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Im Fokus: Wasserstoff-Stromspeicher

Wasserstoff gilt als einer der ganz großen Hoffnungsträger der Energiewende. Auch zum Stromspeichern eignet sich das vielseitige Element. Wie ein Wasserstoff-Stromspeicher funktioniert, welche Vor- und Nachteile er hat und warum in Zukunft Wasserstoff durch das Erdgasnetz strömen wird.

Wasserstoff – ein Element mit viel grünem Potenzial 


Wasserstoff
ist das erste Element im Periodensystem und gleichzeitig das, welches in unserem Universum am häufigsten vorkommt. Es findet sich in der Natur nicht einzeln, sondern immer in gebundener Form. Zum Beispiel in Wasser: Wasser (H2O) besteht aus Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Um daraus Wasserstoff zu erzeugen, muss das Wasser in seine beiden Bestandteile aufgespalten werden, etwa mit Hilfe von Strom. Wird dafür Ökostrom, also Strom aus erneuerbaren Energien, genutzt, entsteht „grüner“ Wasserstoff, ein grünes Gas. Selbst wenn wir von farbigem Wasserstoff sprechen – grün, blau, grau, türkis –, ist H2 farblos und unsichtbar.Wasserstoff ist gasförmig, lässt sich aber auch in flüssiger Form speichern. Er eignet sich hervorragend als Energieträger, denn er hat einen hohen Energiegehalt.

Warum ein Stromspeicher?


Stromspeicher speichern Strom, der gerade produziert, aber nicht gebraucht wird. Diesen überschüssigen Strom geben sie später, wenn der Bedarf an Strom da ist, wieder ab.
Die Frage der Speicherung ist besonders bei den erneuerbaren Energien wie Sonne und Wind wichtig, wo die Stromerzeugung natürlicherweise schwankt. Tagsüber bei Sonnenschein oder bei günstigen Windverhältnissen produzieren die Anlagen mehr Strom, als in dem Zeitraum benötigt wird.
Auch der Strombedarf unterliegt Schwankungen, jedoch folgt er einem anderen Rhythmus: Morgens und abends ist der Stromverbrauch in Privathaushalten normalerweise höher als tagsüber oder in der Nacht. Wenn die Sonne dagegen nicht scheint oder kein Wind weht, erzeugen Anlagen für Photovoltaik oder Wind auch keinen Strom, selbst wenn welcher benötigt wird.
Stromspeicher schließen diese zeitliche Lücke zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch bei den Erneuerbaren.

So funktioniert ein Wasserstoff-Stromspeicher 

 

Um Wasserstoff als Stromspeicher nutzen zu können, muss er in einer ersten chemischen Reaktion den überschüssigen Strom einspeichern. Das geschieht durch das Verfahren der Elektrolyse. Der Ökostrom etwa aus einer Solaranlage wird dazu genutzt, Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Diese Technologie ist auch als „Power-to-Gas“ (PtG) bekannt und wird für die industrielle Nutzung viel diskutiert. Als nächstes verdichtet ein Kompressor den Wasserstoff, bevor der in Tanks eingelagert wird. So ist es möglich, eine große Menge an Wasserstoff auf kleinem Raum zwischenzuspeichern.

Die Rückumwandlung dieses Wasserstoffes in Strom geschieht in einer Brennstoffzelle. Dort wird der Prozess der Elektrolyse umgekehrt: Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff und setzt dadurch wieder Energie in Form von Strom frei. Dabei wird auch Wärme erzeugt, die zum Beispiel in Brennstoffzellenheizungen oder – im Großen – in Blockheizkraftwerken weiter genutzt werden kann. Als Abfallprodukt entsteht kein Kohlendioxid, sondern nur Wasser. 

Die Vorteile von Wasserstoff-Stromspeichern

 

  • Wasser ist als erneuerbare Energie quasi unbegrenzt verfügbar. Daraus können große Mengen an Wasserstoff hergestellt werden.
  • Die Produktion und Nutzung von Wasserstoff ist CO2-frei. Das trägt dazu bei, die Erderwärmung und damit den Klimawandel zu verlangsamen.
  • In Wasserstoff-Stromspeichern können große Mengen an Energie gespeichert werden.
  • Wasserstoff-Stromspeicher eignen sich zur mittel- und langfristigen Speicherung von Energie.
  • Da als Nebenprodukt Wärme entsteht, lassen sich Wasserstoff-Stromspeicher auch zur Wärmegewinnung einsetzen. Das erhöht ihren Wirkungsgrad.

Die Nachteile von Wasserstoff-Stromspeichern

 

  • Die Wasserstoff-Technologie ist noch nicht ausgereift. Die Forschung steht noch am Anfang und hat wenig Erfahrung mit der langfristigen Nutzung.
  • Wasserstoff-Stromspeicher sind momentan noch sehr teuer.
  • Wasserstoff-Stromspeicher haben nur einen Wirkungsgrad von circa 40 %, da die Energie zweifach umgewandelt wird: Durch Elektrolyse wird Strom zu Wasser, das dann wieder zu Strom wird. Dabei geht viel Energie verloren.
  • Wasserstoff ist hochentzündlich. Kommt er mit Sauerstoff in Kontakt, entsteht eine Knallgasreaktion.

