Besser als e-Fuel-Autos und "grüne" Gasheizungen: Energiespeicher und fossilfreie Kraft-Wärme-Kopplung
Kurzzusammenfassung
- Dezentrale Tages-Stromspeicher direkt bei den Photovoltaikanlagen (Heimspeicher) können nicht nur die Überlastung der lokalen Stromnetze vermeiden, sondern auch die Wirtschaftlichkeit saisonaler Speicherlösungen oder der Produktion von synthetischen Kohlenwasserstoffen ("grünes Gas" oder e-Fuels) verbessern.
- Wenn sich kein effizienterer Weg zur saisonalen Speicherung als die Produktion von synthetischen Kohlenwasserstoffen findet, so können diese eindeutig am effizientesten über Kraft-Wärme-Kopplung verwertet werden, sodass sie sowohl Strom für Elektroautos, Wärmepumpen und sonstige Stromverbraucher liefern, als auch Fernwärme. Die saisonalen Schwankungen der erneuerbaren Energieaufbringung sind also kein Argument dafür, weiterhin Autos mit Verbrennungsmotor zu kaufen oder bei der Gasheizung zu bleiben, denn für beides muss zunächst wesentlich mehr Strom aufgebracht und in teuren Anlagen in synthetisches Methan ("grünes Gas") oder e-Fuels umgewandelt werden, als bei einem batterieelektrischen Auto oder einer Wärmepumpen- oder Fernwärmeheizung.
Darüber hinaus möchte ich zwei innovative Lösungsansätze für effizientere und wirtschaftlichere Energiespeicher vorstellen:
- Individuelle Tauschbatterien, die je nach Bedarf als Photovoltaik-Heimspeicher zuhause stehen oder dem Elektroauto eine ausreichende Reichweite für eine Langstreckenfahrt ermöglichen
- Große Hochtemperatur-Carnot-Batterien, die als saisonale Energiespeicher in Ballungsräumen Energie in Form von Wärme speichern um im Winter Strom und Fernwärme bereitstellen zu können
Begriffsbestimmungen und verglichene Lösungsansätze
Dezentrale Tages-Stromspeicher (Photovoltaik-Heimspeicher)
Damit sind Stromspeicher gemeint, die direkt an Photovoltaikanlagen in der typischen Größe einer Hausdach-Anlage eines Einfamilienhauses angeschlossen sind. Sie funktionieren nach ähnlichen elektrochemischen Prinzipien wie die wiederaufladbaren Batterien von Elektroautos, E-Bikes, Laptops oder Handys und sind von ihrer Kapazität her dazu ausgelegt, die Stromproduktion der Photovoltaikanlage über mehrere Stunden oder maximal einige Tage aufzunehmen. Diese Zwischenspeicherung ist bei den vielen, feinverteilten Einfamilienhausanlagen deshalb besonders nützlich, weil dort tagsüber im Sommer sehr viel Strom produziert aber nur sehr wenig Strom verbraucht und das kleinräumige Stromnetz dadurch überlastet wird. Größere Photovoltaik-Anlagen, etwa auf großen Parkplätzen oder Lagerhallen, können leichter an das leistungsfähigere höherrangige Stromnetz angeschlossen werden und bei Anlagen auf den Dächern von mehrgeschossigen Wohn- oder Bürogebäuden fällt der produzierte Strom gegenüber dem Stromverbrauch des Gebäudes selbst weniger ins Gewicht.Private Stromspeicher im Einfamilienhaus haben zusätzlich den Vorteil, dass damit ein möglichst großer Anteil des erzeugten Stroms nicht ins Netz verkauft und später als Stromverbrauch zurückgekauft werden muss, sondern gleich im Haus bleibt. Diese Steigerung des Eigenverbrauchsanteils ist für die Hausbesitzer:innen bzw. -bewohner:innen finanziell vorteilhaft.
