SIEMENS

Manchmal beruhen Zukunftstechnologien auf ganz einfachen Vorgängen – so wie diesem: Man nehme Wasser und tauche zwei Elektroden hinein, die mit dem Plus- und dem Minuspol einer Spannungsquelle verbunden sind. Sobald Strom durch die Flüssigkeit fließt, steigen an beiden Elektroden kleine Bläschen auf: Sauerstoffgas am Pluspol und Wasserstoffgas am Minuspol. Diese Spaltung von Wasser nennt man „Elektrolyse“.

Auf den ersten Blick keine aufregende Sache – und doch hat die Elektrolyse das Potenzial, zu einem entscheidenden Baustein künftiger Energieversorgungsnetze zu werden: „Je größer der Anteil erneuerbarer Quellen wie Wind oder Sonne an der Stromproduktion ist, desto stärkere Schwankungen des Energieangebots werden wir erleben“, erklärt Dr. Manfred Waidhas vom neuen Geschäftsbereich „Hydrogen Electrolyzer“ des Siemens-Sektors Industry. „Andererseits müssen sich Angebot und Nachfrage im Stromnetz immer genau die Waage halten, damit die Netze nicht überlastet werden – darum brauchen wir Speicher für elektrische Energie, die einen Überschuss aufnehmen und ihn bei Bedarf wieder abgeben können.“

Genau hier kommt die Elektrolyse ins Spiel: Mit überschüssigem Öko-Strom ließe sich damit Wasserstoff produzieren, den man als Energieträger beispielsweise in unterirdischen Kavernen in Salzstöcken lagern könnte – also dort, wo die Energieversorger heute schon riesige Erdgasmengen speichern. Vor allem in Norddeutschland gibt es etliche solcher Salzstöcke.

Aber existiert nicht bereits eine bewährte Speichertechnologie in Form von Pumpspeicherkraftwerken? Sie befördern mit überschüssigem Strom Wasser in ein höher gelegenes Becken, und bei Bedarf fließt es wieder talwärts und treibt Turbinen für die Stromproduktion an. „Pumpspeicherkraftwerke wären in der Tat die beste Lösung“, sagt Waidhas. „Ihr Wirkungsgrad liegt bei bis zu 80 Prozent, und die Technik ist seit Jahrzehnten bekannt.“ Leider gibt es zumindest in Deutschland nicht genug geeignete Standorte, zudem führen derartige Neubauprojekte immer wieder zu massiven Protesten.

Also müssen Alternativen her. Die Nutzung der Batterien von Elektroautos wäre eine Möglichkeit (Pictures of the Future, Herbst 2010, Volle Ladung). Für zentrale Speicheranlagen wären allerdings die Kosten und der Platzbedarf von Batterien zu groß: Die größte Anlage ihrer Art steht in Japan, ist so groß wie ein Fußballfeld und kann trotzdem nur sieben Stunden lang 30 Megawatt elektrische Leistung abgeben – in Zukunft geht es aber um Leistungen von mehreren hundert Megawatt, die bei flauem Wind zu - dem einige Tage zur Verfügung stehen müssen.

Stromspeicher Wasserstoff. Für Manfred Waidhas ist Wasserstoff als Energieträger die beste Lösung. „Man könnte zum Beispiel einen Elektrolyseur dort aufstellen, wo der Strom eines Offshore-Windparks an Land ankommt“, beschreibt der Experte ein mögliches Szenario. „Ist zu viel Strom vorhanden, produziert man mit seiner Hilfe Wasserstoff und speichert ihn in einer Kaverne.“ Bei steigender Nachfrage könnte das energiereiche Gas eine Turbine antreiben, die CO2-neutralen Strom ins Netz speist. Kombiniert man den Wirkungsgrad der Elektrolyse (etwa 75 Prozent) mit dem der Gasturbine (im kombinierten Betrieb mit einer Dampfturbine rund 60 Prozent), würden bei dieser „Rückverstromung“ immerhin bis zu 45 Prozent der ursprünglichen Energie genutzt. „Das ist zwar schlechter als bei einem Pumpspeicherkraftwerk, aber immer noch besser, als Windräder wegen fehlendem Bedarf abzuschalten“, meint Waidhas.

