Photovoltaik Langzeit-Stromspeicher

Mit Wasserstoff und Redox Flow den Strom länger speichern

Ein Traum wird wahr: Mit einem Langzeitspeicher kann mit der Photovoltaikanlage erzeugter Strom nicht nur einige Stunden, sondern eine ganze Saison lang bereitstehen. Kein Problem also, den im Sommer produzierten Überschuss bis zum Winter einzulagern. Wirklich kein Problem? Wir zeigen, wie Sie mit Wasserstoff und Redox Flow den Strom länger speichern können und listen die jeweiligen Vor- und Nachteile auf. Am Ende des Beitrags wagen wir zudem einen Blick in die Zukunft der Langezeitspeicher-Technologie.

Fotovoltaik Langzeitspeicher und Saisonspeicher

Ein Stromspeicher ist eine feine Sache: Ohne ihn müsste die elektrische Energie sofort verbraucht werden, mit ihm ist immerhin eine Zwischenlagerung vom Tag in den Abend und die Nacht möglich. Dann ist aber Schluss, mehr geht nicht. Es ist also selbst mit einem (teuren) Stromspeicher noch eine Herausforderung, den Eigenverbrauch zu optimieren.

Zu den Schwankungen innerhalb eines Tages kommen noch die innerhalb eines Jahres hinzu. Für die PV-Stromernte ist der Jahreslauf der Sonne leider nicht sehr positiv. Dummerweise lässt sich der Himmelskörper nämlich genau dann seltener blicken, wenn wir am meisten elektrische Energie benötigen – ob für die Beleuchtung, den Wäschetrockner, die häufigere Nutzung elektronischer Geräte oder den Umstieg vom Fahrrad aufs E-Auto. Wie schön also, wenn die im Sommer gewonnene Solarenergie bis zum Winter gespeichert werden kann.

Kurzzeitspeicher – wie die üblichen Lithium-Ionen-Speicher – haben eine Speicherdauer von 4 bis maximal 6 Stunden. Reicht die Speicherdauer über 8 Stunden hinaus, gilt das in der Fachwelt bereits als „Langzeitspeicher“ (Long Duration Energy Storage – LDES). Kann ein Speicher die Energie einige Monate aufbewahren, ist es streng genommen ein „Saisonspeicher“. Da nicht jeder diese Unterschiede kennt, hat sich der Allgemeinbegriff „Langzeitspeicher“ im Unterschied zu „Kurzzeitspeicher“ durchgesetzt.

Zwei ganz unterschiedliche Innovationen sind hier von Interesse:

• Redox-Flow-Batterie als Langzeitspeicher
• Wasserstoffspeicher als Saisonspeicher

Redox Flow Batterie: Energie bis zu 12 Stunden speichern

Mit einer Energie-Speicherdauer von bis zu 12 Stunden zählen Redox-Flow-Batterien zu den Langzeitspeichern. Da die Technologie auf einem flüssigen elektrochemischen Speicher basiert, sind die Bezeichnungen Flüssigbatterie, Flussbatterie, Flowcell-Battery oder Nasszelle ebenfalls gängig.

Funktionsweise einer Redox Flow Batterie

Ein Redox-Flow-Speicher setzt sich aus zwei Tanks, dem Stack und zwei Pumpen zusammen. In den Tanks befinden sich Elektrolytlösungen, die mittels der Pumpen zum Stack befördert werden. Der Stack besteht aus mehreren galvanischen Zellen, die durch eine halbdurchlässige Membran in zwei Halbzellen geteilt wird. Durch diese Membran können die Ionen von der einen in die andere Elektrolytflüssigkeit übertreten, ohne dass sich diese selbst vermischen. Als Elektrolyte kommen unterschiedliche chemische Verbindungen zum Einsatz, am häufigsten auf der Basis von Vanadium.

Wird die Flussbatterie geladen, findet in einer der Halbzellen eine Reduktion (Elektronenaufnahme) und in der anderen eine Oxidation (Elektronenabgabe) des Elektrolyts statt. Man spricht daher von der „Redox-Reaktion“ – „Red“ für Reaktion und „ox“ für Oxidation. Elektroden in den Halbzellen sorgen für die Stromproduktion.