Individuelle Tauschbatterien für E-Pkw
Mit einer Tauschbatterie ist gemeint, dass ein Teil der Batteriekapazität eines E-Pkw nicht fest verbaut ist, sondern mechanisch und elektrisch vom Fahrzeug getrennt werden kann, also beispielsweise herausgerollt, herausgehoben oder als Anhänger abgekuppelt. Im Gegensatz zu bisher propagierten Batterietauschsystemen geht es aber nicht (nur) darum, unterwegs an einer Batterietauschstation eine leere gegen eine volle Batterie zu tauschen. Der Neuheitsgrad der vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass im Alltagsbetrieb mit in der Regel kürzeren Fahrtweiten ein Teil der Batteriekapazität nicht mit dem Auto mitgeführt wird, sondern zuhause bleibt und als stationärer Pufferspeicher für Strom aus Photovoltaik dient. Lediglich wenn längere Fahrten wie Urlaube oder mit dem eigenen Pkw zurückzulegende Dienstreisen anstehen wird das Auto mit der maximalen Batteriekapazität ausgestattet.
Zielgruppe dieser Lösung sind primär Menschen, die wie klassische Pendler:innen in einem Gebiet geringer Siedlungsdichte, aber hohem Potenzial für Photovoltaik wohnen (z.B. Einfamilienhaussiedlungen im suburbanen Raum) und tagsüber mit dem Auto entweder direkt in ein urbaneres Gebiet fahren oder zu einer Park-&-Ride-Station. Elektroautos mit ausschließlich fest verbauter Batterie können in dieser Situation kaum für bidirektionales Laden genutzt werden, weil sie sich tagsüber nicht dort befinden, wo der Stromüberschuss auftritt, sondern in der Stadt oder am Park-&-Ride-Platz. Wenn das Elektroauto einen Teil seiner Batterie zuhause bei der PV-Anlage lässt hat das gegenüber anderen Formen von Reverse Charging auch den Vorteil, dass keinerlei zusätzliche Vertrags- und Verrechnungsbeziehungen nötig sind. Stattdessen wird sowohl der Eigenverbrauch der jeweiligen Haushalte mit PV-Anlage und Elektroauto optimiert, als auch die Einspeisung ins Stromnetz zeitlich geglättet.
Saisonale Carnot-Batterien
"Carnot-Batterie" ist ein Sammelbegriff für Energiespeicher, in denen Wärme eingespeichert wird um bei Bedarf mittels einer Wärmekraftmaschine (Carnot-Prozess oder anderer thermodynamischer Kreisprozess) aus einem (kleineren) Teil dieser Wärme wieder elektrische Energie zu machen, während ein (größerer) Teil davon zu Abwärme wird. Mit einer "saisonalen Carnot-Batterie" ist gemeint, dass diese dafür ausgelegt ist, die Wärme über mehrere Monate zu speichern. Es wird also im Sommer Wärme eingespeichert, die aus überschüssigem Photovoltaik-Strom gewonnen wird. Im Winter wird sowohl der Mangel an Solarstrom ausgeglichen und Strom für Wärmepumpen bereitgestellt, als auch kann die aus der Nutzung der Carnot-Batterie anfallende Abwärme für Fernwärme genutzt werden. Um eine große Wärmemenge speichern zu können arbeitet die saisonale Carnot-Batterie mit sehr hohen Temperaturen, die Energie wird im Sommer über elektrische Heizwiderstände eingebracht. Damit auch über lange Zeit nur wenig Wärme verloren geht ist der Energiespeicher sehr groß mit massiver Isolierung. Die Umwandlung der Hochtemperatur-Wärme in Strom und Fernwärme ist einem konventionellen Kraft-Wärme-Kopplungs-Heizkraftwerk ähnlich, nur dass die eingesetzte Wärme nicht aus der Verbrennung von Gas stammt, sondern aus dem Speicher. Es wäre daher naheliegend, solche Carnot-Batterien anstelle städtischer Heizkraftwerke oder sogar durch deren Umbau zu errichten.Synthetisches Methan ("grünes Gas") und e-Fuels
Unter e-Fuels bzw. "grünem Gas" werden flüssige Kohlenwasserstoffe bzw. Methan verstanden, die nicht aus Erdölprodukten gewonnen bzw. als Erdgas gefördert werden, sondern durch eine Kette von der Gewinnung erneuerbarer elektrischer Energie (primär Photovoltaik) über die Produktion von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser und die Synthese von Kohlenwasserstoffen aus Kohlendioxid und Wasserstoff. In Bezug auf Energieeffizienz ist es wichtig, zwischen unterschiedlichen Anwendungen dieser Produkte zu unterscheiden:- Es ist unstrittig, dass synthetische Kohlenwasserstoffe ebenso wie Wasserstoff in der Industrie Verwendung finden sollen um Erdöl, Erdgas und Kohle als Rohstoffe zu ersetzen.
