3.2.1 Allgemeines
Chemische Energiespeicher sind in der Lage, mit Hilfe chemischer Stoffe, Energie über einen längeren Zeitraum zu speichern. Hauptsächlich werden sie genutzt, um längere Phasen, mit zu hohem oder niedrigen Angebot an Wind- bzw. Solarenergie, zu überbrücken. [1]
Hierbei spielen Wasserstoff und Methan eine wichtige Rolle.
3.2.2.Wasserstoff
- Elektrolyse von Wasser [11]
Dadurch, dass in den nächsten Jahren immer mehr auf Windenergie gesetzt wird, bekommt Wasserstoff, als Energiespeicher, eine immer größer werdende Bedeutung.
Da Wasserstoff eine hohe Energiedichte besitzt, also sehr viel Energie pro Volumeneinheit speichern kann, ist es in der Lage, Energie in großer Menge, langfristig zu speichern.
Sollte beispielsweise mehrere Tage keine Windenergie gewonnen werden, aus häufig auftretenden Gründen, wie zum Beispiel Windflauten, ist man in der Lage, mit Hilfe von Energiespeicherung durch Wasserstoff, diese Zeit zu überbrücken.
Bei der Elektrolyse von Wasser, wird das Wasser, durch den überschüssig produzierten Strom (hier:Solarstrom), in Wasserstoff und Sauerstoff geteilt. Der Wasserstoff kann nun zur Speicherung, zum Transport und zur Verteilung verwendet werden. Anschließend wird der Wasserstoff, in einer Brennstoffzelle, mit Hilfe des Sauerstoffs, in elektrische Energie umgewandelt. Um daraus erneut Strom gewinnen zu können, wird der Prozess der Elektrolyse umgekehrt. Daher dient Wasserstoff als Zwischenspeicher, zwischen dem Verbraucher und Erzeuger. [2]
Wasserstoff besitzt einen Wirkungsgrad von ca. 35-40 Prozent. Dies bedeutet, dass 60-65 Prozent der Energie während der Eleytrolyse und in der Brennstoffzelle verloren gehen. Außerdem sind die benötigten Brennstoffzellen bisher nur als Prototypen aufzufinden.
Da die Energiespeicherung duch Wasserstoff jedoch ein sehr kostengünstiges Verfahren ist, um Strom zu speichern, wird Wasserstoff im Jahre 2050, laut dem Energiekonzept, im Bereich der Windstromspeicherung eine große Rolle spielen.
Der Prozess der Energiespeicherung durch Wasserstoff könnte bald in der Lage sein, Kohle- oder Gaskraftwerke zu ersetzen. [3]
3.2.2.1 Vorteile von Wasserstoff
Die Vorteile der Energiespeicherung durch Wasserstoff sind folgende:
- Wasserstoff lässt dich gut transportieren ( da es sowohl gasförmig, als auch flüssig anzufinden ist )
- Wasserstoff lässt sich gut aufbewahren ( z.B. in Druckgasflaschen, Gasometern,etc. )
- Die energetische Nutzung trägt nicht zum Treibhausgas bei ( da bei der Verbrennung in Motoren/Brennstoffzellen, Strom, Wärme oder Bewegung erzeugt wird, wobei lediglich Wasser entsteht )
- Wasserstoff lässt sich umweltfreundlich und klimaneutral produzieren ( durch die oben erklärte Elektrolyse von Wasser )
- Wasserstoff ist vielseitig einsetzbar ( z.B. als Energiespeicher in Stromerzeugern, als Brennstoff zum Heizen oder auch als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge )
3.2.2.2 Nachteile von Wasserstoff
Mit Hilfe von Wasserstoff lässt sich Energie in großen Mengen speichern.
Dennoch gibt es einige Nachteile, bei diesem Prozess, welche berücksichtigt werden müssen:
- Der geringe Wirkungsgrad ( liegt nur bei 35-40 % )
- Je größer die Anzahl von Windparks, desto geringer die Auswirkungen der Windflauten ( was dazu führt, dass weniger Überbrückung durch Wasserstoff benötigt wird )
- Es wird schwierig werden, das Stromangebot und die Stromnachfrage in Gleichgewicht zu halten ( dafür werden Verbrauchsgeräte benötigt, welche in dieser Form zurzeit noch nicht existieren )
3.2.2.3 Fazit Wasserstoff
Allein durch die Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile des Wasserstoffs lässt sich erkennen, dass der Wasserstoff sehr nützlich für die Menschheit werden könnte und daher auch ausdrücklich im Energiekonzept des Jahres 2050, als eines der zukünftigen chemischen Energiespeichern erwähnt wird. Die Nachteile des Wasserstoffs sind sehr gering und die Aspekte, wie beispielsweise den Wirkungsgrad, lassen sich im Laufe der Jahre sicherlich noch weiter verbessern und eventuell zu Vorteilen umwandeln.
Als Fazit lässt sich zusammenfassen, dass Wasserstoff als chemischer Energiespeicher, zurecht eine große Rolle in der Zukunft vorrausgesagt wird.
3.2.3 Methan
- Kugel-Stab-Modell von Methan [12]
Neben der Energiespeicherung durch Wasserstoff gibt es eine weitere Methode, um größere Mengen an Energie speichern zu können. Dies kann ebenso mit Hilfe des Stoffes Methan geschehen.
Methan wird elektrolytisch aus Biogasanlagen und Wasserstoff gewonnen. Der große Vorteil hierbei ist, dass das Methan durch bereits vorhandene Infrastrukturen, wie die Erdgasleitungen, fließen kann und somit die Stromnetze sehr stark entlasten könnte.
