Speicher für Energie : Strom auf Vorrat

Vor dem laufenden Fernseher sitzt gerade niemand, im Nachbarzimmer aber bügelt an diesem trüben Herbstabend ein Elternteil im hellen Licht der Energiesparlampe. Der andere schiebt das Abendessen in die Mikrowelle, ein Kind sitzt vor dem Computerspiel, und die andere Hälfte des Nachwuchses hat wie immer um diese Zeit das Handy am Ohr. Elektrischer Strom ist zumindest in den reichen Gegenden der Erde aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. „Eine ,all electrical society‘ entwickelt sich“, analysiert der Sprecher des Innovationszentrums Energie der Technischen Universität Berlin Frank Behrendt. Allerdings hat dieser Energieträger auch einen großen Nachteil: „Elektrizität ist sehr flüchtig!“

Anders als Sprit im Tank eines Autos oder Heizöl im Keller lässt sich Strom also nicht lagern.

Oder nur in kleinen Mengen. Jedenfalls ist der Akku eines Laptops ziemlich schnell leer. Deshalb stöpselt man das Gerät wo immer möglich in eine Steckdose. Aber auch im Verbundnetz der Stromversorger ist Elektrizität extrem flüchtig: Genau genommen sollte sie gleich nach Erzeugung auch wieder verbraucht werden. Da der Stromverbrauch aber abhängig von der Tageszeit und aktuellen Ereignissen wie großen Sportturnieren stark schwankt, müssen die Stromversorger jederzeit Elektrizitätsquellen haben, die sie bei steigendem Bedarf rasch zuschalten können. Schalten die Verbraucher dann ihre Geräte wieder aus, muss der Versorger diese Kraftwerke genauso schnell wieder vom Netz nehmen.

Dummerweise aber kann man viele Kraftwerke nicht mal schnell zur Halbzeitpause eines Fußballspiels hochfahren, weil überall im Land eine Pizza als Pausensnack in die Mikrowelle geschoben wird. Kohle- und Kernkraftwerke brauchen jedenfalls einige Stunden, bis sie in Aktion treten können.

Noch schwieriger wird die Situation, wenn etwa Windenergie einen Großteil des Strombedarfs ins Netz einspeist. So entstehen weit draußen vor der Nordseeküste riesige Windenergieparks, weil dort der Wind nicht nur kräftiger, sondern auch stetiger als im Binnenland weht. Bei Flaute aber liefern diese Anlagen keine Elektrizität und beginnen erst bei Windgeschwindigkeiten ab ungefähr zehn Kilometern in der Stunde Strom zu produzieren. Bei rund 50 Stundenkilometern Wind bringen sie dann ihre Nennleistung, die moderne Windräder auch bei Sturm halten können.

Versorger brauchen daher Speicher, die Windstrom bunkern, wenn gerade der Wind kräftig weht, aber das Land wenig Energie braucht. Schalten die Menschen dagegen ihre Mikrowellengeräte an und starten die Computer in den Büroräumen, während der Wind eingeschlafen ist, muss die gespeicherte Energie rasch wieder als Strom ins Netz fließen. Viel Auswahlmöglichkeit bei solchen Speichern aber gibt es nicht.

REDOX FLOW CELLS

Würden Stromversorger vorübergehend überflüssigen Strom in Akkumulatoren zwischenlagern, wäre das schlicht zu teuer. Jeder Autofahrer wird diese Überlegung bestätigen, wenn er an den Preis für eine Starterbatterie denkt, die im Winter sehr schnell leer georgelt ist. Was für Auto, Handy, Laptop und Taschenlampe gut ist, taugt noch lange nicht für die Großtechnik.

Es gibt aber durchaus Akkus, die größere Energiemengen preiswert speichern können. Kristina Bognar von der Technischen Universität Berlin nennt zum Beispiel die Redox Flow Cell. Diese Technik wurde an der University of New South Wales in Australien entwickelt und funktioniert nicht viel anders als herkömmliche Akkus. So fließen in der Bleibatterie im Auto Elektronen vom Blei am Minuspol zum Bleidioxid am Pluspol, wenn dieser Akku den Anlasser anwirft. Lädt dagegen die Lichtmaschine die Bleibatterie auf, fließen die Elektronen in die entgegengesetzte Richtung.

