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Chemische Energiespeicherung

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Definition: Speicherung von Energie mit Hilfe chemischer Energieträger

Englisch: chemical energy storage

Kategorie: Grundbegriffe

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Erstellung: 20.12.2013

Energiespeicher können auf den unterschiedlichsten physikalischen Prinzipien beruhen. Manche davon basieren auf der Speicherung chemischer Energie. Im Prinzip kann man alle fossilen Energieträger als chemische Energiespeicher ansehen, jedoch wird der Begriff meist für solche Speicher verwendet, bei denen chemische Energie aus anderen Energieformen technisch hergestellt wird, so dass also überschüssige Energie eingespeichert werden kann. Ein prominentes Beispiel hierfür ist die Technologie “Power to Gas”, wo EE-Gas (Wasserstoff oder auch Methan) mit Hilfe überschüssiger elektrischer Energie herstellt wird.

Nicht eingeschlossen sind üblicherweise elektrochemische Speicher wie Akkumulatoren (aufladbare Batterien), obwohl dort die Energie auch in chemischer Form gespeichert wird. Es wird dort aber normalerweise kein separat lagerbarer chemischer Energieträger erzeugt. Eine Ausnahme sind freilich Redox-Flow-Batterien, bei denen ein chemischer Energieträger separat gespeichert wird; hier kann man durchaus von chemischer Speicherung sprechen.

Große Speicherkapazitäten, Potenzial für Langzeitspeicherung

Ein grundlegender Vorteil chemischer Energiespeicherung ist, dass die Speicherkapazität nicht durch die Größe einer entsprechenden Anlage begrenzt ist. Man kann nämlich die erzeugten chemischen Energieträger separat speichern – beispielsweise in großen unterirdischen Gaskavernen oder in den Erdgas-Netzen. Die Anlagengröße begrenzt nur die umsetzbare Leistung.

Die Energiedichte chemischer Speicher ist relativ hoch. Beispielsweise kann ein Gasspeicher weitaus mehr Energie speichern als ein Druckluftspeicherkraftwerk mit demselben Speichervolumen.

Chemische Energieträger sind vor allem gut für die Langzeitspeicherung geeignet. Sind sie nämlich einmal erzeugt, können sie ohne weitere Energieverluste gelagert werden; ein solcher Speicher weist also kaum eine “Selbstentladung” auf. Bei Kurzzeitspeichern kommt dieser Vorteil weniger zum Tragen, und die Ein- und Ausspeicherverluste werden wichtiger; hierfür sind chemische Energiespeicher also weniger geeignet.

Transport

Chemische Energiespeicher lassen sich meist auch gut transportieren. Beispielsweise kann EE-Gas mit moderaten Energieverlusten (für die Kompression) durch Pipelines geschickt werden, und z. B. das deutsche Erdgasnetz hat eine enorme Transportkapazität.

Energieverluste bei Herstellung und Verwendung

Bei der Herstellung chemischer Energieträger z. B. aus elektrischer Energie treten leider erhebliche Energieverluste auf. Zwar kann die Elektrolyse Wasserstoff im Prinzip mit Wirkungsgraden von über 80 % erzeugen, aber da solche Anlagen sehr teuer sind, geht die Gesamtoptimierung eher in Richtung großen Durchsatzes mit geringerem Wirkungsgrad von z. B. 70 % – insbesondere wenn es um die Verwertung von Überschüssen geht, die nur zu einem kleineren Teil eines Jahres anfallen. Sonst werden nämlich die spezifischen Anlagekosten zu hoch.

Wenn Wasserstoff nicht direkt gelagert und verwendet werden kann, sondern noch eine Methanisierung nötig ist, gehen dabei nochmals z. B. 20 % der Energie verloren.

Energieverluste bei Einspeichern und bei der Verwendung sind das zentrale Problem chemischer Energiespeicher.

Weitere Energieverluste erfolgen dann bei der Verwendung. Beispielsweise haben neue Spitzenlast-Gasturbinenkraftwerke für die Rückverstromung nur einen Wirkungsgrad von ca. 40 %. Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke sind zwar deutlich effizienter (mit bis zu ca. 60 %), jedoch rentieren sie sich erst bei vielen Volllaststunden pro Jahr, eignen sich also kaum für den Einsatz vorwiegend im Spitzenlastbereich, wie er für Speicher meist gebraucht wird. Auch die Abwärmenutzung (Kraft-Wärme-Kopplung) gelingt im Spitzenlastbereich selten.

Wenn das EE-Gas nur für Heizzwecke genutzt würde, wären zwar die Energieverluste auf der Seite der Nutzung gering, aber man hätte keinen echten Speicher für elektrische Energie und würde die überschüssige Energie zu einer niederwertigen Energieform degradieren.

Da die Energieverluste an vielen Stellen von langen Prozessketten auftreten, ist nicht anzunehmen, dass sie durch weitere technische Fortschritte massiv reduziert werden können.

Mögliche Einsatzfelder

Der Einsatz chemischer Energiespeicher, insbesondere von EE-Gas, wird häufig als für die Energiewende notwendig beschrieben. Er erscheint bisher als die einzig mögliche technische Lösung, wenn ein Land wie Deutschland die Energiewende im Strombereich weitgehend eigenständig realisieren möchte. Große Speicherkapazitäten (Dutzende von Terawattstunden) werden dann nämlich benötigt, um die fluktuierend anfallenden Energiemengen aus Windenergie und Photovoltaik nutzbar zu machen, wenn diese einen Großteil der Stromversorgung abdecken sollen. Und andere Speichertechnologien wie z. B. Pumpspeicherkraftwerke oder Druckluftspeicherkraftwerke sind nicht in der Lage, für dieses Szenario ausreichende Speicherkapazitäten zur Verfügung zu stellen.

Der große Nachteil dieses Ansatzes ist freilich, dass die Kosten sehr hoch werden. Dies liegt nicht nur an den Anlagekosten, sondern vor allem auch an den großen Energieverlusten. Wenn ein Zykluswirkungsgrad von z. B. nur 33 % erreicht wird, wird die dreifache Menge überschüssiger Wind- oder Sonnenenergie benötigt, um eine bestimmte Energiemenge aus dem Speicher beziehen zu können.

Wenn große Speicher zwangsläufig hohe Energieverluste und Kosten verursachen, sollte man nicht den Speicherbedarf massiv reduzieren?

Da weder neue Speichertechnologien noch bessere Stromerzeugungstechnologien (mit besser steuerbarer Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien) absehbar sind, lassen sich die genannte Probleme voraussichtlich nur lösen, indem die Prämisse einer vorwiegend nationalen Lösung aufgegeben wird. Ein europäisches Supergrid würde den Bedarf an Speichern massiv reduzieren, ebenfalls die auftretenden Energieverluste, und gleichzeitig günstigere erneuerbare Energiequellen erschließen. Die Kosten wären deswegen auch massiv geringer.

Siehe auch: Energiespeicher, chemische Energie, Power to Gas, EE-Gas, Energieträger, Supergrid
sowie andere Artikel in der Kategorie Grundbegriffe

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