Erfurter Energiespeichertage

Die Energiewende ist ein gewichtiger Baustein eines ökologisch ausgestalteten Wirtschaftssystems. Mit der Energiewende werden vielseitige Ziele verfolgt:

  • Unabhängige Energieversorgung
  • Klimaneutralität
  • Erneuerbare Energiequellen und
  • Sozialverträgliche Gestaltung


Der im Frühjahr 2022 ausgebrochene militärische Konflikt mitten in Europa veränderte in vielen europäischen Ländern grundlegend die Situation bei der Versorgung mit der bisher wichtigsten Energiequelle Erdgas. Die plötzlich entstandene Möglichkeit eines Engpasses bei Erdgaslieferungen aus Russland ist der Grund dafür, dass grüne erneuerbare Energien momentan in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit der Politik und der Bevölkerung rücken und einen Boom erleben.

Nicht verwunderlich, schließlich wird mehr als die Hälfte der gesamten Energieversorgung in Deutschland für die Wärmeerzeugung bzw. Beheizung verbraucht. Außerdem ist das Erdgas ein wichtiger und unverzichtbarer Rohstoff in der chemischen Produktion – der drittgrößten Branche der deutschen Wirtschaft. So versammelten sich am 7. April 2022 Vertreter und Vertreterinnen aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft zu einer Sonderveranstaltung im Rahmen der Erfurter Energiespeichertage. 

Bei der Abkehr von fossilen Energiequellen stellt sich seit Jahren die Frage, welche erneuerbare Energie den aktuellen und immer weiter steigenden Bedarf decken kann. In Deutschland hat allein die chemische Industrie so viel Energiebedarf, wie die Summe aller erneuerbaren Energien, die heutzutage hierzulande erzeugt werden. Im Jahr 2021 wurden 19,7 % des Energieverbrauchs in Deutschland aus erneuerbaren Energien gedeckt.

Tatjana Meiere

Grüner Wasserstoffdas zentrale Zukunftselement der Energiewende

Wasserstoff ist für die Energiewende von besonderer Bedeutung, weil bei seiner Verbrennung keine Schadstoffe entstehen. Deshalb stellen sowohl Deutschland, als auch die EU Pläne für den massiven Ausbau einer Wasserstoffwirtschaft vor. Ob die Produktion des Wasserstoffs klimaneutral durchgeführt werden kann, bleibt allerdings immer noch eine Frage der Technik – und gleichzeitig eine wirtschaftliche Herausforderung.

 

Industrielle Wasserstoffproduktion

Zur Herstellung von Wasserstoff gibt es zwei erprobte Verfahren:

A

Die Dampfreformierung – blauer Wasserstoff

Durch dieses Verfahren wird Wasserstoff aus fossilem Erdgas gewonnen – mit hohen Kohlendioxidemissionen, die per Carbon-Capture-Technologie (CCS) beseitigt werden. CO2 entsteht jedoch nicht nur beim eigentlichen Umwandlungsprozess, sondern auch dadurch, dass Erdgas als Energieträger genutzt wird, um die für den Prozess notwendige Wärme bereitzustellen.

Bis dato ist es lediglich gelungen, die Prozessemissionen mit CCS abzufangen, während das bei der Gasverbrennung entstehende Kohlendioxid komplett in die Atmosphäre entweicht.

Auch der Kohlendioxid-Abscheidungsprozess selbst benötigt zusätzliche Energie, die bis heute ebenfalls aus Erdgaskraftwerken ohne Anwendung von CCS stammt.

Energieverbrauch

Die Elektrolyse – grüner Wasserstoff

Hierbei wird Wasser in einer Anlage unter Einfluss von elektrischem Strom gespalten, wodurch Wasserstoff entsteht. Das erfordert einen hohen Energieaufwand, weil mehr als ein Drittel der elektrischen Energie im Elektrolyse-Prozess verlorengeht, u.a. bei der Kühlung der Erzeugungsanlage.