- Im Flugverkehr und möglicherweise auch in der Schifffahrt wird es noch lange Zeit keine anderen praktikablen Energieträger geben, weil sehr lange Reichweiten gefordert sind und im Flugverkehr natürlich auch ein geringes Gewicht.
- Synthetisches Methan kann genauso wie Erdgas als Brennstoff für Heizkraftwerke dienen, die sowohl Strom, als auch Fernwärme produzieren (Kraft-Wärme-Kopplung).
- Rein technisch gesehen kann man mit synthetischem Methan auch eine konventionelle Gasheizung oder einen Gasherd betreiben.
- Mit e-Fuels kann man rein technisch gesehen auch ein konventionelles Auto mit Verbrennungsmotor betreiben.
Fossilfreie Kraft-Wärme-Kopplung
Mit "fossilfreier Kraft-Wärme-Kopplung" meine ich entweder mit synthetischem Methan betriebene Heizkraftwerke oder saisonale Hochtemperatur-Carnot-Batterien. Beides kommt ohne fossile Energieträger (Erdöl, Erdgas, Kohle) aus und produziert möglichst viel Strom sowie Fernwärme und möglichst wenig nutzlose Abwärme, unterschiedlich ist nur die Art der Energiespeicherung zwischen Sommer und Winter.Effizienzvergleiche
Effizienzkriterium Nr. 1: Wie viel nutzbare Energie wird aus einer Kilowattstunde Photovoltaikstrom?
Details zu Quellen, Annahmen und Berechnungen sind in einem separaten Dokument zusammengefasst.
Der Energieeffizienzvergleich zwischen der Nutzung von Carnot-Batterien und Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen, die mit synthetischem Methan ("grünem Gas") betrieben werden, zeigt zwar eine deutliche Tendenz zugunsten der Carnot-Batterien, es ist aber noch eine große Unsicherheit hinsichtlich der tatsächlich technisch erreichbaren Effizienz der Carnot-Batterien zu bedenken. Völlig eindeutig geht aber der Vergleich mit der direkten Nutzung von synthetischem Methan zum Heizen oder von e-Fuels zum Betrieb von Kraftfahrzeugen aus:
Effizienzkriterium Nr. 2: Gleichmäßige Auslastung teurer Anlagen
Ein weiteres Effizienzkriterium ist die zeitliche Auslastung von Infrastruktur und Energieanlagen. Eine gute Maßzahl dafür sind Volllaststunden pro Jahr: Diese erhält man, indem man die Energiemenge, die eine bestimmte Anlage oder Leitung im Jahr umsetzt, beispielsweise in Kilowattstunden (kWh) oder Megawattstunden (MWh) durch die maximal mögliche Leistung der Anlage oder Leitung, beispielsweise in Kilowatt (kW) oder Megawatt (MW) dividiert. Eine Anlage, die das ganze Jahr über völlig gleichmäßig ausgelastet wäre, käme auf 24 x 365 = 8760 Volllaststunden pro Jahr. Bekanntermaßen konzentriert sich der Ertrag von Photovoltaikanlagen in Mitteleuropa stark auf das Sommerhalbjahr und die Mittagszeit, sie kommen nur auf etwa 1000 Volllaststunden. Mit der zunehmenden Verbreitung von dezentralen Photovoltaikanlagen, insbesondere solchen auf den Dächern von Einfamilienhäusern, kommt es immer öfter zu einer Überlastung der Stromverteilnetze. Diese wurden ursprünglich darauf ausgelegt, mit moderaten und über die Häuser verteilten zeitlichen Schwankungen elektrische Energie zu den einzelnen Häusern zu bringen, nicht aber dazu, zu bestimmten Zeiten von vielen Häusern gleichzeitig große Leistungen abzutransportieren. Ohne Anwendung von Speichertechnologie müssten die Stromnetze zu hohen Kosten flächendeckend ausgebaut werden um die für die Energiewende benötigte Menge an elektrischer Energie aufnehmen zu können. Dies gilt noch umso mehr, je mehr danach ineffiziente Technologien wie e-Fuel-Autos oder "grüne Gasheizungen" angewandt werden, also zunächst wesentlich mehr Energie aufgebracht werden muss, als später verbraucht werden kann.
