Von Batterien bis zum Riesenwärmekissen

Elektrofahrzeuge – so die Erwartung von Politikern und Energieexperten – werden in Zukunft eine wichtige Rolle in der Energieversorgung spielen. Auf der einen Seite erhoffen sich die Länder mit ihnen die Abhängigkeit von Ölimporten zu verringern, andererseits könnten an Ladestationen geparkte Elektroautos dazu genutzt werden, Strom aus erneuerbaren Energien zu speichern und in Spitzenzeiten ins Netz abzugeben (Vehicle to Grid, V2G). Gleichzeitig ließe sich durch diesen „Schwarmstrom“ genannten Ansatz das Problem instabiler Netze lösen.

Die Chemie hält dabei einen Schlüssel in der Hand. Erst kürzlich gab der Chemiekonzern BASF bekannt, in den kommenden fünf Jahren einen dreistelligen Millionen-Euro-Betrag in Forschung, Entwicklung und Produktionsaufbau von Batteriematerialien investieren zu wollen. Teil dieser Aufwendungen ist auch der Bau einer Produktionsanlage für fortschrittliche Kathodenmaterialien in Elyria im US-Bundesstaat Ohio. Die neue Anlage mit einem Investitionsvolumen von mehr als 50 Millionen US-Dollar soll ab Mitte 2012 den Markt mit Kathodenmaterialien zur Herstellung leistungsstarker Lithium-Ionen-Batterien versorgen. „Wir entwickeln innovative Speichertechnologien, da Energie aus erneuerbaren Quellen insbesondere in unseren Breitengraden nicht rund um die Uhr und 365 Tage im Jahr zur Verfügung stehen“, erklärt Dr. Andreas Kreimeyer, im BASF-Vorstand zuständig für Forschung.

Auch bei Evonik wird an Batterietechniken geforscht. Gemeinsam mit Partnern baut das Unternehmen derzeit die größte Lithium-Keramik-Batterie der Welt. Mit einer speziellen Kombination von Keramik-Materialien und hochmolekularen Ionenleitern wird versucht, die Leistungsdichte zu steigern und eine hohe Zykluslebensdauer zu erreichen. Der Stromspeicher entsteht am saarländischen Kraftwerksstandort Völklingen und soll eine Speicherkapazität von etwa 700 kWh haben. Würde dieser Speicher viertelstündlich be- und entladen, könnten hiermit theoretisch 4000 Haushalte pro Jahr versorgt werden. Derzeit ist bereits die Erweiterung auf 10 MW geplant. „Wir nutzen unsere Lithiumionen-Kompetenz, um in einen ganz neuen Markt einzutreten“, sagt Dr. Klaus Engel, Vorstandsvorsitzender der Evonik Industries AG. „Damit ließen sich erstmalig Erzeugung und Verbrauch von Strom mithilfe der Lithium-Keramik-Technologie kostengünstig entkoppeln. Wir können die durch die Energiegewinnung aus Sonne und Wind verursachten Netzschwankungen stabilisieren und so die Energieerzeugung insgesamt erheblich effizienter gestalten. Hier entsteht ebenso wie im Automobilbereich ein Milliardenmarkt“, so Engel. Experten schätzen das Marktvolumen für moderne Energiespeicher langfristig auf über 10 Milliarden Euro.

Allein für Deutschland liegt der künftige Leistungsbedarf an modernen Speichersystemen im hohen dreistelligen Megawattbereich. Das im Rahmen der Forschungsinitiative LIB 2015 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte und auf drei Jahre angelegte Projekt zielt auf die wirtschaftlich-technische Realisierbarkeit solcher Mega-Batterien für stationäre Anwendungen. Im Rahmen der Innovationsallianz „Lithium Ionen Batterie LIB 2015“ hat sich ein Industriekonsortium von BASF, Bosch, Evonik, LiTec und VW verpflichtet, in den nächsten Jahren 360 Millionen Euro für Forschung und Entwicklung an der Lithium-Ionen-Batterie zu investieren. Gleichzeitig wird das BMBF 60 Millionen Euro für diesen Bereich zur Verfügung stellen.

