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Sichere Energieversorgung braucht leistungsfähige Energiespeicher Doch egal, wie leicht ein Fahrzeug durch bauliche Maß nahmen werden kann oder wie viel CO 2 sich abscheiden lässt, letztlich geht es bei der mobilen und der stationären Energie versorgung von morgen auch immer um die Frage der Speicherung von Energie. Denn erneuerbare Energien führen ansonsten zu einer sehr ungleichmäßigen Belastung der Versorgungsnetze, die im Moment durch regelbare Kraftwerke und zum geringen Teil durch Pumpspeicherwerke ausgeglichen werden, deren Potenzial allerdings limitiert ist. Mit hohen Wirkungsgraden gelingt die Speicherung elektrischer Energie nur in Akkumulatoren und Superkonden satoren. Prof. Dr. Martin Winter vom Institut für Physikalische Chemie der Westfälischen WilhelmsUniversität Münster glaubt, dass dabei der LithiumIonenTechnologie eine besondere Rolle zukommt. Vier Gründe sprechen in seinen Augen dafür: die hohe Zellspannung, die großen Energie und Leistungsdichten, die geringe Selbstent ladungs rate und die Möglichkeit, die gesamte Kapazität ohne Batterieschädigung ausnutzen zu können. „Die Lithium IonenBatterie ist eine evolutionäre Technologie, weil sie auf eine große Zahl von Materialmöglichkeiten zurückgreifen kann. Sie eignet sich hervorragend für die schnelle Pufferung von Stromspitzen auf der Zeitskala von Stunden“, so Winter. Sie bietet sich für dezentralisierte Energiespeicher kleiner bis mittlerer Größe an. Auch in künftigen VehicletoGridKonzepten, bei denen die Akkus von Elektro fahrzeugen als kurzfristige Puffer für Spitzen dienen würden, dürfte die LithiumIonenTechnologie eine Rolle spielen. Dabei macht man sich zunutze, dass viele Fahrzeuge den Großteil des Tages nicht bewegt werden. Aber auch für den stationären Bereich gibt es konkrete Vorstellungen: Beim saarländischen EvonikKohlekraftwerk Völklingen entsteht noch in diesem Jahr der Prototyp LESSY (LithiumElektrizitätsSpeichersystem), der aus rund 5000 einzelnen LithiumkeramikZellen bestehen wird. Mit einer Ein und Ausspeicherleistung von 1 MW und einer Speicherkapazität von 700 kWh soll LESSY Primärregelenergie bereitstellen. An der Realisierung des Projekts ist neben Evonik, der LiTec Battery GmbH – einem gemeinsamem Joint Venture mit der Daim ler AG – und weiteren Part nern auch die Universität Münster unter Winters Fe der führung beteiligt; es wird im Rahmen der Forschungs initiative LIB 2015 vom Bun des ministerium für Bildung und Forschung gefördert. Prof. Dr. Martin Winter vom Institut für Physikalische Chemie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster Wasserstoff als künftiger Primärenergiespeicher? Im Vergleich zur LithiumIonenTechnologie befindet sich die nachhaltige Herstellung von Wasserstoff noch in den Kinderschuhen. Das flüchtige Gas wäre ein interessanter Pri märenergiespeicher, weil er mehr Energie pro Gewichtseinheit enthält als jeder andere chemische Brennstoff. „Derzeit entstehen jedoch 96 Prozent des Wasserstoffs aus fossilen Energiequellen. Erneuerbare Energien wären wünschenswert, damit Wasserstoff eine größere Rolle in nachhaltigen Energiekonzepten spielen kann“, sagte Dr. Henrik Junge, Themenleiter am LeibnizInstitut für Katalyse e.V. (LIKAT). Das LIKAT erforscht dazu die fotokatalytische Wasserstoffherstellung aus Wasser und – als Speicher – die Freisetzung von Wasserstoff aus Ameisensäure. Für den ersteren Fall untersucht das LIKAT einen Fo tosensibilisator auf IridiumBasis, der in einen Eisenkomplex eingelagert ist, und erreicht