Von einer unökonomischen zeitlichen Auslastungscharakteristik kann aber nicht nur das Stromnetz betroffen sein: Würde man zur Nutzung von Energieüberschüssen aus Photovoltaik hauptsächlich auf die Produktion von e-Fuels und synthetischem Methan ("grünem Gas") setzen, so wären auch diese über die Zeit gesehen sehr schlecht ausgelastet: Man müsste die maximale Leistung dieser Anlagen darauf auslegen, dass sie die Stromüberschüsse der Mittagsspitze eines Sommertages verarbeiten können, selbst in den Sommertagen wären sie aber die meisten Stunden des Tages bei weitem nicht ausgelastet. Diese Anlagen würden dann also mit sehr wenigen Volllaststunden pro Jahr betrieben. Das würde sich sehr negativ auf die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen auswirken, deren anspruchsvolle Technologie für den großtechnischen Maßstab erst in Entwicklung ist und den Einsatz teurer und seltener Materialien wie Platin und Palladium für Elektroden und Katalysatoroberflächen erfordert. Man braucht daher wesentlich weniger dieser teuren Anlagen bzw. Materialien und kann sie zeitlich gesehen viel besser auslasten, wenn man synthetisches Methan ("grünes Gas") und andere synthetische Kohlenwasserstoffe nur in der Menge produziert, die für industrielle Zwecke, Luft- und Schifffahrt benötigt wird und zusätzlich sowohl dezentrale Tagesspeicher einsetzt, als auch Carnot-Batterien als zentrale, saisonale Speicher:
- Zunächst bewirkt bereits die lokale Zwischenspeicherung eines Teils des Photovoltaik-Stromaufkommens, insbesondere jenes von Einfamilien-Hausdachanlagen, dass sich die von Anlagen zur Produktion synthetischer Kohlenwasserstoffe und/oder von Carnot-Batterien aufzunehmende Leistung gleichmäßiger über die (Sommer)tage verteilt.
- Neben den kleineren, über die Fläche verteilten Photovoltaikanlagen, die mit dezentralen Tagesspeichern gepuffert werden, wird es aber weiterhin viel Photovoltaik-Leistung von größeren Anlagen geben, etwa auf Mehrgeschosswohnbauten, Bürogebäuden, Lagerhallen und Industriegebäuden oder als Freiflächenanlagen. Außerdem ist auch im Sommerhalbjahr nicht ständig sonniges Wetter, sodass es neben den mittels der dezentralen Speicher auszugleichenden stundenweisen Schwankungen noch tageweise Schwankungen gibt. Zusätzlich schwankt die Stromproduktion aus Wind- und Wasserkraft. Es verbleiben also trotz der dezentralen Speicherung noch große zeitliche Schwankungen im Aufkommen momentan überschüssiger erneuerbarer Energie, besonders wenn man auch die Schwankungen im Stromverbrauch mitberücksichtigt. In diesem Zusammenhang ergänzen sich Carnot-Batterien und Anlagen zur Produktion von e-Fuels und synthetischem Methan ("grünem Gas") sehr gut: Die in Carnot-Batterien verbauten elektrischen Heizwiderstände sind bezogen auf ihre Leistung wesentlich primitiver und kostengünstiger als die Elektroden und Katalysatoren der Elektrolyse- und Syntheseanlagen. Es ist daher wirtschaftlich am günstigsten, die Widerstände zum Aufheizen der Carnot-Batterien für hohe Spitzenleistungen auszulegen und sehr wenige Volllaststunden pro Jahr in Kauf zu nehmen, die Anlagen zur Produktion synthetischer Kohlenwasserstoffe hingegen das Sommerhalbjahr hindurch mit möglichst gleichmäßiger Auslastung zu betreiben.
