Reversibles Kraftwerk für die Energiewende

 
Wind und Photovoltaik liefern heute mehr erneuerbaren Strom als jemals zuvor. Die eigentliche Herausforderung der Energiewende liegt deshalb längst nicht mehr allein in der Stromerzeugung, sondern darin, elektrische Energie genau dann verfügbar zu machen, wenn sie gebraucht wird. Bei starkem Wind und viel Sonnenschein, einer sogenannten "Hellbrise", wird oft mehr Strom erzeugt, als das Netz aufnehmen kann. In "Dunkelflauten", also wenn weder Wind noch Sonnenschein vorhanden sind, kehrt sich die Situation um. Dann müssen andere Kraftwerkstechnologien einspringen.

Für ein Energiesystem, das überwiegend auf erneuerbaren Quellen basiert, wird deshalb Flexibilität zum entscheidenden Faktor, also die Fähigkeit, überschüssige Energie zwischenzuspeichern und bei Bedarf wieder bereitzustellen. Batteriespeicher können kurzfristige Schwankungen über einige Stunden ausgleichen. Soll Energie jedoch über mehrere Tage gespeichert oder gar vom Sommer in den Winter übertragen werden, stoßen sie an ihre Grenzen. Speicherkapazitäten im Bereich von Tagen oder gar Wochen bereitzustellen ist mit klassischen Batteriesystemen in jedem Fall unwirtschaftlich. Für solche Zeiträume werden andere Langzeitspeicher benötigt.

• Dr.-Ing. Stephan Herrmann, Reverion GmbH, Eresing
  (Sprecher des Teams)
• Felix Fischer, Reverion GmbH, Eresing
• Prof. Dr. Hartmut Spliethoff, Technische Universität München
   

 
Gas, in Form von Biogas, Erdgas oder auch Wasserstoff, bringt die notwendige Speicherbarkeit bereits mit. Biogas entsteht beispielsweise aus organischen Reststoffen wie Gülle oder Pflanzenmaterial und lässt sich – zu Biomethan als Erdgasersatz aufbereitet – über Monate im Gasnetz speichern und bei Bedarf zur Stromerzeugung nutzen. Bislang funktionierte dieses Prinzip jedoch nur in eine Richtung. Aus Gas wurde Strom.

An dieser Stelle setzt die Erfindung der Nominierten an. Das Team entwickelte ein reversibles Brennstoffzellenkraftwerk, das beide Prozesse in einer einzigen Anlage vereint. Wird Strom benötigt, erzeugt es elektrische Energie aus Biogas, Erdgas oder Wasserstoff. Steht dagegen überschüssiger Wind- oder Solarstrom zur Verfügung, arbeitet dieselbe Anlage in umgekehrter Richtung und wandelt elektrische Energie in Wasserstoff oder synthetisches Methan um. Beide Energieträger lassen sich im bestehenden Gasnetz langfristig speichern und später wieder nutzen. Der Wechsel zwischen beiden Betriebsarten erfolgt automatisch und innerhalb von wenigen Minuten. Aus einer klassischen Biogasanlage wird somit ein flexibel regelbares Kraftwerk mit nahezu unbegrenzter Speicherfunktion.

Sein volles Potenzial entfaltet das System durch die Nutzung der bereits bestehenden Gasinfrastruktur. Allein das deutsche Erdgasnetz verfügt über Speicherkapazitäten von rund 300 Terawattstunden. Das entspricht in etwa dem Dreifachen des monatlichen deutschen Gasverbrauchs. Während neue Stromleitungen und Netzanschlusspunkte häufig über Jahre geplant und gebaut werden müssen, steht damit bereits heute ein gewaltiger saisonaler Energiespeicher zur Verfügung.

Der technologische Fortschritt wird im Vergleich mit konventionellen Blockheizkraftwerken, die heute meist an Biogasanlagen zur Stromerzeugung genutzt werden, besonders deutlich. In einer herkömmlichen Anlage treibt Biogas einen Verbrennungsmotor an, der über einen Generator Strom erzeugt. Ein erheblicher Teil der eingesetzten Energie geht dabei als Wärme verloren. Der elektrische Wirkungsgrad liegt deshalb selten über 40 Prozent. Zusätzlich entstehen beim Verbrennen des Biogases CO2-Emissionen.