Im Prinzip fließen die Elektronen und damit der elektrische Strom in einer Redox Flow Cell genauso. Allerdings tun sie das nicht zwischen zwei Feststoffen, sondern zwischen zwei Lösungen. Eine dieser Flüssigkeiten besteht zum Beispiel aus verdünnter Schwefelsäure, in der Vanadium(II)- und Vanadium(III)-Ionen schwimmen. In der anderen Hälfte der Zelle enthält die verdünnte Schwefelsäure dagegen Vanadium(IV)- und Vanadium(V)-Ionen.

Der Clou an der Redox Flow Cell, die auch mit anderen Ionenmischungen funktioniert, sind eben diese Lösungen. Solche Flüssigkeiten können getrennt voneinander in Tanks gelagert werden. Erst beim Laden oder Entladen fließen die Lösungen dann langsam durch die Zelle.

Durch diese Trennung von Speicher und Stromproduktion können große Energiemengen aufbewahrt werden, indem sie in entsprechend große Tanks gefüllt werden, die relativ preiswert hergestellt werden können. Die Zellen, die dann elektrischen Strom liefern oder ihn in Form von Ionenlösungen speichern, bleiben dagegen klein und handlich.

Die Redox Flow Cell ist aber nicht nur preiswerter als herkömmliche Akkus, sondern lässt sich auch öfter laden und wieder entladen als eine Bleibatterie. Sie muss also viel seltener erneuert werden; auch das macht diese Alternative preiswert.

In einer japanischen Windkraftanlage liefert eine solche Zelle bereits eine Leistung von sechs Megawatt. Das ist ungefähr die Leistung der stärksten Windräder, die kommerziell auf dem Markt sind. Da die Redox Flow Cell zehn Stunden lang diese Energie liefern kann, kann sie genauso lang eine Flaute überbrücken und ist so eine starke Alternative zu anderen Stromspeichern.

PUMPSPEICHERKRAFTWERKE

Auch das Angebot von Solarenergie schwankt erheblich: Nachts liefern die Solarzellen und Sonnentürme gar keinen Strom, tagsüber verringern Nebel, Dunst und Wolken den Ertrag oder bringt strahlend blauer Himmel besonders viel Strom. Die tiefstehende Sonne liefert im Winter natürlich viel weniger Energie als das im Sommer beinahe vom Zenit brennende Zentralgestirn. Ausgerechnet im Winter aber steigt der Stromverbrauch und an Regentagen sitzen viel mehr Menschen vor dem Fernseher oder Computer als bei Ausflugswetter.

Auch wenn Solartürme und Photovoltaik einen kräftigen Anteil der Stromversorgung übernehmen, müssen große Speicher für Elektrizität die häufig auftretenden Diskrepanzen zwischen Angebot und Nachfrage puffern. Bisher stützt sich die Wirtschaft da vor allem auf sogenannte Pumpspeicherwerke. Im Grunde handelt es sich dabei um Stauseen, in die überschüssiger Strom zum Beispiel in der Nacht Wasser pumpt, wenn Kohlekraftwerke weiter Strom liefern, aber die Verbraucher schlafen. Wird dann tagsüber mehr Strom benötigt, als die normalen Kraftwerke liefern, schießt das Wasser wieder in die Tiefe und treibt über Turbinen Generatoren an. Diese liefern knapp 80 Prozent der Elektrizität, die vorher zum Hochpumpen des Wassers eingesetzt wurde. Allein in Deutschland gibt es 33 solcher großen Pumpspeicherwerke, die mit mehr als 6600 Megawatt die Leistung von fünf großen Kernkraftwerken haben.

Zwei große Vorteile hat die Methode, Elektrizität als hochgepumptes Wasser zu speichern: Der Wirkungsgrad von knapp 80 Prozent wieder gewonnener Energie ist hervorragend und Pumpspeicherwerke können innerhalb von Minuten volle Leistung bringen. Andererseits hängt die Speicherkapazität vor allem von der gespeicherten Wassermenge und dem Höhenunterschied zwischen Wasserspiegel und Turbine ab. Mangels größerer Höhenunterschiede fallen Pumpspeicherwerke daher im größten Teil der norddeutschen Tiefebene im Wortsinn flach. Aber auch in den Mittel- und Hochgebirgsregionen Europas sind die Möglichkeiten ziemlich ausgereizt, weil an den guten Standorten längst Speicherkraftwerke gebaut wurden. Obendrein zerstört jeder neue Stausee Natur und Kultur unter seinem Wasserspiegel, neue Anlagen dürften also kaum dazu kommen.

