Hybridkraftwerk

Wind aus der Dose

Windenergie statt schmutziger Kohle, das wollen viele. Doch was tun bei Sturm oder Flaute? Hybridkraftwerke machen gewonnene Energie speicherbar und könnten der fossilen Konkurrenz langfristig in allen Bereichen den Garaus machen.

Am Smartphone? Youtube-App via Link: tr.im/Wind

von Bastian Welte und Stefanie Mnich

Es ist wohl irgendetwas zwischen Paradoxon und Schicksal. Ausgerechnet in Cottbus, mitten in der Lausitz, wird an einer Technologie geforscht, die den Menschen in der Region eine Perspektive bieten könnte, und diese gleichzeitig noch so sehr nach Zukunftsmusik klingt. An einer abgelegenen Stelle des Campus ragt ein Wasserstofftank wie ein Silo senkrecht in die Höhe, daneben ein Gebäude unscheinbar wie eine Alubox. Hier macht das Team um Dr. Ulrich Fischer vom Wasserstoff-Forschungszentrum Strom speicherbar – in Form von Wasserstoff.

Eine einfache Gleichung

Mithilfe eines Elektrolyts wandelt Strom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff um. Power-To-Gas heißt diese Technologie, die beispielsweise Hybridkraftwerke nutzen. Erneuerbare Energien werden dadurch unabhängiger: Denn wenn Windräder mehr Strom produzieren als ins Netz eingespeist werden kann, wird er einfach als Wasserstoff gespeichert. In Zeiten der Flaute steht dann trotzdem Energie zur Verfügung. Die kann als Kraftstoff im Verkehr genutzt werden, zum Beispiel für Wasserstoffautos, oder sie wird ins Wärmenetz eingespeist. Strom wird aus dem gespeicherten Wasserstoff meistens nicht mehr. Wirtschaftlich zu unrentabel ist das im Moment wegen des Struktur des Strommarktes und den Energieverlusten bei der sogenannten Rückverstromung.

Hybridkraftwerke nutzen die Power-To-Gas-Technologie, die Energie in Form von Wasserstoff speicherbar macht. Das Kraftwerk in Prenzlau hat Dr. Ulrich Fischer mitentwickelt. Der Physiker forscht seit 1994 an der BTU zu erneuerbaren Energien, erst zu thermischen Speichern und Solarfassaden, seit 2012 am Wasserstoff- und Speicherforschungszentrum. Ein Jahr später hat er dessen Leitung übernommen und arbeitet dort an  „Power-To-Gas“.

Wie funktioniert ein Hybridkraftwerk?

Das Grundprinzip eines Hybridkraftwerks besteht darin, Überschussenergie aus erneuerbaren Energien zwischenzuspeichern und zu einem späteren Zeitpunkt rückzuverstromen. Das heißt man nimmt erneuerbare Energien, zum Beispiel Windkraft oder Energie aus Photovoltaik-Anlagen, und speist damit einen sogenannten Elektrolyseur. Das ist ein Gerät, das mit Gleichstrom Wasser spaltet in Wasserstoff und Sauerstoff. Man nutzt den Wasserstoff nach einer Zwischenspeicherung weiter, zum Beispiel zur Rückverstromung zu einem späteren Zeitpunkt, und kann damit Windstromspitzen und Spitzen aus Photovoltaik-Energie zwischenspeichern und zu einem späteren Zeitpunkt rückverstromen.

Könnte ein Hybridkraftwerk auch mit Braunkohle funktionieren?

Im Grunde genommen ist es ja so, dass wir Energieerzeugung und Energieverbrauch ausgleichen möchten. Das Hybridkraftwerk ist eine Möglichkeit beispielsweise Überschussenergie aus Sonnenenergie aus erneuerbaren Energien sinnvoll in den Verbrauchsmarkt zeitgerecht zu liefern.

Kombinationen aus einem Hybridkraftwerk aus erneuerbaren Energien und beispielsweise konventionellen Energien sind durchaus sinnvoll und werden auch in der Forschung betrachtet.

Könnten sich Braunkohle- und Hybridkraftwerke auch ergänzen?

Was sinnvoll ist, ist mit Sicherheit, verschiedene Speicherkonzepte zu nutzen um die Flexibilität von konventionellen Kraftwerken wie Braunkohlekraftwerken zu erhöhen. Es gibt Ideen, beispielsweise Wärmespeicher in Braunkohlekraftwerken zu integrieren um ein Braunkohlenkraftwerk damit auch flexibler zu machen. Also die Leistungsminima zu reduzieren oder schneller zu reagieren. Genauso gut kann man sich auch vorstellen, dass man etwa Wasserstoffproduktion nutzt, um bei einem Kraftwerk die Flexibilität dadurch zu erhöhen, dass man einen Teil der Stromproduktion in die Elektrolyse schickt, zwischenspeichert und so mit der Kombination aus Elektrolyse und Braunkohlenkraftwerk die Flexibilität erhöht.