Wasserstoff als alternative nachhaltige Energiequelle ist nur dann sinnvoll, wenn die für die Elektrolyse notwendige Energie aus erneuerbaren Quellen stammt, wie etwa Windkraft- oder Photovoltaikanlagen. Der mit Ökostrom hergestellte Wasserstoff wird als „grüner“ Wasserstoff bezeichnet.

Die Herstellung von „grünem“ Wasserstoff erfordert nicht nur große Mengen an erneuerbarem Strom, sondern auch viel Wasser in hoher sauberer Qualität (Trinkwasser). Doch das Frischwasser ist eine knappe Ressource. Um durch Wasserelektrolyse Wasserstoff zu gewinnen, braucht man zusätzliche dezentrale Wasseraufbereitungsanlagen, da ansonsten die Logistikkosten für große Wassermengen sehr hoch wären. Denkbar wäre auch der Einsatz von entsalztem Meerwasser. Allerdings würde dies einen zusätzlichen CO2-Fußabdruck bedeuten.

Aus 9 Liter Wasser wird 1 Liter Wasserstoff produziert.

Doch wenn man die erweiterte Wertschöpfungskette der „grünen“ Wasserstoffherstellung berücksichtigt, verursachen auch Solarenergie-Anlagen durch die notwendige regelmäßige Reinigung einen Bedarf von 70 Liter Wasser je 1 Liter Wasserstoff. Durch die Kühlung der verfahrenstechnischen Anlagen schnellt der Wasserbedarf noch mehr in die Höhe.

Die Verfügbarkeit von Frischwasser ist also eine Voraussetzung für die Produktion von Wasserstoff. Doch gerade Regionen mit einer hohen Sonneneinstrahlung gehören zu den trockensten Orten der Welt und weisen heute bereits einen Wassermangel auf, der sich beim erwarteten Bevölkerungsanstieg und dem Klimawandel weiter verschärfen wird.

Bei der Produktion von „grünem“ Wasserstoff gibt es somit erhebliche Schwierigkeiten.

Notwendigkeit von Speichertechnologien für erneuerbare Energie

Innovative Verfahren zur Wasserstoffgewinnung

Ein Wissenschaftlerteam an der Universität Jena hatte sich vor einigen Jahren das Ziel gesetzt, die Elektrolyse bei der Wasserstofferzeugung zu überspringen. Mittlerweile wurden vielversprechende Ergebnisse erreicht, so dass momentan eine Start-up-Ausgründung in Vorbereitung ist.

In der Natur existieren Mikroorganismen, die Wasserstoff dank spezieller Enzyme in einem chemischen Katalyse-Prozess produzieren. In Labortests wurden solche Prozesse nachgestellt und daraus resultiert nun das Ziel, Photokatalysatoren auf der gleichen Basis zu bauen, sodass Wasserstoff im Endeffekt mit Sonnenlicht produziert werden kann. Innovativ ist zudem, dass in den Katalysatoren das teure und seltene Metall Platinum durch Eisen ersetzt wird.

Speicherung des Wasserstoffs

Für Transport- und Nutzungszwecke muss Wasserstoff nach der Herstellung zunächst gespeichert werden. Zurzeit existieren fünf verschiedene Speicherformen:

  • Gas: Der gasförmige ist auch der ursprüngliche Zustand von Wasserstoff. Dieses hochexplosive Gas wird für die Speicherung unter hohem Druck komprimiert, wodurch ein Zehntel des Heizwertes verlorengeht.

  • Flüssigkeit: Wasserstoff kann verflüssigt werden. Die Verflüssigung ist aus energetischen Gesichtspunkten problematisch, denn dabei geht sogar fast ein Drittel des Heizwertes verloren.
Speichermöglichkeiten Wasserstoff im Vergleich
  • LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier): Wasserstoff wird in einer ölartigen, organischen Substanz chemisch gebunden, die nicht toxisch und schwer entzündlich
    Diese Speicherform ermöglicht eine Lagerung unter Umgebungsdruck und Normaltemperatur und gilt als Favorit unter den Speichertechnologien.

