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Krzysztof Romanowicz, Dr. Noris Gallandat, Prof. Dr. Andreas Züttel vor dem Enerigespeicher

Solarzellen produzieren in der Regel nicht genau dann Strom, wenn wir ihn für unsere Waschmaschine, die Wärmepumpe oder das Elektroauto benötigen. Im Energiesystem der Zukunft muss diese Energie deshalb in der Regel zuerst zwischengespeichert werden, bevor wir sie verbrauchen können. Die BKW beobachtet das Potential neuer Speichertechnologien aufmerksam. So zum Beispiel, wenn es um die Speicherung in Wasserstoff geht.

Ein Einfamilienhaus mit Elektroboiler und Wärmepumpe verbraucht durchschnittlich 13000 kWh pro Jahr an elektrischer Energie. Nimmt man an, dass die Hälfte dieses Energiebedarfs gespeichert werden muss, um den Winterverbrauch zu decken, so wäre ein System in der Grössenordnung von 65 Tesla Batteriepacks für diese Aufgabe notwendig. Es hätte ein Gewicht von ca. 40 Tonnen, wäre 20 Kubikmeter gross und würde mehr kosten als das gesamte Haus.

Es braucht also Alternativen – möglichst günstig und dezentral einsetzbar. In schweizerischen und ausländischen Forschungsstätten sind hunderte Ingenieure und Wissenschaftler damit beschäftigt, neue Technologien zur Energiespeicherung zu entwickeln. Wasserstoff spielt dabei eine wichtige Rolle: Elektrische Energie wird – sobald im Überschuss vorhanden – dazu verwendet, um mit einem Elektrolysegerät Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten. Der Wasserstoff wird dann gelagert und bei Bedarf, also bspw. in der Nacht oder im Winter, mit einer Brennstoff-Zelle in Strom umgewandelt. Der Wasserstoff kann in einem Tank gespeichert werden.

Speicherung in Wasserstoff: sowohl gasförmig wie in flüssiger Form eine Herausforderung

Die am weitesten verbreitete Methode ist die Lagerung des Wasserstoffs als komprimiertes Gas. Im Gegensatz zu einer Batterie, ist dieser Tank leer, wenn keine Energie darin gespeichert ist, was für grosse Energiemengen einen wesentlichen Kostenvorteil gegenüber der Batterie bringt. Wasserstoff ist aber ein sehr leichtes Gas und muss auf extrem hohe Drücke komprimiert werden für die Lagerung. So wird der Wasserstoff zum Beispiel in der neuen Wasserstofftankstelle in Hunzenschwil (AG) bei 700 bar Druck an den Zapfsäulen bezogen. Nur schon die Kompression des Wasserstoffs von atmosphärischem Druck auf diesen Druck kostet etwa 10 Prozent des im Gas enthaltenen Brennwerts. Daneben kann Wasserstoff auch flüssig gespeichert werden. Da es aber seinen Siedepunkt bei -252 Grad Celsius hat, sind dazu starke Kühlanlagen und gute Isolation erforderlich. Diese Methode wird daher vor allem für Anwendungen in der Industrie mit grossen Wasserstoff-Mengen verwendet.

Metallhydride: Die Mischung aus Batteriezelle und Druckbehälter

Mit einer neuen und innovativen Möglichkeit zur Speicherung von Wasserstoff arbeitet die Firma GRZ Technologies aus Sitten: die Bindung des Wasserstoffs an Metallpulver. Damit wird ein Zwischenweg zwischen der Stromspeicherung in komplizierten und technisch anspruchsvollen Batteriezellen und der Wasserstoffspeicherung in Druckbehältern gewählt. Der Behälter ist selbst bei der gewünschten hohen Energiedichte nur wenig über atmosphärischem Druck.

Die Funktionsweise hinter der Technologie besteht darin, dass gewisse Feststoffe den Wasserstoff wie ein Schwamm aufnehmen können, beispielsweise die metallische Legierung LaNi5. In der Fachsprache nennt man diese mit Wasserstoff gesättigten Feststoffe Metallhydride. Wenn sich die Wasserstoff-Atome an der Oberfläche der Legierung absetzen, bei der sogenannten Adsorption, lösen sich die beiden H-Atome voneinander und dringen einzeln ins Metallgitter ein. Die Distanz zwischen zwei H-Atomen im Gitter ist dann um Faktor 16 kleiner als die Distanz zweier H2 Moleküle im Gas. Aus diesem Grund kann Wasserstoff in Metallhydriden mit enorm hohen volumetrischen Dichten gelagert werden. Das System hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Wasserstoff-Atome dem Metallgitter nur so schnell wieder entweichen können, wie die Umgebung Wärme nachliefert. Die Lagerung hat also einen passiven Sicherheitsmechanismus, der nur auf den natürlichen Eigenschaften des Materials beruht.

Energie als Wasserstoff
Wasserstoffmolekül im Gaszustand (links) und Metallhydride (rechts). Ein Faktor 16.6 in einer Dimension bedeutet ein Faktor 2300 im Volumen, sprich Wasserstoff in Hydrid ist um Grössenordnungen dichter gepackt als in der Gas Phase – trotz hoher Verdichtung.

Günstig und platzsparend

GRZ Technologies entwickelt und vertreibt Energiespeicher-Systeme auf Metallhydrid-Basis für Anwendungen im Energienetz und in der Mobilität. Mit der ausgereiften und bereits heute einsatzfähigen Technologie von GRZ Technologies könnte ein Einfamilienhaus mit einem Speichersystem versorgt werden, das weniger als 8 Kubikmeter gross wäre und bereits heute als Einzelfertigung ohne industrielle Optimierung nur einen Bruchteil des Batteriesystems kosten würde. Zudem kann das System sicher im Keller des Hauses platziert werden.

Der grossflächige Einsatz des Wasserstoff-Kreislaufs wird momentan noch durch die günstigen Preise fossiler Energieträger, durch die kleine Variation im Strompreis und durch das Fehlen einer industriellen Grossproduktion von Komponenten für Speichersysteme verhindert. Doch bereits jetzt ist klar: Um die neuen erneuerbaren Energien wirkungsvoll einsetzen zu können, sind auch Speicherkapazitäten notwendig, die den Ausgleich zwischen Sommer und Winter sicherstellen. Aus diesem Grund beobachtet das BKW Technology Center Firmen wie GRZ und ihre Technologie bereits heute und sucht Anwendungsmöglichkeiten. Damit die Energie von morgen eben doch von der Sonne stammen kann.

Martin Bolliger

Martin Bolliger

Martin Bolliger ist Leiter des BKW Technology Center und befasst sich dort mit verschiedenen Aspekten der Energiezukunft. Seine Schwerpunktthemen sind Solarenergie, Speicher und Elektromobilität. Er fährt seit 20 Jahren mit Elektroautos und Velos mit Stromunterstützung.

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