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Speicher • Die

Speicher • Die Effizient des elektrochemischen Energiespeichers Redox-Flow liegt zellintern bei hervorragenden 90 %. Eine Redox-Flow-Batterie wandelt die gewonnene Energie in sogenannten Stacks in chemische Energie um und macht sie auf diese Weise speicherfähig in Elektrolyten bei hohem Wirkungsgrad und hoher Betriebssicherheit misch gespeicherte Energie als elektrischen Strom abgeben. Oft sind es Kombinationen aus festen Anoden/ Kathoden und einem flüssigen Elektrolyten. Bei Akkumulatoren ist der chemische Umwandlungsprozess umkehrbar, allerdings ist der Anzahl dieser Zyklen eine deutliche Grenze gesetzt. In Bleibatterien bilden sich Ablagerungen und die Porosität (zur Verfügung stehende Plattenoberfläche) verringert sich. In Lithium-Ionen- Batterien durchdringen z.B. Dendriten langfristig den Separator und zerstören so die Zelle. Bei der Redox-Flow-Batterie dagegen sind beide Partner für die elektrochemische Reaktion in den heute gängigen Varianten flüssig. Positiv und negativ geladene Elektrolyte strömen an einer Membran vorbei, die keinen direkten Kontakt zulässt, aber für Ionen leitfähig ist. Beim Entladevorgang wird die Flüssigkeit auf der positiv geladenen Seite oxidiert und auf der negativ geladenen Seite reduziert – daher auch der Name Redox- Flow. Die in der negativen Halbzelle freiwerdenden Elektronen wandern durch die ionenleitende Membrane zur positiven Halbzelle (interner Stromfluss), was im externen Kreis zu einem elektrischen Stromfluss führt. Speist man eine Redox-Flow Batterie mit Strom (Aufladevorgang), dreht sich die chemische Reaktion um, sie wird zum Speicher für elektrische Energie. Der Aufbau ähnelt stark der einer Brennstoffzelle. Mehrere einzelne Zellen sind miteinander in einem Stapel (Stack) miteinander verbunden. Dadurch wird die wirksame Oberfläche der Ionenaustauscher-Membrane sehr kompakt stark vergrößert und durch Reihenschaltung eine höhere Spannung erreicht. Gängige Versionen von Redox-Flow- Batterien arbeiten mit flüssigen vanadiumbasierenden Elektrolyten (Vanadium-Redox-Flow, VRF) oder auch mit Brom-Zink und Natriumbromid. Entwicklungen werden u.a. in Richtung polymerbasierende Batteriezellen mit Kochsalzlösung (JenaBatteries) oder nichtwässrige und/oder alkalische, nichtmetallische Reaktionspartner vorangetrieben. Aber auch die Semit Solid Fuel Cell (SSFC) auf Lithiumbasis (Lithium-Redox-Flow-Batterie) hat eine Chance, da sie eine deutlich höhere Energiedichte verspricht. Die Vorteile der Redox-Flow-Technologie: • Da die Membrane beim Laden und Entladen nicht aufgebraucht wird und sich auch keine Ablagerungen bilden, kann der Vorgang beliebig oft wiederholt werden. Zyklenzahlen jenseits der 10.000 wurden schon erzielt. • nahezu unbegrenzte Skalierbarkeit; theoretisch wird die Speicherkapazität nur begrenzt durch die Menge an Elektrolyt, das in Tanks vorgehalten wird. Damit sind sogar grundlastfähige Speicher denkbar. • Überschüssiger Strom aus regenerativen Energiequellen kann mit Redow-Flow-Technologie leicht in chemisch gebundene Energie überführt werden. Diese ist mit Tankwagen transportabel (ähnlich dem Prinzip des Elektrolyseurs zur Erzeugung von Wasserstoff und der örtlich davon getrennt aufgestellten Brennstoffzelle, die mit Wasserstoff wieder Strom erzeugt) und könnte an „Tankstellen“ zum Aufladen einer Redox-Flow-Batterie genutzt werden. • Da die Elektrolyte in zwei getrennten Tanks aufbewahrt und erst bei Bedarf an der Membrane zusammengeführt werden, gibt es auch keine Selbstentladung oder die Gefahr plötzlicher, unkontrollierter Energieabgabe (z.B. Thermal Runaway bei LiIon-Batterien). • Leistung und Kapazität sind weitgehend frei skalierbar und können an den Einsatz als Speicher für Solarenergie in Hausbereich genauso wie für Stromspeicher im landesweiten Stromnetz angepasst werden. Der Gesamtwirkungsgrad reduziert sich durch die Pumpen, den Umrichter und die Überwachsungselektronik bis zum Einspeisepunkt