damit eine Umsatzzahl (als Maß für die Effektivität des Katalysators) von 3.000. In einem Versuchsaufbau lieferte eine Brennstoffzelle damit für eine halbe Stunde 18 mW konstante Leistung. Dem zweiten LIKATProjekt, der Wasserstofffreisetzung aus Ameisensäure, liegt ein CO2neutraler Zyklus zu Grunde. Ein RutheniumKatalysator dient dazu, den Wasserstoff frei zu setzen. Im Labormaßstab bei Raumtemperatur lief der Prozess länger als elf Tage und erreichte eine Ausbeute von 99 Prozent: stündlich 0,9 Liter Wasserstoff. Bis zu einer industriellen Anwendung der LIKATProjekte ist es allerdings noch ein gutes Stück Weg. Junge verglich den erreichten Stand mit der Situation in der Kernfusions forschung. Dr. Henrik Junge Themenleiter am Leibniz-Institut für Katalyse e.V. 10 elements32 evonik science newsletter
Die Energie der Zukunft hat viele Quellen Zu künftigen chemischen Speichern auf der Basis von Wasserstoff gibt es in den Augen von Prof. Dr. Ferdi Schüth, Direk tor am MaxPlanckInstitut für Kohlen forschung in Mülheim an der Ruhr, auch mögliche Alternativen, die sich zumindest aufgrund der erreichbaren Energiedichten anböten wie etwa Methanol, Kohlenwasserstoffe, Methan oder Ethanol. Alle Substanzen haben jedoch auch Nachteile oder unterliegen spezifischen Einschränkungen. Schüth wies in seinem Vortrag auch darauf hin, dass die Speicherdichten von LithiumIonenBatterien für Fahrzeuge den vor sechs Jahren prognostizierten Werten hinterherhinken und sich eine Plateaubildung abzeichnet. „Natürlich sollte man diese Technologie weiter intensiv erforschen, mit der Industrie als Schrittmacher“, so Schüth, „aber man sollte sich auch schon jetzt mit dem beschäftigen, was nach der LithiumIonenTechnologie kommt.“ Schüth sieht unsere Energieversorgung vor einem Pa radigmenwechsel. Vereinfacht dargestellt ist sie derzeit durch eine weitgehend isolierte Nutzung unterschiedlicher Primär energieträger gekennzeichnet: Die Elektrizität entstammt Kohle und Kernkraftwerken, während Wärme und Mobilität durch Öl und Erdgas gedeckt werden. Schüth erwartet, dass Elektrizität und Mobilität – über das Bindeglied Energiespeicher – künftig als Anwendungsfelder miteinander verschmelzen werden, was die Energieversorgung betrifft. Dabei werden wir es zu tun haben mit einer Mischung, die aus Kernkraft, Kohle, Solarthermie, Fotovoltaik, Wasserund Windkraft, Geothermie, Erd und Biogas sowie Öl bestehen könnte. Der Wärmebedarf wird künftig dagegen primär solarthermisch gedeckt, zu einem kleinen Teil durch Öl, Erd und Biogas. Eine Energieversorgung, die also auf vielen Säulen ruhen wird, statt auf einigen wenigen. Wobei die Entscheidung, welche Technologie sich für welches Land und welche Anwendung am besten eignet, letztlich auch eine gesellschaftliche ist. Dass zum Beispiel Brasilien eine Ethanol energiewirtschaft auf Zuckerrohr basis betreibt, senkt die CO2Emis sionen deutlich, erhöht aber wegen des Düngemit tel ein satzes die Phosphat belastung der dortigen Gewässer. l Prof. Dr. Ferdi Schüth Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr elements32 evonik science newsletter e v o n i k M e e t S S c i e n c e 2 0 1 0 Die Energieversorgung heute Atomkraft Strom Wärme Mobilität Erdgas Mögliches Szenario für die künftige Energieversorgung Atomkraft Braunkohle Kohle Steinkohle Strom Traktions- Mobilität batterie Speicherung Solartherme Speicherung Photovoltaik Wasser Geothermie etc. Speicherung Wind Methanspeicherung Erd- und Biogas Öl Öl Wärme Wärmespeicher Solarthermie 11
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