Stärken von Flussbatterien

• Flüssigbatterien sind deutlich langlebiger als Lithiumbatterien. Selbst nach 20 Jahren sind bei der Kapazität nur unwesentliche Einbußen zu befürchten.
• Je nach Größe der Redox-Flow-Batterie ist die gewonnene Energie bis zu 12 Stunden speicherbar.
• Flowcell-Batterien können erweitert und wie in einem Baukastensystem bedarfsgerecht zusammengestellt werden. Ein größerer Tank (kWh) bedeutet eine größere Speicherkapazität, ein größerer Stack (mit mehr galvanischen Zellen) eine schnellere Ladung und Entladung.
• Der modulare Aufbau erlaubt im Fall des Falles einen Austausch defekter Teile.
• Im Unterschied zu Lithium ist das gängige Vanadium reichlich vorhanden. Der Rohstoff wird als Erz abgebaut und fällt sogar als Abfallprodukt bei der Erdölförderung an.
• Da keine unkontrollierte Erhitzung stattfinden kann, besteht keine Brand- oder Explosionsgefahr.
• Bei Nasszellen sind Memory-Effekte ausgeschlossen.
• Die Möglichkeit der Reparatur sowie die Recycelbarkeit der Komponenten und der Elektrolytlösung machen Flussbatterien nachhaltiger als Lithiumbatterien.

Schwächen einer Flüssigbatterie

• Im Unterschied zu den gängigen Kurzzeitspeichern ist die Energiedichte relativ gering. Bei gleicher Kapazität hat die Flussbatterie also mehr Größe und Gewicht.
• Dadurch kann es mancherorts zu Komplikationen bei der Aufstellung kommen.
• Nasszellen sind deutlich teurer als Lithium-Ionen-Speicher.

Anbieter und Preise

Gleich vorweg: Preise für Redox-Flow-Speicher sind schwerlich pro kWh zu kalkulieren und daher nicht leicht erhältlich. Möglicherweise scheuen sich die wenigen Anbieter auch, die wohl recht hohen Zahlen auf ihren Websites bekannt zu geben. Der Heimspeicher-Markt ist in Deutschland sehr klein. 2021 hat VoltStorage die Vermarktung seines „Smart“ eingestellt und fokussiert sich seither auf Gewerbespeicher.

Im Bereich der Redox-Flow-Heimspeicher ist Prolux Solutions momentan die Nummer 1. Das Tochterunternehmen der Schweizer Arbonia AG entwickelt seine Speichersysteme in Deutschland und lässt sie in Tschechien fertigen. Der „Energietresor“ STORAC ist mit Kapazitäten von 6 und 10 kWh erhältlich.

Wasserstoffspeicher: echter Saisonspeicher

Wasserstoffspeicher sind derzeit ein großes Thema. Der „Rohstoff“ ist im Überfluss vorhanden, enthält keine Giftstoffe und kann nachhaltig gewonnen werden. Wirklich „grün“ ist der Energieträger allerdings nur bei einer vollständigen CO₂-Neutralität. Um die Umweltverträglichkeit zu kennzeichnen, unterscheidet die Fachwelt drei Stoffe:

• „grauer Wasserstoff“, der mithilfe von fossilen Energieträgern produziert wird,
• „blauer Wasserstoff“, bei dem das entstehende CO₂ zumindest gebunden wird und damit nicht in die Atmosphäre gelangt,
• „grüner Wasserstoff“, bei dessen Erzeugung erneuerbare Energien eingesetzt werden.

Funktionsweise eines Wasserstoffspeichers

Ein Wasserstoffspeicher arbeitet nach der Power-to-Gaz-Methode. Im ersten Schritt wird dabei aus der erzeugten Solarenergie (Power) mittels Elektrolyse molekularer Wasserstoff H₂ (Gaz) abgespalten und dieser in einem Speicher bis zur Nutzung eingelagert. Bei Bedarf wird eine Reaktion mit Sauerstoff hervorgerufen und der Prozess quasi umgekehrt: Aus dem Wasserstoff entsteht wieder nutzbarer Strom.

Diese beiden Prozesse finden in Brennstoffzellen statt. Der Name lässt bereits vermuten, dass neben Strom auch ein gewisser Anteil an Wärme entsteht. Im Idealfall kann die Abwärme ebenfalls genutzt werden. Die hochkomplexen Vorgänge von Nutzung der Knallgasreaktion in einer Brennstoffzelle erläutert das Video „Brennstoffzelle und Elektrolyse“ der Max-Planck-Gesellschaft:

Vorteile durch Wasserstoffspeicher

• Wasserstoff ist ein gewissermaßen unerschöpflicher Rohstoff. Im Universum hat es den weitaus größten Masseanteil aller chemischen Elemente.
• Wasserstoff ist ungiftig und damit unschädlich für Mensch und Tier.
• Bei der Speicherung und Gewinnung elektrischer Energie entstehen keine umweltbelastenden Emissionen.
• Die Speicherung von Wasserstoff erhöht den Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage.
• Wasserstoffspeicher sind etwas kleiner als andere Energiespeicher. Da sie außerhalb des Hauses aufgestellt werden, wird Platz im Keller oder Hauswirtschaftsraum frei. Der E-Mobilität kommt die Platzersparnis ebenfalls zugute.
• Mit der entstehenden Abwärme können Anlagenbetreiber einen Teil des Brauchwassers erwärmen.
• Wasserstoffspeicher ermöglichen ein energieautarkes Leben. Bei der heutigen Wohnungsknappheit könnte dies die Wiederbelebung entlegener Dörfer ohne Anschluss an das öffentliche Stromnetz interessant machen.

Nachteile der Speicherung von Wasserstoff

• Wasserstoff per Elektrolyse zu erzeugen ist energieaufwendig. Die PV-Anlage muss also ausreichend groß ausgelegt sein. Bei E-Autos werden für die Abspaltung des Wasserstoffs daher oft fossile Energieträger eingesetzt.
• Durch die zweifache Umwandlung geht von der üblichen Strommenge weit mehr als die Hälfte verloren. Auch dies steigert die Investitionskosten für die Photovoltaikanlage.
• Wasserstoff ist extrem entzündbar (hochentzündlich) und muss daher in entsprechenden Gasflaschen (nach DIN EN 1089-3) gelagert werden. Um der Brandgefahr vorzubeugen, ist die Aufstellung von H₂-Druckgasflaschen außerhalb von Gebäuden vorgeschrieben.
• Außerhalb des Hauses muss ein geeigneter Aufstellplatz vorhanden sein.
• Wasserstoffspeicher sind derzeit noch teuer. Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. Erst wenn die Technik serienreif ist, kann der Skaleneffekt zur Preissenkung führen.

Kosten und Förderung der H₂-Speicher

Auf dem derzeit noch kleinen Markt konnten wir ein Unternehmen mit Sitz in Berlin ausfindig machen. Die HPS Home Power Solutions AG bietet ein Solar-Wasserstoff-System namens picea an. Es besteht aus einem Kurzzeitspeicher und einem Langzeitspeicher auf Wasserstoffbasis. Eingeschlossen ist die Heizungsunterstützung durch Abwärme. Die Kosten betragen 85.000 bis 120.000 Euro an (EFH / MFH).

Hinzu kommt ein Servicevertrag von jährlich rund 500 Euro. Der Fördermittelzuschuss im Bestandsbau (BEG) umfasst für mit grünem Wasserstoff betriebene Brennstoffzellensysteme 25 Prozent der förderfähigen Kosten. Im EFH ist der Zuschuss auf 15.000 Euro, im MFH und im Gewerbe auf 27.500 Euro begrenzt. (Quelle: Anbieter. Stand: September 2023)

TIPP

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Ein kurzer Blick in die Forschung

In Zukunft könnten Anlagenbesitzer von MOST profitieren. Bereits 2017 haben Forscher in Göteborg/Schweden das „Molecular Solar Thermal Energy Storage System“ (MOST) entwickelt. Es nutzt ein Molekül aus Stickstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff. Wird dieses mit Sonnenlicht bestrahlt, ordnet es sich zu einem energiereichen Isomer an. Durch die neue Anordnung der Atome im Molekül können diese dann bis zu 18 Jahre gespeichert werden. Die Herausforderung ist „nur“ noch die Umwandlung in elektrischen Strom.

In China wurde bereits ein winziger Generator hergestellt. Die Forscher gehen davon aus, den Chip bald in elektronische Geräte wie Kopfhörer, Smartwatches und Telefone integrieren zu können. Er könnte dann herkömmliche Batterien ersetzen.

Fazit: Langzeit-Stromspeicher rechnen sich (noch) nicht

Langzeit- und Saisonspeicher sind etwas für Kommunen und große Unternehmen mit einem hohen Strombedarf. Für private Haushalte lohnen sich Langzeitspeicher eher nicht – zumindest, wenn es um die Anschaffungskosten geht. Stromkosten können mit einer längerfristigen Speicherung natürlich sehr wohl eingespart werden. Doch es würde momentan noch zu lange dauern, bis sich diese Einsparungen rechnen. Hoffnung macht eine Entwicklung aus Schweden. Gelingt die Umwandlung in elektrischen Strom, kann die PV-Energie bis zu 18 Jahre gespeichert werden.

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