jedoch auf etwa 70 %, ein immer noch sehr guter Wert. Weitaus problematischer ist jedoch, dass vanadiumbasierende Lösungen etwa zu einer irreversiblen Degration bei höheren Temperaturen neigen und die Elektrolyte im Störfall akut toxisch sind. Es gibt auch noch keine kostengünstige Serienfertigung. Zudem sind die verwendeten Materialien für Membrane und Bipolarplatten vergleichsweise teuer und die Leistungsdichte (30...150 Wh/kg) ist noch nicht ausreichend hoch. Vor allem ist jedoch bislang noch nicht absehbar, welche chemische Kombination bis hin zu hybriden Feststoff-Redox-Flow- Batterien in Zukunft vorrangig weiterentwickelt wird. Konzept # 5: Flexibilisierte Biogasanlagen Ungefähr 8000 normale Biogasanlagen sind in Deutschland vorhanden und tragen zu 1/3 der Wärmegewinnung bei. Diese Anlagen sind zumindest rein technisch gut planbar, arbeiten zuverlässig, unabhängig und kontinuierlich – und können sogar Versorgungslücken auf füllen („grundlastfähig“). Durch flexible Betriebsweise wird eine solche Anlage noch stärker Teil des zukünftigen erneuerbaren Energie-Mixes: Die Idee ist, dass man das Biogas in einem großen Gasspeicher speichert und in Spitzenzeiten nutzt. Das Biogas-Heizkraftwerk ruht nun während der Zeit hohen Angebots aus Wind und Sonne, um zu Zeiten höheren Bedarfs zusätzliche Leistung einzuspeisen. Es wird also zusätzliche (flexible) Kapazität geschaffen, die dann genutzt werden kann, wenn der Bedarf hoch ist. Der Umstieg erfordert neue Investitionen in zusätzliche BHKW (Blockheizkraftwerke) und Speicher. Leistungsverdopplung lohnt sich lt. Studien nicht besonders, besser ist es, das Drei- bis Fünffache der bisherigen Leistung an der Bestandsanlage vorzusehen, um nur noch an wenigen Stunden des Tages Strom einzuspeisen. Mit diesen BHKW haben Biogas- 12 Haus und Elektronik 1/2020

Speicher Demonstrations-Power-to-Gas-Anlage in einem spanischen Windpark (Quelle: Wikipedia) anlagen eine Betriebsperspektive jenseits der bisherigen EEG-Förderung. Die Investition beschränkt sich aber nicht nur auf das BHKW. In der Regel muss ein BImSch-Antrag gestellt werden. Viele Aspekte, wie Fundament, Container oder Trafo, müssen professionell geplant und mitfinanziert werden. Vom Netzbetreiber verlangt man ein Anlagenzertifikat und eine Bestätigung der flexiblen Leistung durch einen Gutachter. Dennoch bleibt meist noch etwas übrig. Der Grund: Jedes Kilowatt zusätzliche Leistung kostet umso weniger, je größer das BHKW ist. Wichtig weiterhin: Der Speicherbedarf wächst nicht proportional mit der BHKW-Leistung, sondern allenfalls mit der täglich längsten Ruhezeit. Und: Die Kosten von Wärmespeichern nehmen mit der Größe drastisch ab. Wärmespeicher funktionieren einfach, bestehen im Grunde nur aus einem Wassertank mit sehr guter Wärmedämmung und einer sinnreichen Anordnung von Warmwasserleitungen, die eine thermische Schichtung innerhalb des Pufferspeichers ermöglichen. Der Bau von Wärmepuffern zur Nutzung regenerativer Energien in Wärmenetzen wird mit 30 % Zuschuss belohnt. Häufig ist der Wärmebedarf „flexibel“, wenn z.B. in ein großes Wärmenetz eingespeist wird. Dann kann in kalten Zeiten der ergänzende Kessel mehr Arbeit übernehmen, wenn das BHKW ruht. In Zeiten hoher Strompreise speist das BHKW mehr Wärme ein, der Kessel wird nicht genutzt. In wärmeren Zeiten genügt hingegen ein kleinerer Pufferspeicher. Punktum: Die Flexibilisierung ist für Betreiber eine gute Gelegenheit, zu überdenken, ob die Wärme schon den maximalen Beitrag zu den Erträgen aus der Biogasanlage leistet. Einfach zu überblicken ist die Problematik leider nicht, man muss sich einarbeiten und versuchen, Erfahrungen Anderer zu nutzen. Konzept # 6: Power to Gas Dieses Power-to-X-Konzept ist sehr umstritten, die Reaktionen reichen von Begeisterung bis zu völliger Ablehnung wegen vermeintlicher Unüberwindlichkeit der Nachteile. Die dahinter stehende Technologie ist weniger kompliziert als vielleicht zunächst vermutet. Sie ist sehr vielseitig einsetzbar, aber