Methan entsteht durch den so genannten Sabatier-Prozess. Hierbei geschieht eine chemische Reaktion, bei der Kohlenstoff und Wasserstoff in Methan und Wasser umgewandelt werden. Die Methanerzeugung lässt sich durch Klärschlamm, Müll auf Deponien oder Gülle aus der Landwirtschaft relativ simple bewältigen. Bioreaktoren könnten damit etwa ein Prozent der Deutschen bei Energieknappheit versorgen. [4]
Der energetische Wirkungsgrad des Sabatier-Prozesses liegt bei über 60 Prozent. Der Wirkungsgrad von Methan lediglich bei 24-42 Prozent. [5]
Zurzeit läuft ein Projekt, in dem bis zum Jahr 2012 eine Biogasanlage in Betrieb genommen werden soll, in der Biogas ohne Kohlenstoffdioxid-Abtrennung methanisiert werden soll. Diese Biogasanlage ist an eine 10 MW-Wind-to-Methan-Anlage gekoppelt.
Das Verfahren der Verkopplung der Methanherstellung wird beispielsweise in Kraftwerken, Biogasanlagen, bei der Synthesegasherstellung, oder auch bei der Zementherstellung benutzt, um die Kohlenstoffdioxid-Bilanz neutral zu halten. [6]
3.2.3.1 Vorteile von Methan
- Methan ist leicht herzustellen ( durch Schlamm. Mülle, Gülle, etc. )
- Methan lässt sich leicht transportieren ( durch bereits vorhandene Infrastrukturen, wie Erdgasleitungen )
- hohe Speicherdauer ( Monate bis Jahre kann Energie gespeichert werden )
- hohe Speicherkapazitäten ( bis zu 10 kWh/Nm³ )
- hohe Leistung ( bis zu 200 MW )
3.2.3.2 Nachteile von Methan
- Treibhauseffekt ( Methan ist ein Gas, welches zum Treibhauseffekt und zum Klimawandel sehr stark beitritt )
- geringer Wirkungsgrad ( lediglich 24-42 Prozent )
- hohe Preise ( der Biomethanpreis pro kWh ist zurzeit noch höher als der, des Erdgases )
3.2.3.3 Fazit Methan
Methan ist eine eben so gute Lösung, um chemisch Energie zu speichern, wie Wasserstoff. Methan besitzt jedoch die stärkeren Nachteile. Da Methan zum Treibhauseffekt beiträgt und die Preise zurzeit noch hoch sind, ist Methan scheinbar nicht so gut zur Speicherung von Energie zu gebrauchen. Doch da für die Methanspeicherungen keine höheren Kosten entstehen, aufgrund bereits vorhandenen Infrastrukturen und der Transport schnell vonstatten gehen kann, ist Methan ein Energiespeicher, auf den man die nächsten Jahre stark setzen wird.
3.2.4 Beispiel: Biomethananlagen
- Funktionen Biomethananlage in Mühlacker [13]
Eine Biomethananlage ist in der Lage, Methan zu erzeugen. Die Biomethananlage in Mühlacker besitzt folgende Funktionsweisen. [7]
Zunächst werden Energiepflanzen angebaut. Diese werden in der Biomethananlage innerhalb von drei Schritten zu Methan. Zu Beginn findet der Vergärungs-Prozess statt. Anschließend gibt es die Gasaufbereitung, gefolgt von der Gaseinspeisung. Nach diesen Prozessen kann das entstandene Methan mit Hilfe der Erdgasleitungen, direkt zum Verbraucher geführt werden. [8,9]
Biomethananlagen gibt es in Deutschland in Mühlacker, in Wriezen und in Pliening. [10]
- Biomethananlage in 3D [14]
3.2.5 Quellen
Textquellen:
- http://www.hems-renewables.de/uploads/media (Aufgerufen am 25.11.2010)
- http://www.thema-energie.de/energie-im-ueberblick/technik/speicher-netze/grundlagen/wasserstoff-als-energiespeicher.html/10.06.vision_fuer_nachhaltiges_energiekonzept_01.pdf (05.12.2010)
- http://www.wdr.de/themen/wissen/1/energie_der_zukunft/beitrag.php?l=3&b=5 (05.12.2010)
- http://www.aktuelle-wochenschau.de/w15/woche15.html (05.12.2010)
- http://de.wikipedia.org/wiki/Methan (07.12.2010)
- http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th2010-3/v2010_23.pdf (07.12.2010)
- http://www.vdi-nachrichten.com/vdi-nachrichten/aktuelle_ausgabe/akt_ausg_detail.asp?cat=2&id=47457&source=rubrik (07.12.2010)
- http://www.duh.de/uploads/media/4_Meeh_291107_01.pdf (12.12.2010)
- http://www.muehlacker.de/biomethan/funktionsweise_schema.php?navid=6 (12.12.2010)
- http://www.resprojects.de/10.html (12.12.2010)
Bildquellen:
- http://www.thema-energie.de/index.php?eID=tx_cms_showpic&file=fileadmin (05.12.2010)
- http://www.biokurs.de/chemkurs/skripten/bilder/methan2.jpg (07.12.2010)
- http://www.muehlacker.de/biomethan/funktionsweise_schema.php?navid=6 (12.12.2010)
- http://www.haase-energietechnik.de/de/Products_and_Services/Biogas/Biomethananlagen/ (12.12.2010)