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22. Februar 2020

Fachartikel: Wasserstoffspeicher als Langzeitspeicher für PV-Strom?

Die Stromproduktion von Photovoltaik- und Windkraftanlagen hängt stark vom Wetter, von der Tages- und von der Jahreszeit ab. Scheint die Sonne, produziert eine PV-Anlage Strom, scheint sie nicht, müssen Geräte, Licht und Heizung anderweitig mit Elektrizität versorgt werden. Häufig stimmt daher in einem Gebäude der Verlauf der Produktion nicht optimal mit dem Verlauf des Bedarfs überein. Was nicht direkt verbraucht werden kann, wird ins Verteilnetz eingespeist, ein Defizit durch ebendieses ausgeglichen.

Ausgangslage

Einerseits stellt diese Unregelmässigkeit in der Produktion eine wachsende Herausforderung für die Netzinfrastruktur dar, andererseits ist es vielen ProduzentInnen von erneuerbarem Strom ein Anliegen, den eigenen Strom zu einem möglichst grossen Teil vor Ort zu nutzen, statt diesen ins Netz einzuspeisen. Dies nicht zuletzt auch aufgrund der stetig sinkenden Vergütungen, welche für den eingespeisten Strom bezahlt werden.

Um den Eigenverbrauchsgrad zu erhöhen, gibt es unterschiedliche Ansätze. Zum einen lassen sich etliche Verbraucher wie Warmwassererzeugung, Wärmepumpe oder Haushaltsgeräte gezielt dann betreiben, wenn ausreichend Solarstrom produziert wird, zum anderen bieten stationäre, aber auch mobile Speichersysteme (Elektromobilität) die Möglichkeit, einen möglichst grossen Teil des produzierten Stroms vor Ort zu verwenden und auf diese Weise auch das Verteilnetz zu entlasten.

Die heute eingesetzten stationären Speichersysteme setzen in der Regel auf lithium-basierte Batteriezellen. Diese weisen eine hohe Robustheit und Zyklenfestigkeit auf und eignen sich für die kurzzeitige Speicherung von Elektrizität. Diese Batteriesysteme werden in der Regel so dimensioniert, dass sie den Bedarf einer Nacht oder allenfalls von 1-2 Tagen zu decken vermögen. Eine grössere Batteriekapazität, welche mehrere Tage oder gar Wochen und Monate abdecken kann, ist technisch zwar durchaus machbar, aber aus ökonomischer und ökologischer Sicht nicht sinnvoll, da die Systeme entsprechend gross dimensioniert werden müssten.

Wasserstoffspeicher könnten in Zukunft die mittel- und langfristige Speicherung von Solarstrom ermöglichen und so zu einem höheren Autarkiegrad und einer Stabilisierung des Verteilnetzes beitragen. Die Speicherung der Sonnenenergie in Form von Wasserstoff bietet die Möglichkeit, die im Sommerhalbjahr produzierten Überschüsse einer PV-Anlage in den ertragsärmeren Monaten zu nutzen.

Wie funktionieren Wasserstoff-Speichersysteme?

Das Prinzip von Wasserstoff-Speichersystemen ist einfach. Der überschüssige Strom wird dazu verwendet, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Das Wasserstoffgas wird abgeschieden und gespeichert. Bei Bedarf, beispielsweise im Winterhalbjahr, wird der Wasserstoff in einer Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie umgewandelt. Auch die entstehende Prozesswärme aus Elektrolyse und Brennstoffzelle kann genutzt werden.

Power to H2
Mittels der sogenannten Elektrolyse kann Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespaltet werden. Bei der Elektrolyse handelt es sich um einen Prozess, welcher bereits seit dem frühen 19. Jahrhundert bekannt ist. Im sogenannten Elektrolyseur wird mit Hilfe elektrischer Energie Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespaltet. Aus zwei Molekülen H2O entstehen zwei Moleküle H2 und ein Molekül O2. Der produzierte Wasserstoff kann nun in geeigneten Tanks gespeichert werden.

Abbildung 1: Die Elektrolyse von Wasser (Quelle: wikipedia.org)
Abbildung 1: Die Elektrolyse von Wasser (Quelle: wikipedia.org)

Wasserstoffspeicherung
Wie jedes andere Gas, kann auch Wasserstoff mit Hilfe eines Kompressors verdichtet werden. So lassen sich grosse Mengen H2 auf kleinem Raum zwischenspeichern. Je stärker der Wasserstoff komprimiert wird, desto geringer der Platzbedarf. Allerdings steigt mit zunehmendem Druck auch der Energiebedarf des Kompressors. Auf diese Weise lassen sich grosse Mengen Energie auf sehr kleinem Raum speichern. Die erreichbare volumetrische Speicherkapazität übersteigt dabei diejenige von Batteriespeichern um ein Vielfaches.