Individuelle Tauschbatterien für batterieelektrische Pkw
Bisher verfolgter Anwendungszweck: Batterietausch zwecks Reichweitensteigerung
Alle bisherigen Batterietauschsysteme verfolgten primär den Zweck, dass das Elektroauto ohne oder mit einer vergleichsweise kleinen eigenen Batterie auskommt und dass auf längeren Fahrten unterwegs leere gegen vollgeladene Akkus getauscht werden. Nachdem der Batterietausch ungleich schneller möglich ist als das Nachladen einer fest verbauten Batterie ergibt sich der große Vorteil, dass weder ständig eine sehr große, fahrzeugeigene Batterie mitgeführt werden muss, noch bei längeren Fahrten lange Pausen zum Nachladen notwendig sind. Der Mehrwert der bisher vorgeschlagenen Batterietauschsysteme besteht also entweder in weniger Kosten und Ressourcenverbrauch für Batteriekapazität (verglichen mit einem konventionellen Elektroauto großer Reichweite) oder in kürzeren Reisezeiten auf langen Strecken dank dem Entfall von Nachladepausen (verglichen mit einem konventionellen Elektroauto geringer Reichweite).
Vorgeschlagene Zusatzanwendung: Tauschbatterien als (meistens) stationäre Speicher für Photovoltaik-Strom
Die Idee von "individuellen Tauschbatterien" verfolgt einen anderen Zweck: Es wird zwar nicht weniger Batteriekapazität benötigt als mit konventionellen Elektroautos, dafür werden die Batteriekapazitäten wesentlich besser genutzt: Der nur wenige Male im Jahr wirklich für die Reichweite des Fahrzeugs benötigte Anteil der Batteriekapazität bleibt in der Regel zuhause und wird im Sommerhalbjahr an jedem Sonnentag als stationärer Energiespeicher genutzt:
Es wäre auch möglich und sinnvoll, das gleiche Batterietauschsystem sowohl für die hier neu vorgeschlagene, als auch für die bisher damit verfolgten Anwendungen zu verwenden:
- Bewohner:innen von Einfamilienhäusern mit Photovoltaikanlage besitzen selbst eine Tauschbatterie. Diese benutzen sie die meiste Zeit als stationären Energiespeicher und seltener als Bestandteil ihres Elektroautos um damit längere Strecken fahren zu können
- Elektroautobesitzer:innen, die in einer Wohnung oder einem Haus ohne Photovoltaikanlage wohnen, besitzen keine eigene Tauschbatterie sondern leihen sich an Batterietauschstationen eine aus, wenn sie mehr Reichweite brauchen, als die fest verbaute Fahrzeugbatterie bietet
- Ebenso können Nutzer:innen, die eigentlich selbst eine Tauschbatterie besitzen, auch einmal eine ausleihen, wenn sich der Bedarf einer längeren Fahrt spontan ergeben hat und der:die Nutzer:in vorher nicht mehr nach Hause kommt um die Tauschbatterie zu holen oder diese nicht ausreichend aufgeladen ist.
- Eine ausgeliehene Tauschbatterie kann, wenn sie unterwegs leer wird, auch immer gegen eine vollgeladene andere Leihbatterie getauscht werden. Kompliziert wird es nur, wenn die eigene Tauschbatterie gegen eine Leihbatterie getauscht werden soll: Hier stellt sich die Frage, wie damit umgegangen werden soll, dass die eine Batterie in einem wesentlich besseren oder schlechteren Zustand sein könnte als die andere.