Die Innovation der Nominierten ersetzt den Verbrennungsmotor vollständig durch keramische Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Anders als ein Motor verbrennen diese das Biogas nicht. Dafür wird dessen chemische Energie unmittelbar durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umgewandelt. Dadurch entfällt die thermodynamische Begrenzung klassischer Verbrennungskraftwerke und die Energieverluste sinken erheblich. Es entstehen keine zusätzlichen Emissionen – im Biogas enthaltenes CO2 kann abgeschieden und dauerhaft gebunden werden.

Dieselben Brennstoffzellen lassen sich auch in umgekehrter Richtung betreiben. Dann arbeiten sie als Hochtemperatur-Elektrolysezellen. Überschüssiger Strom spaltet dabei Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Unter Einbindung des während der Stromerzeugung anfallenden Kohlendioxids entsteht so synthetisches Methan. Dieses besitzt nahezu dieselben Eigenschaften wie Erdgas und kann ohne technische Anpassungen in das vorhandene Gasnetz eingespeist, gespeichert und später wieder genutzt werden.

Die Anlage entscheidet dabei automatisiert, welche Betriebsart wirtschaftlich und energetisch sinnvoll ist. Sinkt der Strompreis infolge hoher Einspeisung aus Wind oder Photovoltaik, ermöglicht sie die Speicherung überschüssiger Energie als Gas. Steigt die Nachfrage, erzeugt sie wieder Strom. Dadurch passt sich das Kraftwerk kontinuierlich an die aktuelle Situation im Energiesystem an. Auch die Leistungsdaten verdeutlichen den technologischen Fortschritt. Während klassische Blockheizkraftwerke meist nur rund 40 Prozent der im Biogas enthaltenen Energie in Strom umwandeln, erreichen Reverion Anlagen im Praxiseinsatz schon heute einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 74,2 Prozent. Damit wurde der bisherige Weltrekord für thermische Kraftwerke um gut zehn Prozentpunkte übertroffen. Langfristig strebt das Team Wirkungsgrade von bis zu 80 Prozent an. Aus derselben Menge Biogas lässt sich damit nahezu doppelt so viel elektrische Energie gewinnen wie mit konventioneller Technik.

Dies bedeutet eine deutlich höhere Effizienz aus einem bereits vorhandenen Energieträger. Auch bei der Langzeitspeicherung erreicht das System durch seinen hohen Wirkungsgrad in beiden Betriebsrichtungen Werte, die chemische Energiespeicher erstmals wirtschaftlich attraktiv machen. Überschüssiger Strom kann über längere Zeiträume als synthetisches Erdgas gespeichert und bei Bedarf wieder zur Stromerzeugung genutzt werden. Von dieser Flexibilität profitiert das gesamte Energienetz und es geht weniger grüne Energie ungenutzt verloren. Mit der Technologie der Nominierten können Betreiber je nach Marktsituation Strom erzeugen oder überschüssige erneuerbare Energie als synthetisches Methan vermarkten. Zusätzliche wirtschaftliche Möglichkeiten entstehen durch das im Prozess anfallende Kohlendioxid. Da es in hoher Reinheit vorliegt, kann es in der Industrie genutzt oder dauerhaft gespeichert werden. Dadurch eignet sich das System perspektivisch auch zur Erzeugung negativer Emissionen.

Aus einer Idee, die an der Technischen Universität München entstand, entwickelte sich zunächst ein Forschungsprojekt, welches schließlich im Jahr 2022 zur Ausgründung führte. Heute beschäftigt das Unternehmen rund 220 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Die ersten Anlagen arbeiten bereits im kommerziellen Betrieb. Neben der bisherigen 100-Kilowatt-Variante wird bereits ein 500-Kilowatt-System erfolgreich betrieben. Als nächster Schritt soll eine Anlage mit 2 Megawatt Stromerzeugungsleistung folgen. Aktuell befindet sich das Unternehmen im Hochlauf der ersten Serienfertigung der 500-kW-Leistungsklasse. Die Kraftwerke werden im Containerprinzip vollständig im Werk montiert, getestet und beim Kunden innerhalb weniger Tage in Betrieb genommen.

Mit seiner Entwicklung hat das nominierte Team die Rolle der Biogasanlage grundlegend verändert. Aus einem reinen Stromerzeuger wurde ein flexibel steuerbares Kraftwerk, das gleichzeitig als Langzeitspeicher arbeitet. Es verbindet Strom- und Gasnetz, nutzt vorhandene Infrastruktur, reduziert Netzengpässe und stellt erneuerbare Energie genau dann bereit, wenn sie benötigt wird. Damit schließt das Team eine der letzten großen technologischen Lücken der Energiewende.