Um große Energiemengen im Bereich von 100 kW bis 5 MW mit elektrochemischen Systemen zu speichern, werden skalierbare Stromspeicher benötigt. Hier haben insbesondere Redoxflow-Batterien vielversprechendes Entwicklungspotenzial. Bei Redoxflow-Batterien wird Strom in Form von chemischer Energie in Redox-Paaren in externen Tanks gespeichert. Der Strom wird in einem getrennten Leistungsmodul erzeugt, wobei den Elektroden kontinuierlich Elektrolyt aus den Vorratstanks zugeführt wird. Zum Laden wird die Pumprichtung des Elektrolyten umgedreht. Über die Tankgröße kann die Speicherkapazität skaliert werden, der Wirkungsgrad liegt bei bis zu 80 %. Am Fraunhofer ICT in Pfinztal wurde der Prototyp einer Redoxflow-Batterie entwickelt, mit dem verschiedene Elektrodenmaterialien, Membranen und Elektrolyte flexibel getestet werden können. Das Fernziel der Experten ist der Bau einer Batterieanlage mit 20 MWh Kapazität, die etwa 2000 Haushalte mit Strom versorgt, wenn erneuerbare Energien nicht zur Verfügung stehen.

Neben den beschriebenen Batteriesystemen gibt es noch zahlreiche weitere Batterietechniken die zum Teil bereits realisiert sind (z. B. Natriumsulfid-Batterien), größtenteils aber noch erforscht werden. Ein wichtiges Kriterium bei der Einschätzung des Zukunftspotenzials ist die Energiedichte. Während Bleibatterien eine Energiedichte von 70 kWh/m3 besitzen, liegen NaS-Batterien bei 150 kWh/m3. Noch höher ist die Energiedichte von Li-Ionen-Batterien (350 kWh/m3).

Eine noch höhere Energiedichte als Batterien haben Wasserstoffspeicher. Die Idee dahinter: Überschüssiger Strom wird zur elektrolytischen Zerlegung von Wasser genutzt. Der daraus gewonnene Energieträger Wasserstoff wird in unterirdischen Salzkavernen gespeichert. Bei einem Druck bis 350 bar könnten so bis zu 350 kWh pro Kubikmeter gespeichert werden – mehr als das 100fache als bei Druckluftspeichern. Die Herausforderungen dabei bestehen einerseits in der Verbesserung der Elektrolyseverfahren (Wirkungsgrad ca. 75 %), andererseits ist auch die für die spätere Verstromung des Wasserstoffs notwendige Kraftwerkstechnik (Wirkungsgrad mit Dampfturbine rund 60 %) alles andere als trivial.

Doch die Technik hat Potenzial. Denn Wasserstoff ist nicht nur ein gefragter Energiespeicher sondern bildet die Grundlage zur Synthese zahlreicher Chemikalien – angefangen beim Methan über Methanol bis hin zu Grund- und Spezialchemikalien – sowie dem Einsatz in Brennstoffzellen und Wasserstofffahrzeugen. Bislang wird Wasserstoff in der Chemie vorwiegend aus Erdgas gewonnen. Wasserstoff aus Öko-Strom könnte hier eine CO2-freie Alternative sein. An der Optimierung der kommerziellen Wasserstoffelektrolyse forschen unter anderem Experten von Siemens in Erlangen. Neue Membranmaterialien sowie Stromkollektoren aus porösem Sintermetall an den Elektroden sorgen dafür, dass Veränderungen im Stromangebot innerhalb von Millisekunden antizipiert werden und die Nennleistung sowie der Betriebsdruck steigen können. Basierend auf der „Proton Exchange Membrane“ genannten Technologie soll bis 2012 eine Demonstrationsanlage im Container entstehen, die 300 kW elektrische Leistung aufnehmen kann.

Die Erkenntnisse fließen auch in das Projekt CO2RRECT (CO2-Reaction using Regenerative Energies and Catalytic Technologies) ein – ein Forschungsvorhaben, bei dem Kohlendioxid unter Einsatz regenerativer Energien stofflich verwertet werden soll und an dem neben Universitäten auch die Unternehmen Bayer, RWE und Siemens zusammenarbeiten.

