Ein Beitrag von Zoe Stadler, Fachbereichsleiterin Power-to-X, IET Institut für Energietechnik, OST – Ostschweizer Fachhochschule
Der Fokus auf Wasserkraft und Solarenergie in der aktuellen und zukünftigen Stromproduktion führen dazu, dass viele Regionen in der Schweiz bereits heute im Sommer mehr Strom produzieren als sie verbrauchen, im Winter jedoch von angrenzenden Kantonen oder Ländern solchen importieren. Mit der zunehmenden Elektrifizierung steigt der Bedarf an Stromtransportkapazität, was teils zu einem Netzausbau führt. Alternativ zu diesem Netzausbau wäre es denkbar, lokale Speicher einzusetzen, welche Stromspitzen abfangen. Batterien und Pumpspeicherkraftwerken sind etablierte Technologien und können schnell zwischen Ein- und Ausspeicherzyklen wechseln. Sie sind für kurzzeitige, flexible Speicher sehr geeignet, für langfristige Speicherung aber nicht ausgelegt. Wenn es im Extremfall im Jahr nur einen Speicherzyklus gibt, im Sommer beladen, im Winter entladen, so müssen die dafür getätigten Investitionen und das Speichervolumen in einem umsetzbaren Verhältnis zueinanderstehen.
Saisonale Energiespeicherung
Für die langfristige (also saisonale) Energiespeicherung von Strom ist deshalb vor allem die Anwendung von Power-to-X-Technologien denkbar. In einer Übersicht des BFE zu Energiespeichertechnologien (siehe Abbildung 1) sind für die langfristige Speicherung deshalb Wasserstoff, Methan und Metalle aufgeführt (Oberholzer 2021). Zusätzlich mögliche Energieträger für die langfristige Speicherung sind Methanol und Ammoniak, sowie weitere Verbindungen wie LOHC (liquid organic hydrogen carrier), in welchen Wasserstoff zu Transport- oder Speicherzwecken eingelagert werden kann.
Gravimetrische und volumetrische Energiedichte
Flüssige und gasförmige Energieträger, welche über die Power-to-X-Verfahren hergestellt werden, werden für verschiedene Anwendungsbereiche diskutiert. Neben der längerfristigen Energiespeicherung sind insbesondere die Anwendung in der Mobilität (internationale Schifffahrt sowie Flugverkehr) und in der Industrie von Relevanz. Speziell für die Anwendung in der Mobilität ist die Energiedichte sehr relevant – bei der Schifffahrt vor allem die volumetrische Dichte, bei der Flugfahrt insbesondere auch die gravimetrische. Je mehr Platz ein Treibstoff braucht, desto weniger Platz bleibt für die zu transportierenden Güter oder Personen. Für die Schifffahrt sind deshalb aktuell die Verwendung von Methanol, Flüssigbiogas und Ammoniak in der Diskussion, um diesen längerfristig erneuerbar zu betreiben.
Auch für die längerfristige Speicherung spielt die Energiedichte eine Rolle, aber eine weniger zentrale. Insbesondere die Einbindung in bestehende Infrastruktur und eine gute Speicherbarkeit sind hier ausschlaggebend. Bezüglich Infrastruktur bedeutet dies, dass die Produktion und Rückverstromung von synthetischen Energieträgern idealerweise an bestehenden Energieknotenpunkten umgesetzt werden – an einem Standort, bei welchem die benötigte elektrische Leistung vorhanden ist, und, falls Methan oder Methanol produziert werden soll, eine CO2-Quelle. Auch eine Abwärmequelle wäre hilfreich, um den Energiebedarf der Prozesse möglichst kostengünstig zu decken. Die Auslegung von solchen Power-to-X-Hubs, an welchen der nicht anderweitig nutzbare Strom in chemische Energieträger umgewandelt, zwischengespeichert, und bei Bedarf wieder rückverstromt wird, ist Teil von mehreren laufenden Forschungsprojekten.
