Die Idee dahinter: Der Wasserstoff und dann das Eisen könnten im Sommer mit überschüssigem Solarstrom hergestellt und im Winter wieder in Strom oder Wärme umgewandelt werden.
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Bis 2050 soll Photovoltaik über 40 Prozent des Schweizer Strombedarfs decken. Doch Solarstrom fliesst nicht immer dann, wenn man ihn braucht: Im Sommer gibt es zu viel davon und im Winter, wenn die Sonne seltener scheint und Wärmepumpen auf Hochtouren laufen, zu wenig. Forscher der ETH Zürich habe eine neue Methode entwickelt.
Strom in den Winter bringen
Für die Speichermethode wird mit Strom zuerst Wasserstoff hergestellt. Diesen lassen die Forschenden in der Pilotanlage mit Rost, sogenanntem Eisenoxid, reagieren. Bei dieser chemischen Reaktion entsteht Eisen. Dieses kann problemlos aufbewahrt werden. Mit Wasserdampf kann das Eisen wieder in Strom und Wärme umgewandelt werden.
Die Idee dahinter: Der Wasserstoff und dann das Eisen könnten im Sommer mit überschüssigem Solarstrom hergestellt und im Winter wieder in Strom oder Wärme umgewandelt werden.
Das könnte dazu beitragen, bisherige Probleme mit Strom zu lösen, gaben sich die Forschenden überzeugt. Denn im Sommer könne mit Solaranlagen mehr Strom produziert werden, als gebraucht werde. Im Winter fehle es aber an Strom. «Wir müssen also irgendwie riesige Mengen an Strom vom Sommer in den Winter bringen», erklärte Wendelin Stark, der die Pilotanlage entwickelt hat.
Günstiger und sicherer
Bisherige Speichermethoden wie Batterien seien dafür aber zu teuer oder könnten wie Stauseen nicht unendlich ausgebaut werden. Auch bisherige Speichermethoden von Wasserstoff sind teuer und ineffizient. Das hochentzündliche Gas wird dafür in spezielle Druckbehälter gefüllt, die gekühlt werden müssen. Dafür wird viel Energie benötigt. Ausserdem ist der Bau der Speicheranlagen teuer, da viele Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden müssen.
Für die Anlage auf dem ETH-Campus Hönggerberg waren solche Sicherheitsvorkehrungen nicht möglich. Das Eisen ist ungefährlich. Damit sei auch die Anlage günstiger, so die Forschenden. Herkömmliche Speichermethoden von Wasserstoff seien etwa zehnmal teurer.
Der Lade- und Entladeprozess der Speichertechnologie.
ETH Zürich
Grosse Verluste
«Die Pilotanlage funktioniert», sagte der Mitentwickler Samuel Heiniger. «Es ist eigentlich langweilig, jedes Experiment hat bisher auf Anhieb geklappt». Die Idee, Wasserstoff in Eisen umzuwandeln, hat selbst die Forschenden anfänglich erstaunt. «Am Anfang erschien uns diese Lösung wahnsinnig trivial», sagte Stark.
Ein Nachteil dieser Technologie ist, dass die Verluste sehr gross sind. Sowohl bei der Umwandlung von Strom zu Wasserstoff, als auch bei der Umwandlung von Wasserstoff zu Eisen und bei der Umwandlung von Eisen zurück zu Wasserstoff und bei der Umwandlung von Wasserstoff zu Strom und Wärme geht ein Teil des Stroms verloren.
Insgesamt hat die Anlage so einen Wirkungsgrad von 30 Prozent, wie Heiniger erklärte. Bis zu 70 Prozent des Stroms gehen also verloren. Wasserstoff ist daher als Speichermedium vor allem dann interessant, wenn genügend Wind- oder Solarstrom vorhanden ist und andere Optionen nicht in Frage kommen.
Drei Tanks
Die Anlage am Hönggerberg besteht aus drei Tanks aus Edelstahl. Diese sind laut den Forschenden klein genug, dass sie ein Treppenhaus hinuntergebracht werden könnten. Jeder der Tanks wurde mit zwei bis drei Tonnen Eisenerz befüllt. Damit können langfristig rund zehn Megawattstunden Wasserstoff gespeichert werden. Daraus können rund vier bis sechs Megawattstunden Strom produziert werden. Das entspricht etwa dem Verbrauch von drei bis fünf Einfamilienhäusern in den Wintermonaten.
Bei den bisherigen Tests wurde dafür Strom aus dem Netz und nicht Solarstrom verwendet. Bis 2026 wollen die Forschenden die Anlage ausbauen und ein Fünftel des Strombedarfs des ETH Campus Hönggerberg im Winter mit eigenem Solarstrom aus dem Sommer decken. Dafür wären Kessel mit einem Volumen von 2000 Kubikmeter nötig, die rund vier Gigawattstunden grünen Wasserstoff speichern können. Nach seiner Umwandlung in Strom würde der gespeicherte Wasserstoff rund zwei Gigawattstunden Strom liefern.
Künftig sollen solche Anlagen laut den Forschenden auch in Kellern von Einfamilienhäusern oder in Quartieren oder Gemeinden Solarstrom speichern. Wie lange es noch geht, bis es so weit ist, ist laut den Forschenden eine Frage von passenden Investoren und der Politik.
Chemische Speicherung
Um Wasserstoff besser speichern zu können, stützen sich Stark und sein Team auf das Eisen-Dampf-Verfahren, das bereits seit dem 19. Jahrhundert bekannt ist. Wenn in den Sommermonaten zu viel Solarstrom vorhanden ist, kann damit Wasser aufgespalten werden, um Wasserstoff zu erzeugen. Dieser Wasserstoff wird dann in einen 400 Grad Celsius heissen Edelstahlkessel geleitet, der mit natürlichem Eisenerz gefüllt ist. Dort entzieht der Wasserstoff dem Eisenerz – das chemisch nichts anderes ist als Eisenoxid – den Sauerstoff, wodurch elementares Eisen und Wasser entstehen.
Wird die Energie im Winter wieder benötigt, drehen die Forscher den Prozess um: Sie leiten heissen Wasserdampf in den Kessel, wodurch aus dem Eisen und Wasser wieder Eisenoxid und Wasserstoff entstehen. Der Wasserstoff kann dann in einer Gasturbine oder Brennstoffzelle in Strom oder Wärme umgewandelt werden.
30% ist doch super. Etwa wie Ottomotor.