Speichern und Verteilen

Die Windenergie hat in Deutschland inzwischen einen Anteil von acht Prozent am Stromverbrauch erreicht
Die Windenergie hat in Deutschland inzwischen einen Anteil von acht Prozent am Stromverbrauch erreicht
© Professor Stefan Rahmstorf

Die Frage nach den Quellen von Energie ist nicht die einzige Herausforderung der Zukunft. Denn der erzeugte Strom muss zum Verbraucher gelangen. Auch hier ist die Forschung gefragt – für moderne elektrische Netze, Speicherkapazitäten für unregelmäßig entstehenden Strom aus Sonne, Wasser oder Wind und Akkus für die sogenannte e-Mobilität.

Batterien, Wärmespeicher und Gase

Schaltanlagen sind nur eine Station des Stroms
Schaltanlagen sind nur eine Station des Stroms
© ABB
Neben einer intelligenten Steuerung der elektrischen Netze sind auch Speicherverfahren ein Schlüssel zu einem modernen Energiesystem. Aufgrund der Schwankungen gerade bei erneuerbaren Energien werden in Zukunft Speichertechnologien eine zentrale Rolle spielen. Das gilt für Energiemengen von zehn Kilowattstunden bis zu Terawattstunden und über Zeitskalen von Stunden bis zu Monaten. Diese Herkulesaufgabe kann keine Technik allein lösen, verschiedene Ansätze sind vonnöten. Eine Alternative sind Pumpspeicherkraftwerke und Druckluftspeicher. Diese speichern effizient und zu relativ geringen Kosten Energie. Allerdings sind die Kapazitäten solcher Systeme begrenzt. Für größere Energiemengen kommen daher eher Wärmespeicher, elektrochemische Speicher (Batterien) oder energiereiche chemische Verbindungen in Frage.

Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit das vermutlich am intensivsten bearbeitete elektrochemische Speichersystem weltweit. Sie finden sich in Laptops, Handys, Camcordern und anderen kleinen Elektrogeräten. Und auch in Sachen Elektromobilität setzen viele Projekte auf diese Technologie. Denn Mobilität ist eine der großen Herausforderungen an eine nachhaltige Energienutzung der Zukunft. Dafür bedarf es jedoch geeigneter Speichersysteme. Auch hier fokussiert die Forschung derzeit auf Lithium-Ionen-Batterien. Diese arbeiten in einem Spannungsbereich von vier Volt und weisen deutlich höhere Energie- und Leistungsdichten als andere heute verfügbare Technologien. Ihre Eigenschaften lassen sich im Gegensatz zu herkömmlichen Batterietechnologien durch Variation der eingesetzten Materialien sowohl für Hochleistungs- als auch für Hochenergieanwendungen optimieren. Reine Batteriefahrzeuge schaffen mit Lithium-Ionen-Batterien jedoch nur ungefähr 150 Kilometern. Eine Alternative sind Hybridantriebe, die die Reichweiten von Verbrennungsmotoren mit den Vorteilen des Elektroantriebs verknüpfen.

Lithium-Ionen-Batterien funktionieren nach einem zunächst simpel anmutenden Grundprinzip. Eine negative und eine positive Elektrode lagern Lithium reversibel und möglichst schnell ein. Dabei müssen jedoch Elektrodenmaterialien und Elektrolyt sehr sorgfältig aufeinander abgestimmt sein, sonst entstehen unerwünschte Zersetzungsreaktionen, die die Lebensdauer verringern und mit brennbaren Nebenprodukten zu einem Sicherheitsrisiko werden können.

Rund um Lithium-Ionen-Batterien gibt es eine Reihe DFG-geförderter Projekte. In dem Paketantrag „Funktionsmaterialien und Materialanalytik zu Lithium-Hochleistungsbatterien“ entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler neue Materialien für Elektroden und Elektrolyte und untersuchen die Transportvorgänge. Ein Teilaspekt, der Transport der Lithium-Ionen im Festkörper, steht im Zentrum der Forschergruppe 1277. Und auch das Schwerpunktprogramm 1473 „Materials with New Design for Improved Lithium Ion Batteries“, das Mitte 2010 startet, befasst sich mit diesen Batterietypen.