  • Metallhydride: Da bestimmte Metalle Wasserstoff gut aufnehmen, entstehen dadurch Lösungen von Wasserstoff im Metall. Im Metallhydrid kann – bei gleichem Volumen – mehr Wasserstoff gespeichert werden, als Wasserstoff in flüssiger Form einnimmt.

    Nachteile der Hydridspeicher, z. B. Nickel-Metallhydrid-Akkus, sind das geringe Wasserstoff/Metall-Verhältnis und die langsame Aufnahme und Abgabe des Wasserstoffs.
    Vorteilhaft ist die Sicherheit des gebundenen Wasserstoffs.
    Weitere kleinere Speichermöglichkeiten sind Magnesium-, Lithium- oder Natriumhydride.
  • Ammoniak & Methanol: Ammoniak wird aus Stickstoff und Wasserstoff unter hoher Temperatur und hohem Druck industriell hergestellt und hauptsächlich für die Düngemittelherstellung verwendet. Der flüssige Ammoniak kann in einer Turbine verbrannt oder in einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Heizwert von Ammoniak ist 2,6 Mal höher als bei LOHC, allerdings nur etwa halb so hoch wie der von Benzin oder Diesel und etwa ein Sechstel so groß wie jener von flüssigem Wasserstoff.

    Methanol wird aus dem Kohlenwasserstoff Methan industriell hergestellt, wobei Methan in großen Mengen durch biotische Prozesse in der Natur entsteht. Auch Methanol kann mit Hilfe von Brennstoffzellen elektrische Energie liefern. Sein Heizwert entspricht ungefähr dem Heizwert des Ammoniaks.
Betankung der Züge mit Wasserstoff

Anwendungsbeispiele für Wasserstoff

Brennstoffzellen sind die klassische Anwendung des Wasserstoffs, insbesondere für die Elektrik und für die netzunabhängige Stromversorgung wichtig.

In Jena wird zurzeit an einem Projekt gearbeitet, um die Wasserstoffherstellung am Hauptbahnhof und eine Vor- Ort-Betankung von Zügen mit Wasserstoff zu ermöglichen.

Wasserstoff kann auch direkt ins Erdgasnetz eingespeist werden. Nicht alle Gasleitungen sind jedoch H2 -verträglich und müssten flächendeckend ausgetauscht werden. Eine weitere Herausforderung ist die Fluktuation vom Wasserstoff im Erdgasnetz, da die Einspeisung als zusätzliche Beimischung nur dann erfolgt, wenn Wasserstoff produziert wird. Die variierenden Mengen von Wasserstoff in der Erdgasmischung sind für Haushalte weitgehend irrelevant, doch für Industriebetriebe werden dadurch ständige Prozessanpassungen erforderlich.

Da allein die Wasserstoff-Herstellung sehr viel Stromenergie benötigt, wird sie eher für Industrieanlagen relevant sein. Für Wohnungen und Pkw wird Wasserstoffenergie wohl kaum eine Rolle spielen.

Speicherung von erneuerbaren Energien

Die Erzeugung von erneuerbaren Energien durch Photovoltaik, Solarthermie oder Windkraft unterliegt täglichen und saisonalen Schwankungen aufgrund wechselnder Wetterlagen. Grüne Energien sind somit volatile Energien. Gleichzeitig muss jedoch eine stetige Energieversorgung gewährleistet und eine kontinuierliche Nutzung sichergestellt werden.

Um Fluktuationen im Energienetz zu vermeiden, werden Energiespeicher benötigt, die eine spätere Nutzung überschüssiger Energie ermöglichen. Je mehr grüne Energien erzeugt und genutzt werden, desto wichtiger wird die Rolle der Energiespeicher. Aus diesem Grund wird momentan an verschiedenen Speichertechnologien geforscht, die man mit Power-to-X (PtX) bezeichnet. In der Zukunft werden verschiedene Energieträger im Wechsel eingesetzt.

