WEnn Christoph Schillings und Carsten Hoyer-Klick sich mit dem Thema Energie befassen, richten sie ihren Blick aufs große Ganze: Die Leiter der Abteilung Systemanalyse und Technikbewertung am Stuttgarter DLR-Institut für Technische Thermodynamik analysieren, wie Energieerzeugung und -versorgung künftig aussehen könnten – und was dafür geschehen müsste. Eine besondere Herausforderung ist die von der Bundesregierung proklamierte Energiewende mit ihren ambitionierten Zielen. So soll der Ausstoß von Kohlendioxid in Deutschland bis 2050 gegenüber 1990 um 80 Prozent gesunken sein und der Strombedarf zu 80 Prozent aus erneuerbaren Quellen gedeckt werden.
Schillings und sein Team entwerfen Modelle, die das Geflecht aus Energieerzeugern und -verbrauchern sowie deren Wechselwirkungen umfassend und detailliert abbilden. Daraus leiten sie Szenarien ab, wie sich das Energiesystem bei bestimmten Bedingungen entwickeln muss, um die Ziele der Bundesregierung zu erreichen. „Auch Stimmungen in der Bevölkerung, etwa zum Bau neuer Kraftwerke oder Stromtrassen, werden über Akzeptanzforschung mit berücksichtigt”, sagt der DLR-Forscher.
Netze festigen, Wärme bunkern
Ein wichtiger Faktor dabei: Ohne leistungsfähige Energiespeicher wird es künftig nicht gehen. Sie sind notwendig, um etwa elektrischen Strom, den Windräder oder Solarmodule produzieren, für eine spätere Nutzung aufzubewahren. Man braucht sie auch, um die Netze zu stabilisieren, in die künftig immer mehr dezentrale Kleinkraftwerke eingebunden sein werden. Die Speicher sollen obendrein Wärme auffangen und für eine gewisse Zeit bunkern. „Bei der Forschung an Wärmespeichern sind wir weltweit führend”, sagt Doerte Laing, die gemeinsam mit Antje Wörner die Abteilung Thermische Prozesstechnik am Stuttgarter DLR-Institut leitet.
Die Stuttgarter haben zum Beispiel Speicher für solarthermische Kraftwerke entwickelt. Solche Kraftwerke erzeugen in sonnenreichen Regionen wie Südspanien und Kalifornien Strom aus Sonnenlicht. Sie nutzen dazu den Umweg über eine Flüssigkeit, die sich im Sonnenlicht erhitzt und so die Energie für ein konventionelles Kraftwerk liefert. Auf diese Weise lässt sich mit flüssigem Salz als Speichermedium Wärme stundenlang horten, was sicherstellt, dass die Anlage auch nach Sonnenuntergang Elektrizität liefern kann. „Dadurch sind solarthermische Kraftwerke sogar grundlastfähig”, sagt Antje Wörner. Das heißt: Sie könnten an die Stelle von Atom- oder Kohlekraftwerken treten.
In Dampf gespeichert
Mit Latentwärmespeichern gelang es den DLR-Forschern, die Speicherung der solaren Wärme noch effizienter zu machen. Hier ändert die zugeführte Energie nicht die Temperatur, sondern sie wird für einen Phasenübergang zwischen fest und flüssig genutzt. „ Als Material für einen solchen Speicher können Salze dienen, die wechselweise geschmolzen und gefroren werden”, erklärt Wörner. Sie geben ihre Wärme für die Verdampfung von Wasser ab, das zum Antreiben der Turbine genutzt wird. Eine erste Pilotanlage haben die Forscher um Doerte Laing gemeinsam mit dem spanischen Energieversorger Endesa in einem Kraftwerk im andalusischen Carboneras erfolgreich getestet.
Die Palette der Werkstoffe für Wärmespeicher ist breit, und für jede Anwendung eignen sich andere Materialien. „Es gibt in diesem Bereich nichts von der Stange”, meint Doerte Laing. Um Solarwärme zu speichern, sind andere Anforderungen zu erfüllen, als wenn die Abwärme eines Stahlwerks oder einer Automobilfabrik aufgefangen werden soll. Mit „Hotreg” besitzen die Stuttgarter Wissenschaftler eine weltweit einzigartige Anlage, in der sich ganz unterschiedliche Materialien und Verfahren auf ihre Tauglichkeit zur Wärmespeicherung testen lassen. Den rund fünf Meter hohen Stahltank können sie etwa mit Steinen oder Keramik füllen, die dann bei Temperaturen von über 800 Grad Celsius von trockener oder feuchter Luft und mit hohem oder niedrigem Druck durchströmt werden. Damit simulieren die Forscher die Bedingungen in einem Kraftwerk oder einer Industrieanlage.
„Unser Ziel ist es, eine Art Baukasten mit einer Vielzahl von Speichermodulen zu schaffen, aus dem sich für jedes Einsatzfeld ein geeignetes System zusammensetzen lässt”, sagt Laing. Gemeinsam mit dem Bauunternehmen Züblin haben die Stuttgarter einen thermischen Speicher aus Beton entwickelt.
In Köln ging Ende 2012 eine Anlage in Betrieb, in der die DLR-Experten ausprobieren, ob Kalk als Werkstoff zum Wärmespeichern taugt. „Die Energie wird über eine chemische Reaktion gespeichert, die gelöschten in gebrannten Kalk verwandelt”, erklärt Antje Wörner. Dazu strömt bis zu 600 Grad Celsius heiße Luft über die Kalzium-Verbindung. Der Vorteil von Kalk: Er ist preisgünstig und kann sehr viel Wärme aufnehmen.