Eine wegen des größeren Speichervolumens attraktive Alternative für Elektrofahrzeuge könnten jedoch sogenannte Traktionsbatterien sein, deren Energiedichte jedoch noch nicht für akzeptable Reichweiten im reinen Batteriebetrieb reicht. Eine Lösung kann es sein, die Batterie und damit alle ihre Komponenten leichter zu machen. Gerade die positive Elektrode, die fast die Hälfte des Gesamtgewichts ausmacht, ist hier ein Ansatzpunkt. Aber auch die anderen Komponenten der Batterie bieten noch Verbesserungspotenzial, und es müssen Fertigungstechnologien entwickelt werden, die die Herstellung von großen Mengen an Batterien ermöglichen. Auch reversible Metall-Luft-Batterien könnten deutlich größere Reichweiten bei Elektrofahrzeugen ermöglichen. Die Forschung will hier bestehende Konzepte verfolgen, aber die Suche nach neuen Möglichkeiten nicht einstellen.

Neben den Batterien hat die Wärmespeicherung in der Vergangenheit immense Fortschritte erfahren. Solarthermische Kraftwerke – wie in Andalusien schon im Einsatz – arbeiten in großtechnischen Dimensionen. In den Andasol-Kraftwerken erzeugt gebündelte Sonneneinstrahlung Dampf, der dann Turbinen antreibt. Um die Nachtstunden zu überbrücken und solche Kraftwerke grundlasttauglich zu machen, erhitzt ein Teil der am Tag erzeugten Wärmeenergie eine Salzschmelze auf rund 380 Grad Celsius. Nachts kühlt sich die Schmelze auf etwa 280 Grad Celsius ab; die freiwerdende Energie betreibt die Turbine.

Doch nicht nur für Kraftwerke und in Nähe des Äquators sind Wärmespeichersysteme von Interesse. Gut isolierte Häuser könnten im Sommer Energie „ernten“ und speichern und im Winter damit heizen. Dazu können schon sehr gut isolierte Wassertanks genügen. Besser wären jedoch Systeme, die auf der Speicherung sogenannter latenter Wärme beruhen. Diese geben die gespeicherte Wärme mit konstanter Temperatur wieder ab und funktionieren wie Taschenwärmer, die auf Basis erstarrender Salze beruhen. Für einen Einsatz auf großer Skala sind jedoch noch Fragen offen. So gelingt die komplette Wärmeversorgung für Häuser und Wohnungen derzeit noch nicht, vielversprechende Materialien sind jedoch schon auf dem Markt.

Wasserstoff gilt für die Energiespeicherung als einer der großen Hoffnungsträger. Doch er ist zunächst keine Quelle, sondern muss unter hohem Energieaufwand hergestellt werden. Heute geschieht dies durch Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen, meist von Erdgas. Hier könnte die Elektrolyse von Wasser aus regenerativ erzeugter elektrischer Energie eine Zukunftsoption bieten. Und auch die Speicherung von Wasserstoff ist noch ein großes Problem. Der Einsatz des Elements als universelle Transport- und Speicherform steht also nicht in naher Zukunft bevor.

Eine interessante Alternative als Speicher chemischer Energie könnte Methan sein, für das bereits eine hervorragend ausgebaute Infrastruktur existiert. Denn Methan ist der wesentliche Bestandteil von Erdgas, entsteht aber auch durch die Vergärung von Biomasse zu Biogas, einem der effizientesten Verfahren zur Biomassenutzung. Mithilfe elektrischer Überschussenergie könnte der durch Elektrolyse erzeugte Wasserstoff schließlich zusammen mit Kohlendioxyd zu Methan reagieren, dessen Rückführung in Strom effizient und flexibel möglich ist. Doch auch diese Verfahren bergen noch viele unbeantwortete Fragen.

Auf intelligenten Wegen in die Steckdose

Wie kommt die Energie zum Verbraucher?
Wie kommt die Energie zum Verbraucher?
© C-Power
Stromnetze sind die Lebensadern von Gesellschaften mit hohem Energiebedarf wie den technisierten Ländern Europas. So reicht das europäische Stromnetz von Polen bis Portugal und von Griechenland bis Skandinavien, erzeugt eine elektrische Energie von 2300 Terawattstunden pro Jahr oder 350 Gigawatt und versorgt mehr als 450 Millionen Haushalte. Dabei muss das Netz eine sichere Stromversorgung liefern, denn sie ist grundlegend für Informations- und Kommunikationsnetze. Das heißt, in jeder Sekunde muss genau so viel Energie in das System gelangen, wie die Kunden entnehmen. Damit der Strom niemals ausfällt, können zudem Änderungen am Energieversorgungssystem nur im laufenden Betrieb vorgenommen werden. Wirtschaftlich und umweltfreundlich soll das Ganze auch noch sein.

