraftwerke ersetzt werden könnten. Ein Anschluß an bestehende Infrastruktur (z.B. die Hochspannungsschaltfelder von abgeschalteten Kohle- und Atomkraftwerke) ist leicht möglich.

Hersteller von Redox-Flow-Batterien sind u.a. cmblu.de (Alkali), volterion.com (Vanadium), voltstorage.com (Vanadium) und z.B. Thyssen Krupp (Vanadium). Das Fraunhofer ICT, Pfinztal forscht an Redox-Flow-Batterien.

(Juni 2019, © Gerald Friederici)