In der Industrie bietet sich ein gewaltiges Potenzial für thermische Speicher: So werden in Deutschland fast 60 Prozent der Primärenergie verwendet, um Wärme zu erzeugen. Davon entfallen rund 40 Prozent auf Prozesswärme. Diese Wärme, von der heute noch ein großer Teil verloren geht, wollen die Wissenschaftler einfangen und nutzen.
viel mehr Photo- und Windstrom
Chemische Reaktionen, wie sie bei der Speicherung von Wärme in Kalk ablaufen, werden künftig auch bei der Stromversorgung eine zentrale Rolle spielen, meint Andreas Friedrich, Leiter Elektrochemische Energietechnik am Institut für Technische Thermodynamik. Dahinter steckt die Energiewende: „Die nicht regelbare Kraftwerksleistung, die vor allem aus regenerativen Quellen stammt, wird im deutschen Stromnetz deutlich zunehmen”, ist Friedrich überzeugt. So werde sich der Anteil von Strom aus Photovoltaik- und Windkraft-Anlagen bis 2050 verdreifachen. Die Stromproduktion richtet sich dann nach der Witterung.
„Ohne Speicher mit hoher Kapazität lässt sich die Stromversorgung künftig nicht gewährleisten”, sagt Friedrich. Als Speicher kommt für den Physiker vor allem Wasserstoff infrage – oder Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, der sich aus Wasserstoff und Kohlendioxid erzeugen lässt. Wasserstoff oder Methan, so das Konzept, strömen ins bestehende Erdgasnetz und lassen sich nutzen, um Wohnungen zu heizen, Erdgasfahrzeuge zu betanken oder Gaskraftwerke zu befeuern.
In dem Gas steckt der im Überangebot erzeugte Sonnen- und Windstrom, der durch Elektrolyse – die chemische Spaltung von Wasser – den Wasserstoff produziert. Hier setzen Friedrich und sein Team an. Denn bisherige Elektrolyse- Anlagen sind teuer und machen das „Power-to-Gas” genannte Konzept unwirtschaftlich. Der Grund: An den Elektroden entstehen hohe elektrische Spannungen, die Verluste bringen.
Mit einem Plasmastrahl rücken die Forscher diesem Problem zu Leibe: „In das Plasma, das hauptsächlich aus elektrisch geladenen Atomen besteht, werden pulverförmige Legierungen hineingelenkt, die aufschmelzen und mit hoher Geschwindigkeit auf die Elektroden treffen”, erklärt Friedrich. „Dadurch entstehen stark strukturierte große Oberflächen, die für die Reaktionen besondere Eigenschaften haben.” Sie reduzieren die Überspannungen und damit die Verluste.
Im Labor nebenan entwickeln die Forscher die Grundlagen für Lithium-Luft- und Lithium-Schwefel-Batterien. Sie gelten als mögliche Nachfolger für die heute gebräuchlichen Lithium-Ionen-Akkus. Die neuartigen Zellen können deutlich mehr Energie fassen und versprechen geringere Materialkosten. Der Hintergrund: Um die Stromnetze zu entlasten, sollen die Besitzer von Photovoltaik-Anlagen den erzeugten Strom möglichst auch selbst nutzen. Dafür sind leistungsfähige und preisgünstige Batterien erforderlich. Die könnten auch zur Folge haben, dass Elektroautos billiger und somit attraktiver werden.
Um die Nutzung in Fahrzeugen geht es auch bei Brennstoffzellen. Darin läuft der umgekehrte Vorgang ab wie bei der Elektrolyse: Aus Wasserstoff wird – mit Sauerstoff aus der Luft – elektrischer Strom, der einen Elektromotor antreiben kann. Friedrichs Team arbeitet an der Weiterentwicklung dieser Technologie. Die Forscher wollen Brennstoffzellen künftig auch in Kraftwerken einsetzen, zusammen mit einer Gasturbine. Die Idee: Das Restgas aus der Brennstoffzelle wird verwendet, um die Turbine anzutreiben – das verbessert den elektrischen Wirkungsgrad, denn die im Wasserstoff gespeicherte Energie wird optimal genutzt. „In den nächsten fünf Jahren wollen wir das Konzept in einer ersten Anlage umsetzen”, sagt Friedrich.
Die Vielfalt der Speichertechnologien, an der die Forscher in den DLR- Labors feilen, stimmt ihre Kollegen von der Energiesystemanalyse zuversichtlich. Alle Szenarien, die Christoph Schillings mit seinem Team durchgerechnet hat, liefern dasselbe Resultat: Wenn man alle Möglichkeiten ausschöpft, klappt es mit der Energiewende. (
RALF BUTSCHER Technikredakteur bei bdw, hofft besonders auf kraftvollere Batterien für sein Handy und sein Notebook.
von Ralf Butscher
Auf lange Sicht hilft nur Gas
Elektrische Energie lässt sich etwa in Schwungrädern speichern, in Pump- oder Druckluftspeichern oder in Batterien. Je nach Verfahren bleibt sie in unterschiedlicher Dichte und verschieden lange erhalten. Um Energie wochen- oder monatelang zu „lagern”, kommt nur die Erzeugung von Wasserstoff oder Methan infrage.
Kompakt
· Rund die Hälfte der aufgewendeten Primärenergie endet als Wärme.
· Durch thermische Speicher ließe sich ein Großteil davon nutzbar machen.
· Überschüssiger Strom soll künftig zum Erzeugen von Wasserstoff dienen.
