Im Rahmen der Energiestrategie 2050 werden Stromspeicher für die Stabilität des Stromnetzes und für dessen Versorgung künftig eine zentrale Rolle spielen. Dem Kompetenzzentrum SCCER Storage dürfte dabei eine wichtige Rolle zukommen.

Gemäss Angaben des Bundesamtes für Energie (BFE) wurden 2015 in der Schweiz 66 TWh Strom produziert. Diese Grösse entspricht in etwa auch dem jährlichen Stromverbrauch in unserem Land. Rund 64 % der einheimischen Stromproduktion wird aus erneuerbaren Energien gewonnen. Der Löwenanteil davon (60%) stammt aus der Wasserkraft. Andere erneuerbaren Energien wie beispielsweise die Photovoltaik, die Windenergie oder die Biomasse machen heute zusammen 4.3% (2‘831 GWh) der ganzen Schweizer Stromproduktion aus. Im Jahr 2000 betrug dieser Anteil noch 1.3% (846 GWh). Mit dem Ausgang des Referendums gegen die Energiestrategie 2050 vom 21. Mai ist nun eines gewiss: Mittel- bis längerfristig müssen die gegenwärtig noch knapp 34 % des bei uns aus Kernenergie produzierten Stroms kompensiert werden. Mit der vermehrten Förderung erneuerbarer Energien soll das künftig gelingen. Die Zeit drängt und viele Fragen ergeben sich in diesem Zusammenhang. Eine der zentralen Fragen dabei ist sicher diejenige nach der Möglichkeit überschüssigen Strom aus alternativen Energiequellen künftig speichern zu können. Bereits heute ist die Schweiz darauf angewiesen während der Wintermonate Strom aus dem Ausland zu importieren, da der hiesige Verbrauch mit der Produktion dann nicht Schritt halten kann und Strom im Netz nicht gespeichert werden kann. Der Forcierung von neuen Stromspeichertechnologien kommt also eine der Schlüsselrollen in der Energiewende 2050 zu. Seit längerem wird an solchen intensiv geforscht. Thomas Schmidt, ETH-Professor und Leiter des Kompetenzzentrums Wärme- Elektrizitätsspeicherung (engl. Swiss Competence Centers in Energy Research / kurz SCCER) am Paul-Scherrer-Institut meint dazu: «Die Zeit bis das letzte AKW abgeschaltet wird muss jetzt für verschiedene Energiespeicherprojekte sinnvoll genutzt werden, damit, unter Einbindung von Forschung und Entwicklung, dann auch marktreife Lösungen präsentiert werden können.»

Porträt Thomas Schmidt

Thomas Schmidt – Leiter des Kompetenzzentrums SCCER Storage am Paul-Scherrer-Institut

Netzstabilität und Stromspeicher

Sowohl die Produktion als auch der Verbrauch von Strom müssen stets im Gleichgewicht zu einander stehen damit die Stabilität des Netzes gewährleistet werden kann. Was bis anhin kalkulierbar war, wird sich mit der zunehmenden Förderung erneuerbarer Energien im Rahmen der Energiewende 2050 künftig schwieriger gestalten. «Das Stromnetz der Zukunft wird dezentraler sein und die Produktion wird vermehrt auf lokalerer Ebene stattfinden», so Schmidt. «Aus anderen Ländern wie Deutschland oder Dänemark kennen wir Beispiele, wo grosse Windkraftwerke zu deutlichen Schwankungen zwischen Stromproduktion und Bedarf geführt haben.» Für die Stabilität des Netzes kann das zum Problem werden. Ähnlich verhält es sich mit Photovoltaikanlagen, die längerfristig für das Stromnetz eine Herausforderung darstellen. Neuartige Stromspeichertechnologien könnten da abhelfen. «Je grösser der Bedarf an erneuerbarer, intermittierender Energie in Zukunft sein wird, desto mehr Speicherkapazitäten werden für diese benötigt werden. Zur längerfristigen Stabilisierung des Stromnetzes werden zusätzliche Kurzzeitspeicherkapazitäten und saisonale Speicher notwendig sein.» Nach neusten Studien geht Schmidt davon aus, dass bis ca. 2030 solche Speicherkapazitäten in genügendem Umfang zur Verfügung stehen sollten um aus erneuerbaren Energien gewonnenen Strom ohne grössere Verluste nutzen und die Versorgungssicherheit im Land gewährleisten zu können. Gleichzeitig betont er aber auch, dass es in Zukunft keine Patentlösung für Stromspeicher geben wird. «Auch hier wird die Zukunft divers sein. Für die spezifische Anwendung, die ein Speicher bieten soll, muss das richtige System, die richtige Technologie verwendet werden.» Innerhalb dieses sich ergänzenden Systems werden Batterien, Pumpspeicher, Druckluftspeicher, Redox Flussbatterien und noch weitere Systeme in ergänzender Kombination künftig ihre Funktion haben. «Jeder Speicher hat unterschiedliche Möglichkeiten. Man wird jeweils schauen müssen, wo er Sinn macht und ihn dementsprechend einsetzen.»