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Kaltes Wärmenetz

Das kalte Nahwärmenetz – eine weitere innovative Technologie

Dieses wurde von einem deutschen mittelständischen Familienunternehmen präsentiert. Ein Wärmetauscher besteht aus einer unterirdischen Gefrieranlage, einem Kollektor aus Solarröhren auf einem Gebäudedach und einer Wärmepumpe, die Energie speichert.

Die Funktionsweise der Anlage basiert auf der Tatsache, dass Wasser bei genau 0 °C in zwei Aggregatzuständen vorkommt, dem Eis und dem flüssigen Wasser. An diesem Punkt findet der Wechsel des Aggregatzustands statt: flüssiges Wasser wird zu Eis und gibt Energie frei. Wenn jedoch Eis wieder zu Wasser wird, wird Energie verbraucht.

Diese Technologie wurde bereits in den 80er Jahren entwickelt, hatte sich seinerzeit jedoch nicht durchgesetzt. Doch mittlerweile versorgt eine solche Anlage bereits das IKEA-Gebäude in Wien und das Zalando-Gebäude in Erfurt. Das aktuelle Projekt ist die Installation bei einer neuen Wohnanlage in Ludwigsburg.

Heizung, Kühlung, Stromerzeugung und Stromspeicherung gehören in einem kalten Nahwärmenetz zusammen. Weil Kälte das Abfallprodukt der Wärmeerzeugung, und Wärme wiederum das Abfallprodukt der Kälteerzeugung ist, erweist sich diese Anlage als besonders umweltfreundlich. Auch die in den letzten Monaten noch wichtiger gewordene Versorgungssicherheit und Unabhängigkeit in Bezug auf die Energie wird dadurch gewährleistet.

Allerdings kann sich der Anschlusszwang und die Abrechnungskomplexität gerade in den Wohngebieten als nachteilig erweisen.

Auch die Technische Universität Dresden forscht an einem Flüssigeis-Projekt, deren ökologischer und ökonomischer Nutzen sowie die behördliche Genehmigungsfähigkeit bereits nachgewiesen wurden. Derzeit sucht das Projekt nach einem Partnerunternehmen, um diese Innovation als ein Pilotprojekt in der Praxis umzusetzen.

Flussigeis
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kaltes Nahwärmenetz

Neue Quellen für grüne Energie

Grüne Energien können aus vielen verschiedenen Quellen stammen, einige davon müssen erst entdeckt und erschlossen werden. Die angestrebte Defossilisierung von Strom und Wärme bringt vielseitige Herausforderungen mit sich. Sie beschränkt sich nicht allein auf den Ersatz von traditionellen Brennstoffen, wie Braunkohle oder Erdgas, durch andere Quellen.

  • Kraft-Wärme-Kopplung


Die Nutzung der Abwärme, die als Begleitprodukt in Industrieprozessen entsteht, steht hier im Mittelpunkt. Denn bei der Stromerzeugung aus Brennstoffen wird die mechanische Energie in elektrischen Strom umgewandelt. Dabei entsteht Wärme, die als „Abfall“ gilt und bis heute kaum genutzt wird.

Der neue Ansatz bei der Kraft-Wärme-Kopplung ermöglicht die Gewinnung von Strom aus mechanischer Energie und gleichzeitig die Gewinnung nutzbarer Wärme, die in einem gemeinsamen thermodynamischen Prozess entsteht. Diese Wärme kann als Nah- oder Fernwärme für die Heizung öffentlicher und privater Gebäude oder als Prozesswärme für Produktionsprozesse in der Industrie genutzt werden.

Durch die Kraft-Wärme-Kopplung wird ein Drittel der Brennstoffe eingespart und die Emissionen von Kohlenstoffdioxid und anderen Schadstoffen stark reduziert. Vorgesehen ist auch, solche Kraftwerke künftig mit erneuerbaren Energien, beispielsweise aus Biogas, zu betreiben.