Bisherige unternehmerische Anläufe und dazu angewandte technische Lösungsansätze
An bisherigen Projekten zu Batterietauschsystemen sind insbesondere erwähnenswert:- Ein bereits 2007 gestartetes, 2013 jedoch in Konkurs gegangenes Projekt war "Better Place" mit großen, automatisierten Tauschstationen, an denen ein Robotermechanismus von unten her die im Fahrzeugboden montierten Batterien austauscht.
- EP Tender ist ein Unternehmen, das die Tauschbatterien in Form von Anhängern entwickelt. Dabei soll das Fahrzeug weiterhin eine fix verbaute Batterie haben und nur bei Bedarf (Langstreckenfahrten) ein Batterieanhänger gemietet werden.
- XEV Yoyo ist ein Leichtelektrofahrzeug, dessen Speicherkapazität in drei einzelne Batterien aufgeteilt ist. Mit 25 kg ist jede einzelne gerade noch tragbar. Eine Tankstellenkette bietet den Tausch entladener gegen geladene Batterien an, dabei kommt auch ein Gestell auf Rollen zum Einsatz, sodass nicht schwer gehoben werden muss.
Ein Projekt, das bis auf Größe und Speicherdauer dieser Charakterstik relativ ähnlich ist, wurde unter dem Titel "High-T-Stor" von der Technischen Hochschule Mittelhessen erprobt. Der Speicher dieses Projekts ist nahezu würfelförmig mit ca. 2,4 m Seitenlänge und besteht aus Keramikziegeln, die auf bis zu 1200°C aufgeheizt werden können, die Isolierung ist etwa 60 cm dick. Dieser Speicher verliert pro Tag etwa 5% seines Wärmeinhalts. Zur Rückverstromung wird ein extern beheizter Gasturbinenprozess genutzt: Der Wärmespeicher wird mit Luft durchblasen und die aufgeheizte Luft gibt ihre Wärme danach mittels eines Wärmetauschers an die unter Druck stehende Luft in der Gasturbine ab. Eine direkte Erhitzung unter Druck stehender Luft oder die Aufheizung von Dampf direkt im Hochtemperaturspeicher wäre verfahrenstechnisch nicht handhabbar. Die Abwärme des Gasturbinenprozesses wird für Fernwärme genutzt.
Gas-&-Dampftrubinenkraftwerke erreichen ohne Fernwärmenutzung bis über 60% elektrischen Wirkungsgrad, eine maximale Nutzung des eingesetzten Brennstoffs ergibt sich bei Fernwärmeauskopplung mit 54% elektrischem Wirkungsgrad und 31% Fernwärmenutzung, sodass nur 15% effektiv verloren gehen. Bei einem Gas- und Dampfturbinenprozess auf Basis eines Carnot-Batterie-Wärmetauschers ist jedoch von einem geringeren elektrischen Wirkungsgrad auszugehen, weil die Speichertemperatur geringer ist als die Temperatur einer Gasflamme. Eine Abschätzung nach dem Carnot'schen Wirkungsgradgesetz ergibt etwa 35% elektrischen Wirkungsgrad. Bei einem unveränderten Gesamtnutzungsgrad von 85% steigt damit die Fernwärmenutzung auf 50% der aus dem Speicher entnommenen Wärmemenge.
Neue Ideen: Tauschbatterien als Teil eines modularen Fahrzeugkonzepts oder zur Umrüstung von Verbrenner-Pkw
Zusätzlich möchte ich zwei Ideen von mir präsentieren, wie man die Vorteile von Tauschbatterien mit weiterem Zusatznutzen kombinieren könnte:
Mit den in der Abbildung gezeigten Proportionen ergibt sich für das Batteriemodul ein nutzbares Volumen von etwa 150 l, dies entspricht einer Kapazität von etwa 50-55 kWh als Lithium-Ionen-Akku oder etwa 20 kwh als Natrium-Ionen-Akku. Bei einem für elektrische Kleinwagen üblichen Stromverbrauch entspricht das einer Reichweite von ca. 330 km (Li-Ion) bzw. ca. 130 km (Na-Ion). Zusätzlich ist in der Basiseinheit eine Batterie fix verbaut, die auch ohne das Batterie-Zusatzmodul für eine bescheidene Alltagsreichweite sorgt.