Bei der Rückverstromung stehen die Forscher jedoch noch vor einer Herausforderung: Derzeit gibt es keine Gasturbinen, die mit reinem Wasserstoff betrieben werden können – die Flamme hätte eine Temperatur von rund 3.000 Grad Celsius und würde die Schaufelblätter zum Schmelzen bringen. „Technisch möglich ist derzeit ein Wasserstoffanteil von 40 bis 50 Prozent, den man herkömmliches Erdgas beimischen könnte“, rechnet Waidhas vor. „Allerdings könnte man Teile des entstehenden Wasserdampfs in die Brennkammer zurückführen, um unterhalb der kritischen Temperatur zu bleiben.“ Siemens-Forscher in Moskau arbeiten intensiv daran, den Traum von einer effizienten Wasserstoff-Turbine wahr werden zu lassen (Pictures of the Future, Herbst 2009, Zündende Ideen).

Heutige Turbinen lassen sich hingegen problemlos mit Methan betreiben, das wiederum mit Hilfe eines Katalysators aus Wasserstoff und Kohlendioxid hergestellt werden kann. Forscher des Stuttgarter Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden- Württemberg und des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik in Kassel haben mit dem österreichischen Unternehmen Solar Fuel Technology eine Pilotanlage gebaut, in der Wasserstoff mit einem Wirkungsgrad von rund 80 Prozent „methanisiert“ wird. Sobald die Methanisierung im industriellen Maßstab zur Verfügung steht, könnte das synthetische Erdgas in den vorhandenen deutschen Erdgasspeichern zwischengelagert werden: In die Leitungen und Kavernen passt eine Gasmenge mit einem Energiegehalt von mehr als 200 Terawattstunden – das ist deutlich mehr als die Kapazität aller deutschen Pumpspeicherkraftwerke (0,04 TWh) und entspricht etwa einem Drittel des jährlichen Bruttostromverbrauchs in Deutschland. Neben der Rückverstromung in Turbinen käme dank der Methanisierung zudem die Verbrennung in Erdgasautos und Erdgasheizungen in Betracht.

Der Einsatz von Wasserstoff ist auch deshalb so attraktiv, weil das Gas als Grundstoff für viele Verfahren der chemischen Industrie dient – von der Halbleiterproduktion bis zur Härtung von Margarine. „Heute werden mehr als 95 Prozent des Weltjahresbedarfs an Wasserstoff aus Erdgas gewonnen“, erklärt Chemiker Waidhas. „Bei der Dampfreformierung reagiert der Kohlenwasserstoff bei hohem Druck und hohen Temperaturen mit Wasser, wobei Kohlenmonoxid und Wasserstoff entstehen.“ Dank der Elektrolyse tut sich hier eine Alternative auf: Wasserstoff aus Öko-Strom könnte künftig per Pipeline zu den Zentren der chemischen Industrie strömen und dort als Ausgangsstoff für die Produktion dienen. Der wertvolle Rohstoff Erdgas würde geschont, und bei dieser Methode der Wasserstoff-Produktion entstünden auch keine CO2-Emissionen.

Elektrolyseur im Labor. Zuvor müssen Waidhas und seine Kollegen aber die Elektrolyseure noch so weiterentwickeln, dass sie im industriellen Maßstab eingesetzt werden können. Im Erlanger Labor von Siemens Corporate Technology lässt sich der aktuelle Stand der Technik begutachten: In einem Metallgestell arbeitet völlig lautlos die neueste Generation der Siemens-Elektrolyseure – zwei würfelförmige Konstruktionen aus Edelstahl, zusammengehalten von starken Schrauben. Schwarze Hochdruckleitungen verlassen die silbrigen Blöcke rechts und links: Sie transportieren das entstandene Wasserstoff- und Sauerstoffgas mit einem Druck von bis zu 50 bar zu Tanks. Filigrane Kabel führen senkrecht aus den Geräten heraus und leiten die Temperatur-Messwerte aus dem Inneren an die benachbarte Steuerung.