der Wirkungsgrad ist eher gering. Aber wenn man bedenkt, dass die eingesetzte Energie aus der Sonne stammt, ist auch eine relativ geringe Ausbeute sinnvoll. Bei Power-to-Gas wird mittels Wasserelektrolyse (und ggf. nachgeschalteter Methanisierung) unter Einsatz elektrischen Stroms ein Brenngas hergestellt, das sich speichern und für verschiedene Zwecke verwenden lässt. So kann es in Form von Powerto-Fuel im Verkehrswesen genutzt werden (insbesondere als Treibstoff für Schiffe und Flugzeuge), kann als chemischer Rohstoff dienen (Powerto-Chemicals) oder zur späteren Rückverstromung in Gaskraftwerken in der Gasinfrastruktur zwischengespeichert werden. Daneben existieren auch Konzepte für integrierte Speicherkraftwerke auf Basis von reversiblen Brennstoffzellen, die deutlich höhere Gesamtwirkungsgrade versprechen als existierende Power-to- Gas-Speicherprozesse. Power-to-Gas hat den Ruf eines saisonalen Langfristspeichers mit niedrigem Wirkungsgrad. Daher will man diese Technologie erst dann umsetzen, wenn der Anteil der Erneuerbaren Energien am Strommix ungefähr 70 % erreicht hat. Energiewirtschaftlich und ökologisch sinnvoll ist die Nutzung der Power-to-Gas-Technologie nur, wenn für die Herstellung Stromüberschüsse aus Erneuerbaren Energien verwendet werden. Dennoch meinen die Autoren: dieses Konzept wird in Zukunft stark kommen. Denn nur so werden wir Brennstoffzellen zum Laufen bringen. Und der Wirkungsgrad ist nicht schlecht, wenn man ihn mit einem Kohlekraftwerk vergleicht. Konzept # 7: Kältespeicher Kältespeicher, z.B. Eisspeicher, als Energiespeicher – wie geht das denn? Nun, man nutzt dabei die Energie, die beim Aggregatswechsel von Wasser entsteht: Während der Heizperiode wird dem Wasser mittels einer Wärmepumpe seine Wärme entzogen. Sinkt dabei die Temperatur im Speicher auf den Gefrierpunkt, so wird die Vereisung des Wassers zur weiteren Wärmegewinnung genutzt. Physikalischer Hintergrund: Beim Aggregatwechsel von Wasser zu Eis wird sogenannte Kristallisationsenergie frei. Diese entspricht bei der für Einfamilienhäuser üblichen Speichergröße von zwölf Kubikmetern dem Energiegehalt von 120 Litern Heizöl. Den nutzt man im Winter zum Heizen. Im Sommer indes wechselt das System vom Heiz- in den Kühlbetrieb, das heißt, dem Eis wird die Kälte entzogen. Damit kühlt man jedoch nicht die Umgebung des Hauses. Sondern die aus dem Gebäude gewissermaßen verdrängte Wärme wird nun dem unterirdischen Eisspeicher zugeführt, sodass sich das Eis im Laufe der Zeit immer mehr erwärmt und auftaut. Das System regeneriert sich somit von selbst und ist bereit für die kommende Heizperiode. Ein Eisspeicher ist somit eine Sonderform eines Latentwärmespeichers mit Wasser als „Phasenwechselmaterial“. Ein Latentwärmespeicher (auch Phasenwechselspeicher oder Phase- Change-Material-Speicher, kurz PCM-Speicher) ist ein spezieller Typ von Wärmespeicher, der einen Großteil der ihm zugeführten thermischen Energie in Form von latenter Wärme (z.B. für einen Phasenwechsel von „fest“ zu „flüssig“) speichert. Haus und Elektronik 1/2020 13 Fazit Die Märkte für stationäre Energiespeicherung werden im Zuge der Energiewende deutlich wachsen und erfordern noch energieeffizientere und leistungsfähigere Speichertechnologien als bisher im Einsatz. Derzeit bestimmen Lithium-Ionen-Batterien das Bild, denn sie sind leicht, kompakt und bieten eine hervorragende Energie- und Leistungsdichte. Doch weitere Energiespeicher-Konzepte könnten relevant für die Zukunft zu sein. Es bleibt anzuwarten, wann und in welchem Maße sie dem etablierten Elektroenergiespeicher Konkurrenz machen können, sodass sich auf dem Markt eine Mischung von Konzepten einstellt, was insgesamt einen Fortschritt in Richtung Optimierung darstellen würde. FS Verlagerung der sommerlichen Biogasproduktion auf den Winter, Beispielanlage Jühnde (Quelle: Flexibilisierung von Biogasanlagen, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. 2018)

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