Projekte an der OST
Bald im Bau befindet sich hierzu beispielsweise ein Demonstrator zur saisonalen Energiespeicherung mittels Methanol in Horgen. Der Vorteil von Methanol gegenüber Wasserstoff und Methan ist, dass dieser bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck flüssig ist – was die Speicherbarkeit stark erleichtert. Der sogenannte Green Energy Hub entsteht bei einer Kehrichtverbrennungsanlage. Insbesondere KVAs eignen sich für solche Hubs gut, weil sie über eine Stromproduktion, Abwärme sowie CO2-Ausstoss verfügen – alles Elemente, welche für Power-to-X-Prozesse benötigt werden. Der Green Energy Hub ist ein Innosuisse-Flagship-Projekt, welches vom IET Institut für Energietechnik der OST – Ostschweizer Fachhochschule geleitet wird. Der Demonstrator testet das Zusammenspiel neuer Technologien wie Hochstemperaturelektrolyse, Mehanolsynthese und Metallhydridspeicher mit der bestehenden Infrastruktur bei der KVA. Die Tests im Demonstrator sollen im Jahr 2026 gestartet werden.
Ein anderes Projekt ist die Untersuchung von möglichen Power-to-X-Hubs in Obwalden / Freiburg inklusive Betrachtung der Langzeitspeicherung (unterstützt von Groupe E, Avenergy, Forschungsfonds FOGA sowie Kanton OW). In diesem Projekt wird erarbeitet, wie solche Hubs in verschiedenen Regionen der Schweiz, anhand der Fallbeispiele Obwalden und Freiburg, aussehen können. Dazu gehört die Betrachtung der technischen Eckdaten, der Kosten, des Platzbedarfs sowie insbesondere auch der Speichermöglichkeiten. Gerade bei Methanol besteht allenfalls die Möglichkeit, bestehende Speichertanks, welche derzeit für fossile Brenn- und Treibstoffe genutzt werden, für die Einspeicherung erneuerbarer Energieträger umzunutzen. In Hamburg in den grossen Tanklagern im Hafen wird eine solche Umnutzung bereits umgesetzt. Da Methanol jedoch stark korrosiv ist, muss die Umrüstung für jeden Tank und Standort jeweils gut geprüft werden. Für die Einspeicherung von Ammoniak, Methan oder Wasserstoff wären neue Tanks notwendig. Bei Methan und Wasserstoff ist auch eine unterirdische Einspeicherung in ehemaligen Gaslagerstätten oder aktuellen Erdgasspeichern möglich – erste Projekte laufen im europäischen Raum dazu bereits.
Inwieweit Power-to-X-Hubs das Stromnetz entlasten können, ist Bestandteil der Untersuchungen in dem vom BFE unterstützten P+D-Projekt ENSURE. In diesem werden in einem physikalischen Netzmodell aktuelle und künftige Herausforderungen im Stromnetz nachgebildet und die neuen Power-to-X (sowie die Rückverstromungstechnologien wie Brennstoffzellen und BHKW) auf ihre Reaktionsgeschwindigkeit hin geprüft. Die Ergebnisse der technischen Machbarkeit sowie der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen sollen Aufschluss darüber geben, ob diese neuen Technologien allenfalls den notwendigen Netzausbau reduzieren und ob sie zur Netzstabilität generell beitragen können.
Alle drei Projekte befinden sich in Umsetzung (neben vielen weiteren). Das Team Power-to-X der OST forscht und entwickelt seit über 10 Jahren Power-to-X-Technologien, welche einen positiven Beitrag zur Stabilisierung des Stromnetzes, zur Versorgungssicherheit, zu inländischer Wertschöpfung sowie zu einer erhöhten Unabhängigkeit leisten können. Einige Informationen und Publikationen sind auf der Webseite ersichtlich: www.ost.ch/ptx
Quellen
Abbildung 1: Energiespeicherarten nach Leistung und Kapazität. Quelle: Dr. Stefan Oberholzer, Energiespeichertechnologien Kurzübersicht 2021, Bundesamt für Energie. (Oberholzer 2021)