Wie effektiv arbeitet die Technologie?

Gegenwärtig sind die Technologien, die wir zur Verfügung haben, etwa über Brennstoffzellen, in einem Wirkungsgradbereich von 50%. Die besten Brennstoffzellen sind knapp über 55%, vielleicht sogar 60%, da ist sicherlich in der Forschung noch Luft nach oben. Hier ist das der Stichwort die Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die auch z.B. im Raum Dresden sehr stark beforscht wird. Da gibt es Firmen und auch Industrieunternehmen, die an dieser Technologie arbeiten. Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle hat durchaus das Potential auch Wirkungsgrade deutlich höher als 50% bei der Rückverstromung zu erreichen.

Welche Einsatzmöglichkeiten bietet Power-To-Gas noch?

Wasserstoff hat den großen Vorteil, dass er sehr vielfältige Einsatzmöglichkeiten hat. Die sind auch sehr sinnvoll bei der Energiewende. Rückverstromung ist die eine große Anwendung, auch vor dem Hintergrund, dass Wasserstoff ein Medium ist, das man in sehr großen Speichermengen und sehr großen Energiemengen speichern kann, deutlich größer als elektrische Batteriespeicher. Wasserstoff-Speicher sind sinnvoll, wenn wir z.B. mehrere Tage Windflaute in der Zukunft überbrücken möchten.

Die weiteren Märkte sind aber neben Rückverstromung auch der Verkehrsmarkt. Wir müssen auch sehr stark im Verkehrsmarkt den CO2 Ausstoß reduzieren. Wasserstoffmobilität, also sprich Fahrzeuge, die mit Brennstoffzelle betrieben werden, gibt es gegenwärtig schon am Markt.

Wie sauber ist die Technologie?

Wenn wir in Zukunft durch die entsprechenden Rahmenbedingungen sicherstellen, dass Elektrolyse aus erneuerbaren Energien läuft und anschließend der Wasserstoff in der Wasserstoffmobilität genutzt wird, ist dieser Pfad absolut CO2 neutral. Absolut sauber. Und ein Brennstoffzellenfahrzeug emittiert nichts weiter als pures Wasser.

Welche Gefahren bergen Wasserstoffspeicher?

Diese Gefahren schätze ich als deutlich geringer ein als bei herkömmlichen, konventionellen Technologien. Wasserstoff gilt für Laien immer als sehr gefährlich, hat aber auch viele Vorteile. Wasserstoff hat z. B. gegenüber Benzindämpfen den Vorteil, dass es, wenn es wirklich Leckagen gibt, Wasserstoff sich extrem schnell verdünnt und deswegen die Gefahr zum Beispiel von Bränden deutlich geringer ist.  Sie haben insgesamt, weil die Brennstoffzelle einen sehr hohen Wirkungsgrad hat, für den Antrieb trotzdem deutlich geringere Energiemengen an Bord hat als beispielsweise bei einem Benzinfahrzeug.

Ein Wasserstofffahrzeug hat etwa vier Kilogramm Wasserstoff. Ein Benzinfahrzeug kann zum Beispiel 60, 70 Liter Benzin an Bord haben, und wenn das brennt, haben Sie deutlich höhere Energiemengen, die da umgesetzt werden, als bei vier Kilogramm Wasserstoff.

Wieso gibt es erst so wenige?

Der Hintergrund ist eigentlich relativ einfach. Es ist gegenwärtig nur ein Kostenproblem. Wir konkurrieren ja bei den Strompreisen immer noch mit konventionellen Erzeugern, die aufgrund der vergleichsweise geringen Kosten für fossile Energieträger und auch vergleichsweise geringen Kosten für CO2-Zertifikate noch relativ kostengünstig produzieren können.

Wenn wir beispielsweise noch alle versteckten Kosten von konventionellen Kraftwerken mit einrechnen würden, würden die Kosten auch heute deutlich höher sein. Wir hätten bessere Bedingungen, ein besseres Kostenverhältnis. Das gleiche gilt auch für die Produktion von Wasserstoff für den Verkehrssektor.

Das wird in Zukunft immer besser werden. Das heißt die Kosten für Elektrolyse-Anlagen werden sinken, ebenso die Kosten für die Produktion von erneuerbaren Energien.

Momentan ist es aber noch so, dass die Konditionen, ein solches Hybridkraftwerk mit Gewinn zu betreiben zu schlecht sind.