„Die neue Anlage arbeitet seit einigen Monaten im Dauerbetrieb, ihre Vorgängerin läuft sogar schon seit 2006“, berichtet Waidhas zufrieden. „Derzeit optimieren wir Betriebsparameter wie die Stromdichte und qualifizieren Komponenten wie etwa die Membranen.“ Denn im Gegensatz zum Schulversuch mit zwei Drähten in einem Glas Wasser sind die Industrie- Elektrolyseure recht komplex aufgebaut und erfordern Bauteile mit ganz speziellen Eigenschaften: Zwei Platten aus Edelstahl bilden die Front und die Rückseite der Geräte – sie sorgen dafür, dass kein Gas austritt und transportieren den Strom ins Innere. Zwischen ihnen sind wie in einem Sandwich die Zellen untergebracht, in denen das Wasser zerlegt wird.

Eine Teflon-ähnliche Membran in der Mitte jeder Zelle trennt die Bereiche, in denen Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. Auf ihrer Vorder- und Rückseite sind Elektroden aus Edelmetall aufgebracht, die mit dem Plus- und Minuspol der Spannungsquelle verbunden sind. „Hier findet die Wasserspaltung statt“, erklärt Waidhas. „Darum müssen die Elektroden eine möglichst große Oberfläche haben, was hohen Umsatz garantiert.“ Wichtig ist auch, dass Strom und Wasser großflächig an den Elektroden ankommen – dafür sorgen Stromkollektoren aus porösem Sintermetall, die die Elektroden umgeben und auch das entstehende Gas einsammeln und nach oben abtransportieren.

Die neuen Membran-Elektrolyseure von Siemens haben einige Vorteile gegenüber ihren etablierten Kollegen, in denen Kalilauge die Elektroden trennt. „Diese sind zwar Stand der Technik, reagieren aber nur im Minutenbereich auf ein veränderliches Stromangebot“, erklärt Waidhas. „Die Membran-Variante schafft das in Millisekunden.“ Außerdem können die neuen Elektrolyseure kurzfristig mit dem maximal drei - fachen Wert ihrer Nennleistung überlastet werden und bei einem hohen Wasserstoff-Druck von 50 bis 100 bar arbeiten – das senkt die Kosten und erhöht die Ausbeute der Anlagen.

Begehrtes Gas. Bis 2012 wollen Waidhas und seine Kollegen einen Demonstrator aufbauen, der in einen Container passt und vor Ort bei potenziellen Kunden arbeiten kann: „Dann brauchen wir nur noch einen Wasser- und einen Stromanschluss. Der neue Elektrolyseur wird maximal 300 Kilowatt elektrische Leistung aufnehmen können – unser heutiger Versuchsträger schafft bis zu 30 Kilowatt.“ Pro 100 Kilowatt liefern die Elektrolyseure jede Stunde rund zwei Kilogramm Wasserstoff. Erste Interessenten für die Geräte gibt es bereits: Gemeinsam mit Bayer, RWE und zehn Partnern aus der Wissenschaft arbeitet Siemens im Projekt „CO2RRECT“ mit, bei dem es um die Nutzung von Kohlendioxid geht, zum Beispiel zur Produktion von chemischen Grundstoffen bis hin zu Kunststoffen. Wasserstoff aus regenerativen Quellen wird dabei als Rohstoff gebraucht, und der geplante Demonstrator soll das begehrte Gas liefern.

Mit einer ersten kommerziellen Anlage rechnet Waidhas im Jahr 2014: „Sie wird eine Leistung im einstelligen Megawatt-Bereich haben und könnte beispielsweise von einem regionalen Stromversorger eingesetzt werden, um überschüssigen Strom aus einem oder zwei Windrädern beziehungsweise Photovoltaik- Anlagen aufzunehmen.“ Langfristig sieht er einen enormen Markt für die Technik: „Würden nur zehn Prozent der weltweit erzeugten Windenergie mittels Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt, entspräche dies einer Speicherung von mehreren Terawattstunden Energie pro Jahr – das sind gigantische Zahlen.“ Neben Windparks könnten dann Groß-Elektrolyseure mit einer Leistung von 100 Megawatt stehen und den universellen Energieträger Wasserstoff liefern.