Wasserstoffspeicherung      

 

Einleitung

 

Um die Fluktuation erneuerbarer Energiequellen wie Wind und Sonne auszugleichen und dem Strombedarf anzupassen werden Speicher benötigt. In beispielsweise Starkwindzeiten kann überschüssig produzierter Strom dann gespeichert und in Zeiten erhöhten Strombedarfs genutzt werden.

Heute zeigt sich bereits das Problem, dass fossile Schattenkraftwerke als Regelleistung für ausfallenden Windstrom bereitgehalten werden müssen oder aber Windkraftanlagen aus dem Wind gedreht werden müssen. Durch Windenergiespeicher ließe sich zunehmend auf Reserveleistung verzichten, sowie mehr Energie nutzen.

Ebenso werden in einer Wasserstoffwirtschaft Speicher benötigt, um überschüssig erzeugten Wasserstoff aus regenerativen Stromquellen zu puffern.

 

Wasserstoff lässt sich gasförmig im geologischen Untergrund, vorzugsweise in Salzkavernen, speichern, wie es mit Erdgas praktiziert wird. Zitate aus einer Studie zur „Wasserstoff-Speicherung in Salzkavernen zur Glättung des Windstromangebots“ sollen das Potential von unterirdischen Wasserstoffspeichern verdeutlichen

 

Stand der Technik

 

„Bei der Wasserstoffspeicherung im geologischen Untergrund kann auf langjährige praktische Erfahrung zurückgegriffen werden. Vor der Einführung von Erdgas wurde vielfach Stadtgas über Pipelines und unter erfolgreicher Einbindung von Untertagespeichern verteilt. Stadtgas besteht zu über 50 % aus Wasserstoff.

Reiner Wasserstoff als Rohstoff für die chemische und petrochemische Industrie wird seit vielen Jahren erfolgreich in Salzkavernen sowohl in Teesside (SABIC EUROPE), Großbritannien, und in Texas, USA, gespeichert.” [1]

 

Mobilität von Wasserstoff

 

„Bei der Abschätzung möglicher Wasserstoff-Leckverluste in einer Salzkaverne unter hohem Druck kann auf umfangreiche Messdaten aus Permeationsversuchen mit Helium[2] an Bohrungen im Salzgestein zurück gegriffen werden; die Permeabilität unverritzten Salzgesteins ist mit Werten von K = 10-21 bis 10-23 m² extrem gering; das Salzgestein kann damit auch für Wasserstoff als technisch dicht bezeichnet werden. […][Das] Ergebnis einer überschlägigen, theoretischen Abschätzung der Leckagerate [ergibt] bei einer Wasserstoffkaverne unter 100 m³ (geom.) p.a.. Tests an einer Wasserstoffkaverne in den USA ergaben eine Verlustrate von ca. 70 m³ (geom) p.a.. D.h., die Größenordnungen stimmen überein. Unter Annahme eines typischen Kavernenvolumens von 500 000 m³ ergibt sich damit ein extrem geringer Verlust von nur etwa 0,015 % p.a.” [3]

 

Nachteil der Speicherung in einer Salzkaverne

„Nachteile sind die Notwendigkeit, den Hohlraum erstellen zu müssen, was neben den Kosten mit einem Zeitaufwand von mehreren Jahren und der Notwendigkeit der umweltverträglichen Entsorgung großer Solevolumina verbunden ist.“ [4]

 

Außerdem ist zu erwarten, dass das Genehmigungsverfahren für solche Speicher mehrere Jahre in Anspruch nehmen werden.

 

Speicherkapazität einer Wasserstoffkaverne im Vergleich

 

„[…] die volumenbezogene Speicherkapazität einer Wasserstoffkaverne [liegt]um über 2 Größenordnungen höher als die der beiden anderen Varianten […].“

Die anderen Varianten sind Pump- und Druckluftspeicher.

 

Speicherbare Energie für Modellspeicher mit je 3.000.000 m³ Volumen [5]

Pumpspeicher, Potential weitgehend ausgeschöpft

2 GWh

adiabater Druckluftspeicher (Salzkaverne), Moderne Technik

8 GWh

Wasserstoffspeicher (Salzkaverne)

1.230 GWh

 

Die Tabelle zeigt, dass die Wasserstoffspeicherung, im Vergleich mit anderen Energiespeichern, potentialbezogen überlegen ist.

 

„Als Speichervolumen wurde einheitlich ein Wert von 3 Mio. m³ angenommen. Zum Vergleich: Das

größte und modernste deutsche Pumpspeicherkraftwerk in Goldisthal verfügt über ein geometrisches

Speichervolumen von ca. 12 Mio. m³, der Erdgas-Kavernenspeicher, Nüttermoor, einer der

großen deutschen Speicher, verfügt über ein geometrisches Volumen von ca. 7,5 Mio. m³.“ [6]

 

 

 

„Abb. 4 zeigt die verschiedenen abgeschätzten Energiemengen bzw. Speicherkapazitäten der

3 Mio. m³ Speicher im Kontext mit der prognostizierten bzw. der tatsächlichen Windenergie-Leistung für einen zufällig ausgewählten Monat im Jahr 2007 im Übertragungsnetz der E.ON Netz AG:“ [7]

 

Wie die Abbildung zeigt, sind Luft- und Pumpspeicher nur für einen kurzfristigen Ausgleich von Prognoseabweichungen geeignet und sind weit entfernt von einem Ausgleich über mehrere Tage.