Wasserstoff-Stromspeicher statt Batteriespeicher für Photovoltaikanlagen? 

 

Die von heimischen PV-Anlagen erzeugte Menge an Strom ist stark wetterabhängig. Wird die Sonnenenergie gerade nicht im Haus gebraucht, wird der überschüssige Strom ins allgemeine Stromnetz eingespeist. Wegen der niedrigen Einspeisevergütung für neu installierte PV-Anlagen ist es allerdings günstiger, möglichst viel des selbst erzeugten Solarstroms selbst zu verbrauchen. Dabei hilft ein Stromspeicher: Er speichert die überschüssige Energie, um sie bei Bedarf wieder zur Verfügung zu stellen.

Für die Stromspeicherung werden in PV-Anlagen bisher hauptsächlich Batteriespeicher eingesetzt. Je nach Größe haben diese Hausakkus eine unterschiedliche Kapazität. Ihr Wirkungsgrad liegt

bei 75 % und mehr. Batteriespeicher eignen sich für die kurzfristige Speicherung des Stroms über mehrere Tage. Für eine mittel- oder langfristige Speicherung sind sie dagegen nicht gemacht. Um den in den sonnenreichen Sommermonaten zu viel erzeugten Strom bis über die sonnenarmen Wintermonate aufnehmen zu können, müssten die Batterien sehr groß sein.

Wasserstoff-Stromspeicher mit ihrer enormen Kapazität wären für die mittel- und langfristige Speicherung dagegen ideal. Sie könnten eine ganzjährige autarke Stromversorgung und Unabhängigkeit von den Energiepreisen garantieren. Doch momentan sprechen noch einige Argumente gegen den Einsatz von Wasserstoff-Stromspeichern bei privaten Solaranlagen: Durch ihren niedrigen Wirkungsgrad sind von einer Kilowattstunde (kWh) erzeugtem Strom nur 0,4 kWh nutzbar. Da die Anlagen aus vielen Elementen bestehen – Elektrolyseur für die Wasserstoffherstellung, Brennstoffzelle für die Wiederverstromung des Wasserstoffs, Wasserstoffspeicher, Wechselrichter –, brauchen sie viel Platz. Wasserstoff ist außerdem hochentzündlich. Wegen Brandgefahr müssen die Speicher deshalb außerhalb des Hauses untergebracht sein. Nicht zuletzt sind PV-Anlagen mit Wasserstoff-Stromspeicher aktuell noch sehr teuer: Eine komplette Anlage für den Heimgebrauch kostet je nach Art und Größe etwa 70.000 bis 100.000 EuroBei einer Photovoltaikanlage mit Batteriespeicher belaufen sich die Anschaffungskosten dagegen nur auf 15.000 bis 25.000 Euro.

Die Zukunft: Wasserstoff im Erdgasnetz 

 

Deutschland will bis 2045 Treibhausgasneutralität erreicht haben. Dafür sollen die erneuerbaren Energien mit ihren niedrigen CO2-Emissionen stark ausgebaut werden. Eine der großen Herausforderungen ist dabei immer noch die Speicherung und der Transport von regenerativen Energien. Die Lösung für das Energiesystem der Zukunft könnte heißen: Wasserstoff im Erdgasnetz.

Ganz neu ist das nicht. Auch heute schon strömt Wasserstoff als Beimischung zum Erdgas durch das Gasnetz. Und auch andere grüne Gase wie Bio-Erdgas und CO2-neutrales synthetisches Erdgas aus Power-to-Gas-Anlagen wie der in Brandenburg, an der GASAG forscht, transportiert die heutige Gasnetzinfrastruktur schon.

Doch das Erdgasnetz in Deutschland soll noch viel stärker als Wasserstoff-Infrastruktur genutzt werden. Die Vorteile: Es ist schon vorhanden, sehr gut ausgebaut und weit verzweigtRund eine halbe Millionen Kilometer lang ist es.Zusammen mit den etwa 50 unterirdischen Gasspeichern hat es eine Speicherkapazität, die ungefähr ein Viertel des deutschen Jahresverbrauchs deckt. Um die 21 Millionen Haushalte haben einen Erdgasanschluss. Dazu kommen Industrie, Gewerbe und öffentliche Gebäude wie Schulen, Rathäuser oder Museen.

Die Nationale Wasserstoffstrategie Deutschlands sieht vor, dass – neben neuen Wasserstoff-Netzen – ein Teil des Erdgasnetzes für Wasserstoff umgerüstet, also H2-ready gemacht werden soll. Etwa 75 % des Gasnetzes sind für Wasserstoff geeignet. Auch GASAG setzt auf das grüne Gas und prüft bei jedem neuen Vorhaben die Wasserstofftauglichkeit. So bekommt das zuverlässige Erdgasnetz in Zukunft also ein neues Leben: als Rückgrat für die Energiewende.