Besondere Anforderungen stellen Windkraftanlagen. Zunächst müssen die Leitungen her, die die Energie von der Nordsee zu den Lastzentren in Mittel- und Süddeutschland transportieren. Darüber hinaus erfordert die schwankende Windeinspeisung flexible Netze. Ausgefeilte Überwachungs- und Steuerungsmethoden helfen bei der Führung des Netzes und sorgen für eine maximale Übertragungskapazität bei möglichst geringem Netzausbau. Die Forschung trägt hier unter anderem die sogenannten zeitsynchronisierten Zeigermessgeräte (engl. Phasor Measurement Units, PMU) für die Netzüberwachung bei. Diese messen an verteilten Orten elektrische Spannungen und Ströme – von Satelliten synchronisiert – möglichst zeitgleich und liefern die Ergebnisse an sogenannte Datenkonzentratoren. Dieses System macht es erstmals möglich, Hunderttausende Messwerte direkt zu vergleichen und dynamische Vorgänge im Stromnetz in Echtzeit zu beobachten. Genaue und verlässliche Daten verhindern beispielsweise, dass sich Störungen ausbreiten und große Regionen ohne Strom auskommen müssen. Der Aufbau solcher Strukturen profitiert von der modernen Informations- und Kommunikationstechnik. Diese setzt jedoch voraus, dass die Systeme auch bei einem Stromausfall so lange autark laufen, bis der Strom wieder fließt. Eine weitere Frage betrifft die Sicherheit dieser Infrastrukturen, da die elektrische Energieversorgung für die jeweiligen Länder wesentlich und kritisch ist.

Moderne Energieversorgung heißt aber neben kontinentumspannenden Netzen auch kleine Systeme vor Ort. Denn in Zukunft werden aus Kunden immer mehr auch Einspeiser. Kraft-Wärme-gekoppelte Anlagen, sprich: stromerzeugende Heizungen, Fotovoltaik-Anlagen und Windkraftanlagen liefern zeitlich und räumlich variabel Strom. Damit nicht alle Netze neu gespannt werden müssen, ist es erforderlich, Erzeugung und Verbrauch aufeinander abzustimmen. Dazu gehört es, dezentral zeitlich steuerbare Verbraucher wie Wärmepumpen oder insbesondere auch Elektrofahrzeuge zu koordinieren. Das Schlüsselwort dazu lautet Multi-Agentensysteme. Ein Agent ist ein speziell entwickelter Algorithmus in der Steuerungssoftware der jeweiligen Anlage. Er sorgt dafür, dass die Anlage den zur Verfügung stehenden Strom möglichst wirtschaftlich nutzt. Primär deckt der Strom den eigenen Bedarf und bei Überschuss versucht das System, Bedarf in der Nachbarschaft zu ermitteln. Die Agenten verhandeln dabei auf Grundlage wirtschaftlicher Mechanismen über die Kommunikationsnetze mit ihren jeweiligen Nachbarn im System. Die Angebots- und Nachfragepreise werden dynamisch angepasst, bis ein geeignetes Marktoptimum gefunden ist. Sie machen es möglich, dezentrale Versorgungskonzepte effizient umzusetzen und gerade erneuerbare Energien optimal in das Versorgungssystem einzubinden.

Solche Systeme bedürfen mit ihren Hunderttausenden von Komponenten einer steten Instandhaltung und Erneuerung und müssen auch über lange Zeit funktionieren. Dabei helfen ganzheitliche Optimierungsverfahren zur Planung von Erhaltungs- und Investitionsmaßnahmen für elektrische Energieversorgungsnetze. Diese berücksichtigen erstmalig die sich ständig wandelnden Rahmenbedingungen, sodass die Ergebnisse für die langfristige Planung robust gegenüber Planungsunsicherheiten und Risiken sind.

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