Jeder einzelne Rollenakku wiegt etwa 7,5 kg. Bei öffentlichen Batterietauschstationen wäre jedenfalls ein weitgehend automatisiertes System angebracht, das vollgeladene Batterien in das Fahrzeug rollen lässt und die herausrollenden leeren der Wiederaufladung zuführt. Wer die Rollenakkus nur wenige Male im Jahr von der Heimladestation ins Fahrzeug und zurück bewegen muss kann dies freilich auch händisch tun.
Zentrale, saisonale Hochtemperatur-Carnot-Batterien
Bisherige Entwicklungen
Die verschiedenen bisherigen Ansätze unterscheiden sich nach:
Zum aktuellen Stand der Technik gibt es (meines Wissens) nur Carnot-Batterien, die dazu gedacht sind, Energie für einige Stunden bis Tage zu speichern.
Bedarf nach Lösungen für die saisonale Stromspeicherung
Ausgehend vom Stand der Technik und der energiepolitischen Entwicklungen der letzten Jahre zeichnet sich ein großer Bedarf nach praktikablen und wirtschaftlichen Lösungen zur saisonalen Speicherung von elektrischer Energie ab. Die extrem sommersaisonale Photovoltaik erlangt wesentlich rascher Verbreitung als die Windenergie, die zwar als tendenziell winterdominierte Stromquelle energiewirtschaftlich vorteilhafter wäre, aber durch lange Genehmigungsverfahren gehemmt wird und häufig auf (unberechtigten) örtlichen Widerstand stößt. Ebenso auf Widerstand und mangelnden Umsetzungselan stößt der Ausbau der hochrangigen Stromnetze, der aber gerade im Zusammenhang mit Windenergie dringend notwendig wäre um einen Ausgleich zwischen Regionen mit Windstille und solchen mit aktuell höheren Windgeschwindigkeiten zu schaffen. Auf der Verbrauchsseite wiederum gibt es zwar den positiven Trend zum vermehrten Einsatz von Wärmepumpen anstelle von Gas- oder Ölheizungen, davon aber gehäuft die weniger effizienten Luftwärmepumpen und seltener als erhofft die effizienteren Erd- oder Grundwasserwärmepumpen. Gleichzeitig gibt es immer noch zu wenig Fortschritt bei der thermischen Sanierung des Gebäudebestands. Beides liegt weniger an den Kosten der Energieeffizienzsteigerung als am höheren organisatorischen und administrativen Aufwand, insbesondere sobald sich beispielsweise eine ganze Wohnungseigentumsgemeinschaft auf ein gemeinsames Vorgehen einigen muss. Sowohl die große Bedeutung der Photovoltaik, als auch der zunehmende Strombedarf für Wärmepumpen steigert die Dringlichkeit für saisonale Speicherlösungen. Ein massiver Ausbau weiterer Speicherwasserkraftwerke in relevantem Ausmaß erscheint aus Naturschutzperspektive und hinsichtlich geeigneter Standorte weitgehend illusorisch. Als bisher einzige breit diskutierte technische Lösung bleibt daher die Herstellung synthetischen Methans ("grünes Gas") und dessen Rückumwandlung in Strom und Fernwärme. Nachdem aber auch bei dieser Technologie in den Sternen steht, wann sie zu welchen Kosten in welchem Ausmaß anwendbar sein wird, wäre es sehr vernünftig, auch die Entwicklung einer anderen Lösung voranzutreiben: der saisonalen Carnot-Batterie.
Denkbare Charakteristika einer saisonalen Carnot-Batterie
Eine saisonale, also im Sommer aufzuladende und im Winter zu entladende Carnot-Batterie bedeutet einerseits die Herausforderung, eine große Wärmemenge mit möglichst wenig Verlust über lange Zeit zu speichern. Sie hat aber andererseits den Vorteil, dass die Rückverstromung im Winter erfolgt, sodass dabei anfallende Abwärme nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung sehr gut für Fernwärme genutzt werden kann.
