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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Smart Grids und Energiespeicher

Wohin mit dem ganzen Öko-Strom?

Oftmals produzieren Windräder mehr Energie als gerade benötigt wird. Damit diese Energie nicht verloren geht, hat sich ein großes Expertenteam bei Siemens Corporate Technology auf diese Herausforderung spezialisiert. Deren Aufgabe ist es, neue Technologien zu entwickeln, die riesige Mengen Strom wirtschaftlich wandeln und speichern können.

Keine fossilen Brennstoffe für Strom- und Wärmeerzeugung und trotzdem genügend Energie an jedem Ort zu jedem Zeitpunkt. Das sind, knapp gefasst, die Ziele der Energiewende. Effiziente Techniken von Siemens, Öko-Strom zu speichern und in andere Energieformen zu wandeln, sollen das Jahrhundertvorhaben voranbringen.

Die gute Nachricht gleich zu Anfang: Es gibt ausreichend Energie aus erneuerbaren Quellen, um die Menschheit auch in Zukunft zu versorgen. Schon heute produzieren Photovoltaikanlagen und Windräder sogar oft mehr Strom, als gerade benötigt wird. Trotzdem: Die Energiewende – also eine flächendeckende Versorgung mit Strom und Wärme nahezu ohne fossile Brennstoffe – ist deshalb noch lange nicht geschafft. „Die Energiewende ist eine sehr komplexe Herausforderung mit vielen Facetten“, sagt Professor Armin Schnettler, Leiter der Abteilung Research in Energy & Electronics von Siemens Corporate Technology. „Ein zentrales Forschungsthema dabei sind neue Technologien, Strom zu wandeln und zu speichern. Diese stellen sicher, dass genügend Energie zur Verfügung steht, auch wenn Solar- und Windkraftanlagen gerade keinen Strom erzeugen.“

Denn je größer der Anteil erneuerbarer Energien wie Sonnen- oder Windkraft am Energiemix wird, desto größer werden die Schwankungen in der Stromerzeugung – je nach Wetterlage minütlich, stündlich, täglich oder saisonal, abhängig von Energiequelle und Region. Zum Ausgleich dieser Schwankungen braucht das Stromnetz daher flexible Stromerzeuger, wie zum Beispiel dezentrale Energiespeicher und Gaskraftwerke. Sie nehmen dann Strom auf, wenn mehr als benötigt erzeugt wird – und geben ihn ab, sobald die Quellen zu wenig liefern.

Die Aufgabe: Energie am richtigen Ort, zur richtigen Zeit und in der erforderlichen Form und Qualität bereitstellen. Energiespeicherung ist ein wichtiger Bestandteil der Wege von der Erzeugung bis zur Nutzung. A, B und C beschreiben schematisch drei solcher Wege.

Bei Siemens Corporate Technology hat sich ein großes Expertenteam auf diese Herausforderung spezialisiert. „Unsere Aufgabe ist es, neue Technologien zu entwickeln, die riesige Mengen Strom wirtschaftlich wandeln und speichern können“, sagt Armin Schnettler.

Dabei denkt der Energieexperte vor allem an Lösungen, die Elektrizität in Energieformen wandeln, die sich gut speichern lassen. Etwa in Wärme, Kälte, Wasserstoff oder andere Chemikalien. „Zwar ist die Entwicklung heutiger Batterielösungen schon weit fortgeschritten, doch sind diese lediglich für das Speichern über kurze Zeiträume wie Minuten oder Stunden geeignet“, beschreibt der Forscher die Notwendigkeit seiner Arbeit. „In einer künftigen Energieinfrastruktur wird es nötig sein, unterschiedliche Möglichkeiten und Energieformen parallel zu nutzen.“

Chemische Rohstoffe – als Energiespeicher ebenso flexibel wie wertvoll

„Vor allem chemische Speicher sind wegen ihrer hohen Energiedichte besonders gut geeignet, um Überschussstrom optimal zu nutzen“, sagt Maximilian Fleischer, der in Armin Schnettlers Abteilung die Entwicklung chemischer Speicher bei Corporate Technology leitet. So arbeiten er und seine Forscher etwa an Elektrolyseverfahren, bei denen sie mittels Öko-Strom gefragte Chemikalien wie Kohlenmonoxid, Ethylen oder Alkohole herstellen.