  • Gebäudeoberflächen als Wärmequellen


Aber auch Wärme, die von Gebäudeoberflächen der Hochhäuser in den Städten generiert wird, könnte nutzbar gemacht werden. Eine der neuesten Studien stellte fest, dass Gebäudeoberflächen die beste Wärmequelle für die Gebäudeversorgung sind.

  • Biogasanlagen


Außerdem bergen auch Biogasanlagen ein großes Potenzial für Wärme, das zurzeit jedoch noch größtenteils ungenutzt bleibt.

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Smart home

Umweltgerechte Energieverwendung

Neben der Erzeugungsseite soll auch die Verbrauchsseite mitgedacht werden. Hier liegt das Bestreben darin, die Nutzer:innen zu sensibilisieren, zu welchem Zeitpunkt sie Energie verbrauchen, und das Nutzerverhalten umzustellen.

Angedacht werden Preismodelle für Strom, die die Nutzungsstoßzeiten und die Verfügbarkeit mitberücksichtigen. Beispielsweise sollte man die Nutzung des Geschirrspülers am Tag vermeiden, wenn Energie auch von Industrie- und Gewerbebetrieben genutzt wird und somit der Strompreis am teuersten wäre.

Erdgas als bisherige Energiequelle war günstig und zu jeder Zeit in der benötigten Menge verfügbar. So haben sich die Verbraucher:innen nie Gedanken über seine Nutzung machen müssen. Bis jetzt ist es gesetzlich verboten, die vorhandenen Energieverbrauchsdaten zur Steuerung der Versorgung von Gebäuden mit Energie zu nutzen.

Aus der Sicht von Politik und Wissenschaft enthalten Energiepreise ganz allgemein auch sozialen Brennstoff. Die in den Sommermonaten verschickten Nebenkostenabrechnungen werden jedem einzelnen die Energiekrise bewusst machen, sodass der soziale und politische Druck in Deutschland und anderen europäischen Ländern steigen wird. Gut vorstellbar, dass seitens des Gesetzgebers bald Anpassungen der derzeit gültigen Regelwerke erfolgen werden.

Smartes Quartier Jena Lobeda

Vorgestellt wurde außerdem eine nachhaltige Wohnanlage für Mietwohnungen mit einem ersten, bereits bewohnbaren Bauabschnitt. Die Wohnanlage bietet im Rahmen des Mietstrom-Projekts die Möglichkeit, PV-Anlagen für Balkone zur Wohnung dazu zu mieten.

Eis-Energiespeicher

Jede Wohnung enthält eine, mit der Hochschule Zwickau entwickelte, digitale Heizungssteuerung. Anstelle herkömmlicher Thermostate befindet sich in jeder Wohnung ein Tablet, mit dessen Hilfe die ursprünglich erfolgte Grundeinstellung für die persönliche ideale Raumtemperatur verändert werden kann, und zwar auf max. +/- 3 Grad Celsius.
Die Idee dahinter: für eine energieeffiziente Beheizung ist sowohl eine Überhitzung, als auch eine Auskühlung der Räumlichkeiten zu vermeiden.

Außerdem erfolgt eine automatische Entfeuchtung der Räume, die ebenfalls digital gesteuert wird. Beim Verlassen der Wohnung stellt sich das System mithilfe eines Signals vom digitalen Schloss automatisch auf die Grundeinstellung um.

Des Weiteren kann die Wohnung mit Notrufsensorik und Erinnerungsfunktion für Senioren ausgestattet werden. Paketzustellungen bzw. -retouren können im Logistikraum im Erdgeschoß abgegeben bzw. abgeholt werden. Momentan wird an einem Konzept für einen Telemedizinraum für Videogespräche mit Ärzten oder Online-Medikamentenbestellungen gearbeitet.

Neben den vielen Vorteilen eines solchen „Smart Home“ beinhaltet das Projekt auch Herausforderungen, wie beispielsweise die Nutzerakzeptanz für „smarte Thermostate“ oder die Höhe der Technikwartungskosten.