Daraus ergeben sich folgende Merkmale:
Detailaspekte zum Schluss
Warum wird hier Biomasse nicht erwähnt?
Warum wird hier Wasserstoff nicht erwähnt?
Wasserstoff, der nicht kurz nach seiner Produktion entweder industriell verbraucht oder zu synthetischen Kohlenwasserstoffen weiterverarbeitet wird, müsste zwischengespeichert werden. Das ist bei Wasserstoff nur mit viel größerem Aufwand für Verflüssigung oder extreme Kompression möglich als bei Methan oder flüssigen Kohlenwasserstoffen. Außerdem müssten Heizkraftwerke und Leitungsinfrastruktur technisch angepasst werden, während bei synthetischem Methan die gleichen Anlagen verwendet werden könne, die bisher mit fossilem Erdgas arbeiten.
Warum wird die Abwärme von Elektrolyse und Kohlenwasserstoffsynthese als nicht nutzbar erachtet?
Die Abwärme der Elektrolyse muss zwangsläufig genau dann anfallen, wenn überschüssige erneuerbare Energie vorliegt, also im Sommerhalbjahr. Wenn man nicht den großen Aufwand der Zwischenspeicherung großer Mengen Wasserstoffs in Kauf nehmen will gilt das Gleiche auch für die Kohlenwasserstoffsynthese. Zusätzlich fällt diese Abwärme auf relativ geringem Temperaturniveau an und kann daher nicht als Hochtemperatur-Prozesswärme genutzt werden. Wärme auf niedrigerem Temperaturniveau wird zwar auch im Sommer benötigt (z.B. Warmwasserbereitung oder industrielle Trocknungsprozesse), dafür kann aber auch sehr günstig und effizient Solarthermie (Sonnenkollektoren, insbesondere Hybridkollektoren) oder die Abwärme von Kühl- und Klimatisierungsprozessen genutzt werden.
Könnte man nicht Elektroautos (mit ausschließlich fest verbauter Batterie) auch auf Park-&-Ride-Plätzen, die mit einer Photovoltaik-Anlage überdacht sind, als Stromspeicher verwenden?
Das könnte man durchaus auch tun. Allerdings kann eine große Photovoltaik-Anlage auf einem Park-&-Ride-Platz auch gut an das höherrangige Stromnetz anschließen, oder auch direkt an die Fahrleitung der Eisenbahn oder die Stromschiene der U-Bahn, die dort verläuft. Gegen das dringendere Problem der Überlastung des niederrangigen Stromnetzes durch viele kleine Hausdachanlagen hilft es jedenfalls nicht. Zusätzlich muss das Elektroauto dann jedesmal auch am Park-&-Ride-Platz an- und abgesteckt werden und es sind kompliziertere Verrechnungswege für den zwischengespeicherten Strom nötig.
Könnte man e-Fuels und synthetisches Methan nicht auch aus äquatornahen Wüstenstaaten importieren?
Technisch gesehen ja, praktisch handelt es sich bei den allermeisten in Frage kommenden Ländern leider um autoritäre und/oder instabile Staaten. Es gibt daher keine zuverlässigen Mittel, den Aufbau solcher Kapazitäten in Gang zu setzen und es wäre geopolitisch höchst unvernünftig, sich neuerlich in solche Abhängigkeiten zu begeben.
Gäbe es nicht noch andere Alternativen als diese aufwändigen Speichertechnologien?
Ja, aus technischer und energiewirtschaftlicher Sicht wären das insbesondere:
Alle diese Maßnahmen sind wünschenswert, stellen meines Erachtens aber eher Ergänzungen als Alternativen zur Energiespeicherung dar: Je mehr davon umgesetzt werden kann, umso weniger Speicherkapazität wird benötigt. Wie zuvor beschrieben deuten die Entwicklungen der vergangenen Jahre aber eher darauf hin, dass der Speicherbedarf besonders hoch ausfallen wird.
Quellen und Annahmen in einem separaten Dokument