 

„Erst der Wasserstoffspeicher verfügt über eine Kapazität, die im gewählten Beispiel die innerhalb

des Monats erzeugten Windenergieeinspeisung übertrifft; erst bei Speicherkapazitäten dieser

Größenordnung ist an eine längerfristige Vergleichmäßigung der fluktuierenden Windenergie-

Leistung zu denken. Hiermit könnte z.B. der Anteil an fossilen Schattenkraftwerken reduziert werden,

die als Backup für die Windkraftwerke eingesetzt werden müssen.“ [8]

 

Wirkungsgrad

 

Die Studie schreibt dem Wasserstoffspeicher als Nachteil einen geringen Wirkungsgrad 30% zu, empfiehlt Wasserstoffspeicher aber trotzdem, aufgrund des sehr großen Speicherpotentials.

Der geringe Wirkungsgrad von 30% ist auf die Energiekette: Regenerativer Strom à Elektrolyse à Wasserstoffspeicherung à zentrale Rückverstromung mit Brennstoffzelle zurückzuführen.

Unterstellt man jedoch eine dezentrale Wasserstoffwirtschaft mit modernen, effizienteren Umwandlungsgeräten, so wird der Wasserstoff an der Verbraucherstelle rückverstromt und die entstehende Wärme kann mitgenutzt werden. Dadurch steigt der Wirkungsgrad auf 0,8 (Elektrolyse[9])*0,95 (Speicherung[10])*1,16 (Brennstoffzellenheizung[11]) = 88,16% !

Durch den höheren Wirkungsgrad bei der Nutzung des Wasserstoffs steigt auch die Speicherkapazität, da mehr Energie pro Speichereinheit genutzt wird.

 

Fazit

 

Egal ob Wasserstoffwirtschaft (=Wasserstoff als Transportmedium) oder Stromwirtschaft (=Strom als Transportmedium): an Wasserstoff als Speichermedium kommen wir vermutlich nicht vorbei, wenn wir einen möglichst großen Anteil erneuerbare Energien nutzen wollen. Dies liegt daran, dass im Moment außer Wasserstoff kein Speicher mit vergleichbar großen Speicherkapazitäten verfügbar ist, wie sie benötigt werden. Vorteil der Wasserstoffwirtschaft ist aber die effizientere Nutzung des Wasserstoffs, sowie die einfachere Infrastruktur (Rohrleitungsnetz).

 

 



[1] Wasserstoff-Speicherung in Salzkavernen zur Glättung des Windstromangebots

F. Crotogino und R. Hamelmann KBB Underground Technologies GmbH, Baumschulenallee 16, D-30625 Hannover, und Kompetenzzentrum für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie,

Fachhochschule Lübeck, Mönkhofer Weg 239, 23562 Lübeck.

[2] Da das Heliumatom ebenfalls einen extrem geringen Durchmesser hat, kann von Messungen an Helium auf das Verhalten bei Wasserstoff geschlossen werden.

[3] Wasserstoff-Speicherung in Salzkavernen zur Glättung des Windstromangebots, F. Crotogino und R. Hamelmann , Angaben wie oben.

[4] Wasserstoff-Speicherung in Salzkavernen zur Glättung des Windstromangebots, F. Crotogino und R. Hamelmann , Angaben wie oben.

[5] Wasserstoff-Speicherung in Salzkavernen zur Glättung des Windstromangebots, F. Crotogino und R. Hamelmann , Angaben wie oben.

[6] Wasserstoff-Speicherung in Salzkavernen zur Glättung des Windstromangebots, F. Crotogino und R. Hamelmann , Angaben wie oben.

[7] Wasserstoff-Speicherung in Salzkavernen zur Glättung des Windstromangebots, F. Crotogino und R. Hamelmann , Angaben wie oben.

[8] Wasserstoff-Speicherung in Salzkavernen zur Glättung des Windstromangebots, F. Crotogino und R. Hamelmann , Angaben wie oben.

[9] Dr. Smolinka, Tom, Wasserstoff aus Elektrolyse – Ein technologischer Vergleich der alkalischen und PEM-Wasser-elektrolyse Fraunhofer , Institut Solare Energiesysteme unter: http://www.wbzu.de/home/070521-smolinka.pdf , S. 24, (24.12.2009).

[10] Durch die Komprimierung auf 200bar entstehen Verluste von ca. 10%. Hier wird unterstellt, dass die Hälfte des Wasserstoffs zwischengespeichert werden muss, daher kann mit 5% bzw. einem Speicherwirkungsgrad von 95% gerechnet werden.

[11] Vgl. Tetzlaff, Karl-Heinz, „Wasserstoff für alle“, S. 77.