Die vorhandenen Pumpspeicherwerke in Deutschland aber sind mit dem Ausgleichen der Nachfrageschwankungen bei annähernd gleichbleibender Stromproduktion aus Kohlekraftwerken bereits ausgelastet. Zusätzliche Speichermöglichkeiten für Wind - und Solarenergie könnten daher nur bestehende Kraftwerke zum Beispiel in Norwegen bieten. Bezahlen könnte man diese Leistung dann mit Strom aus Windparks.

DEZENTRALE SPEICHER UND INTELLIGENTES NETZ

Heute und wohl auch in einiger Zukunft sind Akkumulatoren einfach zu teuer, um in ihnen momentan überschüssigen Strom für eine spätere Verwendung zu speichern. Zumindest gilt das für Akkus, die eigens für diesen Zweck angeschafft werden.

Ganz anders sieht die Situation aus, wenn Akkumulatoren ohnehin da sind, weil sie zum Beispiel den Strom für den Elektroantrieb eines Autos speichern. Fahren erst einmal ein paar Millionen solcher Elektromobile auf den Straßen eines Landes, können deren Akkus nachts in der Garage geladen werden, wenn Windkraftwerke mehr Strom liefern, als momentan gebraucht wird. Am Morgen fährt der Besitzer dann mit dem Elektromobil zur Arbeit und stellt es auf einem Parkplatz mit Stromanschluss ab. Tagsüber speisen die Autobatterien dann in Spitzenzeiten oder eben bei Flauten den dringend benötigten Strom ins Netz. Damit für die Fahrt nach der Arbeit nach Hause noch genug Saft in der Batterie ist, kann ein minimaler Ladezustand eingestellt werden, der nicht unterschritten werden darf.

Weil die teuren Akkus durch häufigeres Laden und Entladen auch schneller altern, erhalten die Teilnehmer an einem solchen Verbund einen kräftigen Rabatt auf den Strompreis. Erste Studien für diesen Verbund laufen bereits. Bis genug Elektromobile auf den Straßen rollen, können zum Beispiel auch Wärmepumpen oder Waschmaschinen und Trockner so gesteuert werden, dass sie vor allem in Schwachlastzeiten Strom ziehen, in Spitzenzeiten könnten dann Blockheizkraftwerke in Mehrfamilienhäusern zusätzliche Elektrizität liefern.

Diese Idee ist gar nicht so neu: Schon vor Jahrzehnten boten Stromversorger an, in Zeiten mit niedrigem Verbrauch weniger für die Kilowattstunde zu bezahlen. Allerdings wurden die Zeiten vorher zum Beispiel auf 22 bis sechs Uhr starr festgelegt, zu denen eine Zeitschaltuhr dann die Nachtspeicherheizung oder die Waschmaschine in Betrieb nahm. Im Zeitalter der preiswerten Kleinstelektronik können die Versorger dagegen ein intelligentes Stromnetz entwickeln, das solche Verbraucher flexibel steuert. Dieses „Smart Grid“ kann dann auch berücksichtigen, wenn ein vielbeachtetes Fußballspiel in die Verlängerung geht oder eine Gewitterfront die Wochenendausflüge vorzeitig beendet.

WASSERSTOFF

Im Prinzip könnte man mit überschüssigem Strom auch Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Die Lagerung des extrem flüchtigen Wasserstoffs ist allerdings schwierig: Entweder er wird verflüssigt oder unter Druck gelagert. Beides kostet Energie. Soll er wieder Strom liefern, wird der Wasserstoff in Brennstoffzellen mit dem Sauerstoff der Luft wieder zu Wasser umgesetzt. Mickrige 25 Prozent Wirkungsgrad bringt diese Methode am Ende – ein effektiver Stromspeicher sollte anders aussehen.

Besser wäre es da sicherlich, den überschüssigen Strom zwar zur Wasserstoffproduktion einzusetzen. Dieses energiereiche Gas aber sollte dann nicht wieder verstromt werden, sondern könnte über Brennstoffzellen oder Wasserstoffmotoren Autos und Schiffe antreiben und klimaschädliches Benzin oder Diesel ersetzen. Solche Fahrzeuge laufen längst im Probebetrieb. Obendrein könnte man überschüssigen Windstrom auch zur Produktion von Methanol einsetzen. Diese Flüssigkeit kann ebenfalls Verbrennungsmotoren antreiben, lässt sich aber erheblich einfacher als Wasserstoff handhaben.