Das Speichern von Wärme wird in Zukunft ebenfalls eine Schlüsseltechnologie werden. Etwa die Hälfte der in Europa verbrauchten Energie wird in Form von Wärme eingesetzt. Neben der Beheizung von Gebäuden steht hier die Wärmenutzung in industriellen Prozessen im Vordergrund. Soll zum Beispiel die Effizienz der oben erwähnten Druckluftspeicher erhöht werden, muss die bei der Verdichtung entstehende Wärme gespeichert werden, um sie später bei der Stromerzeugung wieder nutzen zu können. Aber auch in thermischen Solarkraftwerken, bei denen tagsüber Sonnenwärme über Hohlspiegel konzentriert und zur Dampferzeugung für Turbinen genutzt wird, spielen Wärmespeicher eine zentrale Rolle. Mit ihnen ist es möglich, in Sonnenstunden gewonnene Wärmeenergie zu speichern und auch in Zeiten ohne Sonneneinstrahlung – zum Beispiel nachts – zur Stromerzeugung zu nutzen. Auch hier ist die Wirtschaftlichkeit von zentraler Bedeutung – erst mit Speicherkosten unter 10 bis 20 Euro/kWh ist die Rund-um-die-Uhr-Produktion wirtschaftlich und wird damit grundlastfähig.

Grundsätzlich sind heute vier verschiedene Arten der Wärmespeicherung bekannt:

Wie bei der Speicherung von Elektrizität gibt es auch bei Wärmespeichern nicht den einen Königsweg, sondern müssen die einzusetzenden Speicher immer nach den Anforderungen der Anwendung ausgewählt und an diese angepasst werden. Da es bis heute meist wirtschaftlicher ist, Wärme aus Primärenergieträgern zu erzeugen, steht die Entwicklung der Wärmespeicher insbesondere für die industrielle Nutzung vielfach noch am Anfang. Am weitesten verbreitet und praxisreif sind sensible Wärmespeicher, wie sie beispielsweise in der Gebäudeheizung in Gebrauch sind. Bei diesen Wärmespeichern ändert sich die Temperatur des Wärmeträgers (z. B. Wasser) beim Be- und Entladen fühlbar (sensibel).

Zu den jüngsten Entwicklungen zählt ein vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickeltes Verfahren, bei dem die Energie der Sonnenstrahlen in kostengünstigen Feststoffen gespeichert wird. Dazu wird derzeit in Stuttgart eine 500-kWh-Demonstrationsanlage gebaut, in der Tests bis +400 °C durchgeführt werden sollen und deren Ergebnisse bis 2013 erwartet werden. Die Besonderheit: Der CellFlux genannte Speicher kann mit unterschiedlichen Wärmeträgermedien wie beispielsweise Thermoöl, Dampf oder Flüssigsalz genutzt werden und ist damit flexibel für alle solarthermischen Kraftwerkstypen einzusetzen. Der Speicher wird aus einzelnen Modulen, den sogenannten Zellen, aufgebaut und speichert die Wärme im Feststoff. Innerhalb der Module wird die Wärmeenergie durch einen Wärmeübertrager an einen Luftstrom abgegeben. Dieser durchströmt das feste Speichermaterial und gibt dabei die transportierte Energie an den Feststoff weiter. Bei der Entladung des Speichers wird dieser Prozess umgekehrt. Im Gegensatz zu Salzspeichern, bei denen das Salz stets über einer Temperatur von +230 °C gehalten werden muss, da es sonst kristallisiert, kann der Feststoffspeicher auch bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden. Dazu kommen deutlich niedrigere Investitionskosten.

Im Gegensatz zu sensiblen Wärmespeichern bleibt die Temperatur latenter Wärmespeicher beim Be- und Entladen weitgehend konstant. Das Prinzip ist jedem bekannt, der Getränke mit Eiswürfeln kühlt: Genügend Eis vorausgesetzt, bleibt die Temperatur im Glas so lange konstant bei 0 °C, bis alles Eis geschmolzen ist. Der Clou dabei: latente Wärmespeicher haben eine sehr viel höhere Energiedichte. Würde man dieselbe Energiemenge, die das Eis zum Schmelzen bringt, für die Erwärmung einer entsprechenden Menge Wassers benutzen, könnte man dieses von 0 auf 80 °C aufheizen. Deshalb, aber auch auf Grund der Tatsache, dass der Speicher bei wesentlich geringeren Temperaturdifferenzen betrieben werden kann, wird Latentspeichern insbesondere in der Industrie ein besonders großes Potenzial beigemessen.