Ein großer Vorteil dieser Speicherart: Die Elektrolysezelle liefert auch bei schwankender Stromzufuhr gute Ergebnisse. Denn gegenüber Batterien oder Pumpspeichern hat die Elektrolyse den Vorteil, dass sie an Effizienz gewinnt, wenn sie bei geringerer Stromdichte betrieben wird, da hier weniger Energie in Form von Wärme verloren geht. Diese Speichertechnologie ist in mehrfacher Hinsicht gut fürs Klima und bietet Geschäftsmöglichkeiten für Siemens: Sie erleichtert den Ausbau der Stromgewinnung aus erneuerbaren Energiequellen, kann mit Kohlendioxid aus Abgasen gefüttert werden und spart nebenbei das Erdöl ein, aus dem normalerweise Brennstoffe oder Chemikalien hergestellt werden.

Multimodale Energieformen

Doch neben den chemischen Speichern gibt es noch weitere Möglichkeiten, überschüssigen Strom zu speichern. Welche davon im Einzelfall die besten sind, hängt insbesondere davon ab, wofür die Energie in einer Stadt oder Region verwendet wird.

„In einer zukünftigen Energieinfrastruktur wird es zusätzlich nötig sein, unterschiedliche Möglichkeiten und Energieformen parallel zu nutzen, das Schlüsselwort heißt multimodal“, erklärt Armin Schnettler. Diese könnten je nach Standort variieren. In vielen Industrieregionen in Europa etwa stünden Wärme und Mobilität im Vordergrund. Hier dürften sich – neben großen Batterien (power to power) – zunehmend Verfahren etablieren, die elektrische Energie als Wärme (power to heat), als Brennstoff (power to fuel) oder eben in Form von anderen Chemikalien (power to chemicals) speichern.

„Die Möglichkeiten der Energiespeicher sind vielfältig. Und sie zu untersuchen ist einer der faszinierenden Aspekte unserer Arbeit“, schließt Armin Schnettler ab. Wohl wissend, dass erst solche Lösungen die Energiewende und somit eine intelligente und saubere Stromversorgung nicht nur in Deutschland, sondern auch weltweit ermöglichen.

Die verschiedenen Speichertechnologien im Überblick:

Power to Power

Batterien für große Strommengen haben sich in den vergangenen Jahren stark verbessert. Bei Siemens gibt es vielfältige Ansätze – von modularen Batteriespeichern wie Siestorage (Siemens Energy Storage) bis zu revolutionären Systemen für das Energiemanagement wie Caterva, bei dem Haushalte mit Photovoltaikanlagen einen Teil ihres Batteriespeichers als „Stromparkplatz“ vermieten.

Power to Heat

Die Idee, Energie in Form von Wärme zu speichern, ist nicht neu. Schon vor 60 Jahren gab es sogenannte Nachtspeicheröfen, die sich mit preisgünstigem Nachtstrom aufheizten und die Wärme langsam über den Tag verteilt wieder abgaben. Weil Öl- und Gaszentralheizungen weitaus effizienter Wärme erzeugen, kamen Nachtspeicheröfen zwischenzeitlich aus der Mode. Doch mit der Energiewende könnte das Konzept eine Renaissance erleben, wenn die Wärme mit regenerativ produziertem überschüssigem Strom erzeugt wird. Viele dezentrale Anlagen könnten über ein Kommunikationssystem zu einem Schwarm verbunden und so koordiniert werden. Bei Corporate Technology wird derzeit eine Hochtemperatur-Wärmepumpe entwickelt, die in der Lage ist, ganze Stadtteile mit Wärme zu versorgen.

Power to Fuel

Noch dauerhafter – allerdings auch mit größeren Energieverlusten – lässt sich elektrische Energie speichern, wenn durch chemische Synthese Brennstoffe erzeugt werden. So kann man etwa durch Elektrolyse mittels Öko-Strom aus Wasser brennbaren Wasserstoff gewinnen. Aus diesem kann dann später durch Verbrennen Wärme erzeugt werden oder mithilfe einer Brennstoffzelle wieder elektrischer Strom. Kombiniert man Kohlendioxid mit Wasserstoff, so lässt sich daraus Methanol gewinnen, das sich als echter Öko-Treibstoff für Autos etablieren dürfte.

Power to Chemicals

Mit der chemischen Synthese kann aus der überschüssigen elektrischen Energie noch mehr gewonnen werden als Brennstoffe. Auch andere wichtige chemische Rohstoffe könnten so hergestellt werden. Etwa Ammoniak, das zum Beispiel bei der Herstellung von Düngemitteln verwendet wird.

Aenne Barnard und Fenna Bleyl