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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Die Zukunft der Energie

Ein Schlüssel zur Dekarbonisierung

Die ersten Tests überstanden? Siemens-Forscher Erhard Magori prüft eine neue Elektrolyse-Zelle nach dem ersten Betrieb.

Speichertechnologien sind entscheidend, um die Energiewende und die weltweite Dekarbonisierung zum Erfolg zu machen. Denn je mehr Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energien durch die Leitungen fließt, desto flexibler müssen die Stromnetze werden, damit es nicht zu einem Blackout kommt. Ausgeklügelte Speichertechnologien sind also das Gebot der Stunde. Etwa jene, an denen Forscher von Siemens Corporate Technology derzeit arbeiten.

Wie viel Speichervolumen für eine sichere Stromversorgung unseres Planeten künftig benötigt wird, ist heftig umstritten. Verschiedene Untersuchungen taxieren den Leistungsbedarf, den Speicher in Deutschland für das Jahr 2020 beziehungsweise 2022 abgeben müssen, auf drei bis 30 Gigawatt (GW) und für 2030 auf 13 bis 50 GW, wie die Studie „Energiespeicher“ der Fraunhofer-Institute UMSICHT und IWES zeigt. Zahlen, die sehr weit auseinandergehen, was an komplexen und unterschiedlichen Annahmen der Studien liegt. Eines ist jedoch klar: Speicher werden immer wichtiger. Und das umso mehr, je stärker erneuerbare Energien die Stromerzeugung prägen. Aber warum?

Stromnetze müssen flexibel sein

Wind- und Sonnenstrom entsteht unregelmäßig, abhängig von Wetter und Tageszeit. Je höher sein Anteil am Strommix ist, desto höher die Anforderungen an das Stromnetz. Es muss flexibel auf die schwankende Einspeisung reagieren, denn nur so sind Systemstabilität und Versorgungssicherheit gewährleistet.

Energiespeicher sind eine Lösung, um die Flexibilität im Stromnetz zu erhöhen. Indem sie Strom in Zeiten mit viel Wind und Sonne aufnehmen und ihn in Flautephasen oder bei bedecktem Himmel in das Netz einspeisen, können sie für einen Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch sorgen – und beide zeitlich entkoppeln.

Optimaler Kurzzeitspeicher: SIESTORAGE von Siemens kann bis zu 500 Kilowattstunden mit einem Megawatt Leistung aufnehmen und wieder abgeben.

Kurz- und Langzeitspeicher

„Speicher sind also eine Schlüsseltechnologie, nicht nur für die Energiewende in Deutschland, sondern für die Dekarbonisierung weltweit“, erklärt Karl-Josef Kuhn, Leiter des Innovationsprojekts „Storage Solutions“ bei Siemens Corporate Technology. Um große Strommengen zu speichern, sind in Europa heutzutage insbesondere Pumpspeicherwerke in Betrieb. In Deutschland sind es neun an der Zahl, die rund sieben Gigawatt Leistung abgeben können. Egal, welche Prognosen man zurate zieht – in Zukunft wird das bei Weitem nicht ausreichen.

„Das Ausbaupotenzial von Pumpspeicherkraftwerken ist begrenzt, sodass wir alternative Speichertechnologien für große Strommengen finden müssen“, erklärt Kuhn. Daher haben Siemens und die AES Corporation ein Unternehmen für Energiespeichertechnologien und Service gegründet. Unter dem Namen Fluence bietet es die Energiespeicherplattformen Advancion von AES und Siestorage von Siemens an und entwickelt neue Technologien. Siestorage ist ein modulares System, das Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien mit der Leistungselektronik für den Anschluss ans Stromnetz verbindet. Dieser Lithium-Ionen-Speicher kann bis zu 500 Kilowattstunden mit einem Megawatt Leistung aufnehmen und wieder abgeben. Weitere klassische Kurzzeitspeicher sind Kondensatoren, Schwungradspeicher oder auch Druckluftspeicher.

„Speicher sind eine Schlüsseltechnologie, für die Energiewende in Deutschland und für die Dekarbonisierung weltweit.“

Alternative Langzeitspeicher sind entscheidend

Doch solche Lösungen sind lediglich für das Speichern über kurze Zeiträume wie Minuten oder Stunden geeignet. In einer künftigen Energieinfrastruktur wird es nötig sein, unterschiedliche Möglichkeiten der Speicherung und Energieformen parallel für längere Phasen zu nutzen. Daher erforscht Karl-Josef Kuhn mit seinem Team verschiedene Speicherlösungen, um künftig den Überschuss an regenerativem Strom möglichst lange zu speichern – und so zugleich neue Geschäftsfelder für Siemens zu erschließen. Im Fokus der Forscher stehen dabei Lösungen, die Elektrizität in Energieformen wandeln, die sich gut speichern lassen. Etwa in Wasserstoff oder Chemikalien, wie Ammoniak oder Methanol. 

Power-to-Gas gehört die Zukunft

Bei diesen sogenannten Power-to-Gas-Technologien werden Wasser und Strom mittels Elektrolyse in Wertstoffe umgewandelt. Derzeit erzeugen die Siemens-Experten insbesondere Wasserstoff. Ein erstes erfolgreiches Pilotprojekt ist der Energiepark Mainz, mit bis zu sechs Megawatt die weltweit größte Anlage ihrer Art.

„Neben der Wasserstoffelektrolyse haben wir zwei weitere Anwendungsfelder im Visier“, erklärt Kuhn. „Die Speicherung von Kohlenwasserstoffen und Ammoniak sind die nächsten Stufen.“ Auch die Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie Dechema prognostiziert, dass sich mittelfristig weitere wertvolle Grundstoffe wie Methan erzeugen lassen. Sowohl Wasserstoff als auch Methan können dann beispielsweise im Erdgasnetz gespeichert und für die Wiederverstromung verwendet werden. Und es geht weiter: Siemens-Experten tüfteln auch an der Wandlung in Form von CO2-freien Kraftstoffen wie Methanol.

Daneben arbeiten die Speicherexperten an thermischen und mechanischen Speichern sowie an Druckluftsystemen, die elektrische Energie in Form von verdichteter Luft speichern. „Entscheidend für ein Gelingen der Energiewende ist aber nicht die eine Technologie, sondern vielmehr der Verbund verschiedener Lösungen, um auch in Zukunft die Stabilität der weltweiten Stromversorgung zu garantieren“, erklärt Kuhn. „Denn nur so haben wir eine Chance, unseren Planeten wirklich CO2-frei zu machen.“

Ulrich Kreutzer