Prominentes Beispiel für Latentspeicher ist die Gebäudeklimatisierung. Hierfür wurden in den vergangenen Jahren Baustoffe entwickelt, mit denen Gebäude tagsüber gekühlt und nachts beheizt werden: Ein Team des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) und der BASF hat ein Verfahren entwickelt, mit dem Paraffinwachs-Tröpfchen als Latentspeicher (Phase Change Material, PCM) in Hohlkugeln aus Acrylglas eingeschlossen werden und so in Baustoffe wie Mörtel oder Gips eingebracht werden können.

Neben Paraffinen können auch Salzhydrate und Salzmischungen – beispielsweise Kalium- und Natriumnitrat – als Latentspeichermedien genutzt werden. Die größte Hürde der an sich vielversprechenden Technologie ist allerdings der Wärmetransport: Der Wärmeübertragungskoeffizient wird von der Wärmeleitfähigkeit des festen Speichermaterials bestimmt. Und diese ist für organische oder anorganische Feststoffe in der Regel vergleichsweise niedrig. Die Forschungsbemühungen zielen deshalb darauf ab, die Wärmeleitung sowie die Wärmeaustauschfläche zu steigern. Neben der bereits erwähnten Mikroverkapselung für Baustoffe beschäftigen sich Entwickler im Hinblick auf industriell nutzbare Wärmespeicher mit Methoden zur Makroverkapselung von Salzhydrat in Graphit oder der Vergrößerung der Wärmeübertragungsflächen, indem Stahl- und Graphitrippen in den Latentspeicher integriert werden. Ein weiterer interessanter Ansatz ist der Einsatz von PCM in Wärmeträgerflüssigkeiten. Dadurch kann die Kapazität in einem definierten und begrenzten Temperaturbereich stark vergrößert werden.

Sorptionsspeicher beruhen auf dem Effekt, dass bei der Anlagerung von gasförmigen Molekülen an bestimmte Oberflächen wie zum Beispiel Zeolithe die Verdampfungswärme frei wird bzw. beim Verdampfen des Arbeitsstoffes der Umgebung Wärme entzogen wird. Ein Beispiel ist das selbstkühlende Bierfass oder aber klassisch die Kühlung von Getränken in Tongefäßen. Bislang ist die Technik für industrielle Anwendungen auf Grund ihrer apparativen Komplexität vergleichsweise teuer. Die Forschung konzentriert sich derzeit vor allem auf die Entwicklung von hocheffizienten Sorptionsmaterialien.

Die höchste Energiedichte bei der Wärmespeicherung wird mit chemischen Speichern erreicht. Bei diesen wird durch zugeführte Wärme eine chemische Verbindung in ihre Bestandteile getrennt und diese werden dann separat gespeichert. Beim Entladen des Speichers werden die Komponenten zur Reaktion gebracht, wobei Wärme frei wird (exotherme Rückreaktion). Großes Potenzial wird für Gas-Feststoff-Reaktionen erwartet, da diese hohe Speicherdichten ermöglichen und eine Langzeitspeicherung von Wärme erlauben. Zu den möglichen Reaktionsarten gehört beispielsweise das Dehydratisieren von Salzhydraten oder Metallhydroxiden (z.B. Magnesium- oder Kupfersulfat-Hydrat bzw. Mg-, Ca- oder Ba(OH)2), die Decarboxylierung von Zink-, Magnesium- oder Kalziumkarbonaten zu Metalloxiden sowie die Desoxigenierung von Metalloxiden (BaO2 oder KO2) – allesamt endotherme und reversible Vorgänge, die je nach Reaktion in einem zwischen +100 und +1000 °C breiten Temperaturspektrum ablaufen. Aktuell werden thermochemische Wärmespeicher vom DLR im BMWi-Projekt „CWS“ untersucht.

Die Nutzung neuer Energiequellen stellt eine große Herausforderung für die Stromwirtschaft dar. Speichertechniken werden darin eine wichtige Rolle spielen. Für Industrieunternehmen, in denen vor allem Wärme aus Prozessen mit Kraft-Wärme-Kopplung genutzt werden kann, sind Wärmespeicher ein wichtiges Element, um weitere Effizienzsteigerungen im Energieeinsatz zu erreichen. Die Chemie hält für deren Entwicklung den Schlüssel in der Hand. Auf der Achema 2012 wird das Thema breiten Raum einnehmen und es werden interessante Entwicklungen dafür zu sehen sein.