H2 to power
Um bei Bedarf den Wasserstoff wieder in nutzbare Energie (Strom und Wärme) zu wandeln, kann dieser entweder in H2-kompatiblen Gasturbinen verbrannt oder in Brennstoffzellen elektrochemisch genutzt werden. Im Gegensatz zur Nutzung von Erd- oder Biogas entsteht bei der Verwendung von Wasserstoff kein CO2, was den Prozess deutlich klimafreundlicher macht. In der Brennstoffzelle läuft der umgekehrte Prozess der Elektrolyse ab, wobei als "Abfallprodukt" reines Wasser entsteht. Es gibt etliche verschiedene Brennstoffzelltypen, wobei diese sich hauptsächlich durch die verwendeten Elektrolyten und die zum Einsatz kommenden Brenngase und Betriebstemperaturen unterscheiden.

Brennstoffzellen werden bereits heute sehr vielseitig für stationäre, aber auch für mobile Anwendungen eingesetzt. Vor allem die Automobilindustrie und die Hersteller von Heiz- und Blockheizsystemen investieren heute grosse Summen in die Weiterentwicklung der verschiedenen Brennstoffzelltechnologien. Die heute am häufigsten verwendete Technologie ist die Membran-Brennstoffzelle. Ihr Vorteil liegt in der vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur und der Tatsache, dass für die Reaktion neben reinem Sauerstoff auch Luft eingesetzt werden kann (Quaschning, 2019).

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Funktion einer Brennstoffzelle mit Polymermembran (Quelle: wikipedia.org)
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Funktion einer Brennstoffzelle mit Polymermembran (Quelle: wikipedia.org)

Wirkungsgrad von Wasserstoffspeichersystemen
Ein häufiger Kritikpunkt an der Wasserstoffspeichertechnologie ist der im Vergleich zu Batteriesystemen verhältnismässig tiefe Gesamtwirkungsgrad. In Bezug auf die Rückverstromung liegt dieser mit der heutigen Technologie in der Regel deutlich unter 50%, während der Gesamtwirkungsgrad von lithiumbasierten Batteriesystemen bei über 90% liegen kann (Quaschning, 2019).

Während Batteriesysteme bezüglich Rückverstromung einen klar besseren Wirkungsgrad aufweisen, bieten Wasserstoffspeicher andere Vorzüge. Einerseits lassen sich in intelligent gestalteten Systemen neben dem Strom auch die Prozesswärme nutzen, was den Gesamtwirkungsgrad des Systems deutlich verbessert. Andererseits ermöglicht die Wasserstoffspeicherung Anwendungen, für welche herkömmliche Batteriesysteme nicht wirklich in Frage kommen, insbesondere die mittel- und langfristige Speicherung von Überschüssen aus der Produktion erneuerbarer Energien.

Anwendungen für den Heimbereich: Batterie oder Wasserstoff?

Diese Frage lässt sich nicht so einfach beantworten. Wie so häufig, beginnt die Antwort mit "Kommt ganz darauf an…". Während sich Batterien für die kurzfristige Speicherung und Bereitstellung von Strom besser eignen, zeigen Wasserstoffspeichersysteme Vorteile bei der Langzeitspeicherung. Die Entscheidung über die Speichertechnologie hängt also vom Verwendungszweck ab.

Betrachten wir ein Wohnhaus mit einer PV-Anlage, sehen wir schnell, dass sowohl kurz- als auch langfristige Speicherung des überschüssigen PV-Stroms sinnvoll sein können. Einerseits möchten wir den tagsüber produzierten Überschuss in der kommenden Nacht oder am nächsten, verregneten Tag nutzen können, andererseits wäre es wünschenswert, den häufig grossen Produktionsüberschuss des Sommerhalbjahres für Zeiten mit wenig Sonnenschein zu speichern.

Wenn es darum geht, einen möglichst hohen Grad an Selbstversorgung zu erreichen, schliessen sich die beiden Speichertechnologien nicht etwa aus, sondern ergänzen sich optimal. Während der Batteriespeicher die kurzfristige Fluktuation zwischen Überschuss und Defizit in der Stromversorgung ausgleichen kann, übernimmt der Wasserstoffspeicher die längerfristige Energiespeicherung. Eine Einbindung des Wasserstoffspeichers in das Warmwasser- oder Heizsystem des Gebäudes optimiert die Energienutzung und den Autarkiegrad zusätzlich.

Ein Komplettsystem, welches kurz- und langfristige Stromspeicherung sowie Heizungsunterstützung integriert, wird von der Berliner Firma HPS Home Power Solutions GmbH produziert. Informationen zum Picea-System von HPS bietet diese Broschüre. Die Kosten für das Gesamtsystem gibt HPS mit ca. 60'000 bis 90'000 € an, je nach Auslegung.