SCCER Storage

Es verwundert nicht, dass sich die Forschungsaktivitäten zu unterschiedlichen Stromspeichertechnologien in der jüngeren Vergangenheit in der Schweiz intensiviert wurden. Ein bedeutender Schritt in diesem Prozess war, ab 2014, die Schaffung von acht interuniversitärer Kompetenzzentren, die im Rahmen des Aktionsplans Koordinierte Energieforschung Schweiz neue Konzepte und Lösungen zu relevanten Bereichen in der Energiewende erarbeiten sollten. Eines dieser Zentren ist das Kompetenzzentrum für Wärme – und Elektrizitätsspeicherung am Paul-Scherrer-Institut in Villingen, das SCCER Storage. Hauptziel des Kompetenzzentrums ist der Ausbau des Wissens und der Technologie zur Strom- und Wärmespeicherung sowie dessen Bereitstellung für die Öffentlichkeit und speziell auch für die Wirtschaft. «Unsere Aktivitäten sind einerseits auf die grundlegende Seite und andererseits aber auch auf die angewandte Seite der Arbeit mit Stromspeichern ausgerichtet.» Darüber hinaus will man beim SCCER Storage aber auch die Öffentlichkeit für das Thema Energiespeicher an sich sensibilisieren. «Wir möchten neue Sichtweisen aufzeigen und an das Thema heranführen.» Die Bündelung von spezifischem Know-How in einem Kompetenzzentrum hat verschiedene Vorteile. So können dadurch beispielsweise Synergien in der Forschung genutzt und die Vernetzung in derselben gefördert werden. «Zudem fällt es möglichen Partnern, in Zusammenarbeit mit uns, einfacher, schnell an spezifische Informationen zum Thema zu kommen.» Ein weiteres zentrales Element der Arbeit des Kompetenzzentrums ist die Ausbildung der im Forschungsbereich tätigen Wissenschaftler, Ingenieuren und Technikern. «Dadurch wird neues Know-How generiert und der Transfer desselben in die Industrie für die Zukunft gewährleistet und auch in der Gesellschaft implemetiert.»

Beispiele Batterien / Projektbeispiele

Bedingt durch die unterschiedlichen Anwendungsansprüche an künftige Stromspeicher wird am SCCER Storage an zahlreichen Projekten gearbeitet. Aktuell domminieren Lithium-Ionen-Batterien den weltweiten Markt. Durch ihre Eigenschaften eignen sie sich, innerhalb des Stromnetzes, besonders als Kurzzeitspeicher für die Dauer von Minuten. Mit deren immer grösser werdenden Verbreitung ist in der jüngeren Vergangenheit auch ihr Preis gesunken. Der aufwendige Abbau von Lithium und dessen Verfügbarkeit bleibt aber ein Problem. So forscht man im Kompetenzzentrum momentan intensiv an Alternativen. Vielversprechend in diesem Zusammenhang ist die Verwendung von Natrium in Batterien. Seine ähnlichen chemischen Eigenschaften und die beinahe grenzenlose Verfügbarkeit bieten vielversprechende Perspektiven. Im Bereich der mittelfristigen Stromspeicherung (einige Stunden) stehen Redox Fluss-Batterien immer mehr im Fokus der Forschung. Dabei wird Energie in Flüssigkeit gespeichert und zum Laden und Entladen in eine elektrochemische Zelle gepumpt. Grosser Vorteil dabei ist, dass die Batterie ohne Einbusse der Lebensdauer, also unbegrenzt, wieder aufladbar ist. Im Bereich der Langzeitspeicherung von Strom existieren ebenfalls unterschiedliche Möglichkeiten, an denen geforscht wird. Vielversprechende Ergebnisse im Bereich der Langzeitspeicherung haben in der jüngeren Zeit Power-to-Gas-Technologien aber auch Druckluftspeicher geliefert. Erfahren Sie mehr zum Thema.