Deshalb sind deutlich andere Rahmenbedingungen erforderlich, um solche Hybridkraftwerke oder andere Energiespeicher in Zukunft effektiver betreiben zu können.

Welche wirtschaftlichen Chancen bietet die Technologie?

Also Energiespeicherkonzepte bieten meiner Meinung nach sehr große Wertschöpfungspotenziale in der Lausitz.

Wir arbeiten ja eng zusammen mit Energieunternehmen und Herstellern von Elektrolyseuren.

Hybridraftwerke, Elektrolyseure beispielsweise für Wasserstofftankstellen, aber auch Kombinationen der Elektrolyse mit konventionellen Technologien bieten meiner Meinung nach gute Perspektiven in der Lausitz und in Brandenburg.

Man muss sehen, wie sich auch der Markt für Brennstoffmobilität und die Nachfrage nach Wasserstoff für grüne chemische Industrie entwickelt.

Dann kann man auch über Hybridkraftwerke oder Wasserstoff-Projekte in der nächsten Größenordnung nachdenken. Das ist aber Zukunftsmusik für die nächsten 10 bis 15 Jahre.

Eine Innovation auf Abruf

Bisher wird die Power-To-Gas-Technologie daher kaum eingesetzt. Sie ist nur da sinnvoll einsetzbar, wo tatsächlich regelmäßig mehr Strom produziert wird als vom Netz abgenommen werden kann. In der Lausitz wäre das momentan noch nicht der Fall. Interessant wird die Power-To-Gas-Technologie aber spätestens in der letzten Phase der Energiewende. Dann könnte bei der Stromversorgung nicht nur die Grundlast von Wind und Sonne getragen werden, zu Spitzenzeiten wären Hybridkraftwerke den behäbigeren Kohle- und Atomkraftwerken sogar in einem entscheidenden Punkt voraus: Durch die Kombination zweier Energiequellen und die Möglichkeit zur Energiespeicherung können sie flexibler reagieren, wenn der Strombedarf schwankt.

Ein langer Weg

Erneuerbare Energien steuern momentan rund 30 Prozent zum deutschen Energiemix bei. Erst in knapp zwanzig Jahren würde sich beim aktuellen Energiewende-Szenario die Speicher-Technologie im Vergleich zu fossilen Energiequellen tatsächlich rechnen, in dreißig Jahren wäre Power-To-Gas sogar unumgänglich, um die Deckung des Strombedarfs durchgehend zu gewährleisten. Einer Studie der OTH Regensburg und des Analyseinstituts Energy Brainpool im Auftrag von Greenpeace wäre mit Power-To-Gas sogar eine Versorgung mit rein erneuerbaren Energien nicht nur möglich, sondern auch günstiger als der 80-20-Mix, den die Bundesregierung anstrebt. Um das zu ermöglichen, müsste die Speicherkapazität von Power-To-Gas bis dahin um das fast 7000-Fache anwachsen – von 20 Megawatt auf 134 Gigawatt.

Und die Lausitz?

Andere Regionen bieten Hybridkraftwerken mehr Sonne und stärkeren Wind. Dank leistungsstarker Stromtrassen kann die gewonnene Energie meist problemlos ins Netz eingespeist werden, Überschüsse würden selten entstehen. Dazu kommen die derzeit bescheidenen Gewinnaussichten am Strommarkt. Das hält Investoren ab. Der Landkreis Elbe-Elster hat sein Vorhaben ein Hybridkraftwerk in der Lausitz zu bauen inzwischen ad acta gelegt. Vorreiter-Projekte wie das Hybridkraftwerk in Prenzlau im Nordosten Brandenburgs bleiben vorerst die Ausnahme. Bis sich Investitionen amortisieren und Technologien günstiger werden, dauert es eben.

Mehr als Strom

Die Technologie hat aber noch viel mehr Potenzial: Aus Energie könnten statt Wasserstoff auch viele  andere organische Verbindungen wie Polymere für die Kunststoffproduktion hergestellt werden. Ganze Industriezweige würden so von fossilen Stoffen unabhängig. Eine Chance, die Ulrich Fischer vom Wasserstoff- und Speicherforschungszentrum der BTU Cottbus auch für die Region sieht: „Die gesamte Technologie bietet Perspektiven für die Zukunft der Lausitz, im Anlagenbau und später auch für die chemische Industrie.“ Seine Forschung soll es möglich machen. Bis die Technologie flächendeckend zum Einsatz kommen wird, dauert es wohl noch einige Jahre, wenn nicht Jahrzehnte. Und das, obwohl sie längst ausgereift ist.