Wasserstoff für Mobilität

Wasserstoff lässt sich nicht nur für die stationäre Energiespeicherung einsetzen. Es ist absehbar, dass in Zukunft H2-betriebene Fahrzeuge neben den sich aktuell rasch etablierenden batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen eine wichtige Rolle in der Mobilität der Zukunft spielen werden. Eine wasserstoffbasierte Mobilität kann ökologisch jedoch nur dann tragbar sein, wenn der Wasserstoff mit erneuerbarem Strom erzeugt wird und nicht, wie heute üblich, durch die Reformierung von Erdgas zu Wasserstoff.

Die österreichische Firma Fronius, im Photovoltaik-Bereich bestens bekannt durch ihre Wechselrichter, bietet mit dem SOLH2UB ein Komplettsystem für die Produktion von Wasserstoff und die Betankung H2-betriebener Fahrzeuge an. Ein solches System bietet sich insbesondere für grössere PV- oder Windkraftanlagen an, wo die Produktion den lokalen Strombedarf deutlich übersteigt.

Abbildung 3: Fronius SOLH2UB mit H2-Tankstelle (Quelle: fronius.com)
Abbildung 3: Fronius SOLH2UB mit H2-Tankstelle (Quelle: fronius.com)

Nachhaltigkeit

Es existieren bereits zahlreiche Studien zur Ökobilanz von Batteriespeichern. Entsprechende Studien zu stationären Anwendungen von Wasserstoffspeichersystemen sind seltener, doch auch in diesem Bereich werden seit einigen Jahren entsprechende Analysen durchgeführt. Da die beiden Speichersysteme unterschiedliche Zwecke erfüllen, lassen sie sich nicht so einfach vergleichen. Würde ein Batteriespeicher so gross dimensioniert, dass er zur saisonalen Stromspeicherung eingesetzt würde, so würde er aus ökologischer Sicht deutlich schlechter abschneiden als ein Wasserstoffspeicher mit demselben Verwendungszweck. Wird hingegen nur die kurzfristige Speicherung und Bereitstellung von Elektrizität verglichen, so schneiden Batteriesysteme deutlich besser ab, nicht zuletzt wegen dem deutlich höheren Gesamtwirkungsgrad. Die Ökobilanz hängt zudem bei beiden Systemen stark von der Materialzusammensetzung, dem Produktionsprozess und der Rezyklierbarkeit der eingesetzten Komponenten ab. (N. Belmonte et al., 2016; Nadia Belmonte et al., 2017; Zhang et al., 2016).

Fazit

Die Herstellung von Wasserstoff mit Hilfe von erneuerbarer Energie stellt eine zukunftsfähige Möglichkeit zur mittel- und langfristigen Speicherung der wetter- und jahreszeitabhängigen Produktionsüberschüsse dar. Auf diese Weise können Strom und Wärme erzeugt oder Fahrzeuge angetrieben werden.

Während sich Batteriespeicher für die kurzfristige Speicherung elektrischer Energie etabliert haben, können Wasserstoffspeicher als Ergänzung dienen, um einen möglichst hohen Eigenverbrauchs- und Selbstversorgungsgrad zu erreichen. Grundsätzlich ist bei entsprechender Dimensionierung sogar eine 100-prozentige Energieautarkie des Gebäudes möglich, wenn ein solches Komplettsystem bspw. mit einer Wärmepumpe kombiniert wird. Aus ökonomischer und ökologischer Sicht ist allerdings fraglich, ob eine vollständige Energieautarkie tatsächlich erstrebenswert ist.

Wasserstoffspeicher werden in der Energieversorgung der Zukunft mit grosser Wahrscheinlichkeit eine wichtige Rolle spielen im Ausgleich von Produktions- und Verbrauchsschwankungen und auf diese Weise dazu beitragen, die Netzinfrastruktur zu entlasten.

Ähnlich wie bei den Batteriespeichern oder PV-Modulen bereits geschehen, ist auch bei den Wasserstoffspeichersystemen damit zu rechnen, dass die Kosten durch Prozessoptimierung und Skaleneffekte in den kommenden Jahren sinken werden.

Autor: Michael Götz, Solarville AG

 

 

 

 

Literatur
Belmonte, N., Girgenti, V., Florian, P., Peano, C., Luetto, C., Rizzi, P., & Baricco, M. (2016). A comparison of energy storage from renewable sources through batteries and fuel cells: A case study in Turin, Italy. International Journal of Hydrogen Energy, 41(46), 21427–21438. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.07.260

Belmonte, Nadia, Luetto, C., Staulo, S., Rizzi, P., & Baricco, M. (2017). Case Studies of Energy Storage with Fuel Cells and Batteries for Stationary and Mobile Applications. Challenges, 8(1), 9. https://doi.org/10.3390/challe8010009

Quaschning, V. (2019). Regenerative Energiesysteme Technologie – Berechnung – Klimaschutz.

Zhang, Y., Lundblad, A., Campana, P. E., & Yan, J. (2016). Comparative Study of Battery Storage and Hydrogen Storage to Increase Photovoltaic Self-sufficiency in a Residential Building of Sweden. Energy Procedia, 103, 268–273. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2016.11.284

 

 

 

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