Erneuerbare Energie: Saisonale Speicherung mit Aluminium
Mit Blick auf die Klimaziele stellt die Speicherung erneuerbarer Energie über längere Zeiträume ein Problem dar. Denn Verfügbarkeit und Bedarf decken sich nicht in gewünschtem Mass. Im Sommer wird viel Solarenergie produziert, während im Winter die Sonnenressource geringer und der Wärmebedarf hoch ist. Ein chemischer Speicher könnte den Transfer von Energie auf den Winter bald ermöglichen.
Quelle: zvg
Aluminium nimmt im Energiespeicherzyklus eine zentrale Stellung ein. Es dient als erneuerbarer Energiespeicher zur Versorgung von Gebäuden mit Strom und Wärme.
Um erneuerbare Energie im Sommer zu
speichern und im Winter nutzen zu können, forscht das Institut für Solartechnik
(SPF) der Ostschweizer Fachhochschule (OST) an einem chemischen Speicher. Das
Prinzip funktioniert durch die Umwandlung von elektrischer Energie in
chemisch gespeicherte Energie (Power-to-Aluminium). Aus dieser gespeicherten
Energie kann dann im Winter Wärme und Strom produziert werden
(Aluminium-to-Energy).
Laden und Entladen mit Chemie
Der SPF-Energiespeicher basiert auf dem Aluminium-Redoxzyklus. Beim Ladevorgang wird Aluminiumoxid in elementares Aluminium umgewandelt. Dabei wird Strom aus Sonnenenergie oder anderen erneuerbaren Quellen gespeichert. Beim Entladevorgang wird Aluminium oxidiert. Als Nebenprodukte werden dabei Wasserstoff, Wärme und Aluminiumhydroxid oder Aluminiumoxid freigesetzt.
Der Wasserstoff kann dann einer Brennstoffzelle zur
Erzeugung von Strom zugeführt werden. Mit dem Strom und der durch die Oxidationsprozesse
erzeugten Wärme können Haushalte sowohl mit elektrischer Energie als auch mit
Wärme versorgt werden. Bereits konnte die Erzeugung von Wärme und Strom aus
Aluminium mit Testanlagen demonstriert werden.
Strom und Wärme aus einem Kubikmeter für Doppel-Einfamilienhaus
Simulationsergebnisse der Energiebilanzen zeigen, dass der gesamte Energiebedarf für Strom, Heizung und Warmwasser für ein neues Mehrfamilienhaus abgedeckt werden kann. Dazu sind aber Photovoltaikflächen auf dem Dach erforderlich, die mit dem Speicherzyklus der saisonal anfallenden Al-Energie kombiniert werden.
Photovoltaikanlagen mit Leistungsspektren zwischen 7 bis 11 kWp (Spitzenleistung unter genormten Testbedingungen) sowie 350 bis 530 Kilogramm Aluminium würden pro Wohnung für verschiedene Schweizer Klimazonen benötigt, wie Studien vorrechnen. Oder: Mit rund einem Kubikmeter Aluminium kann der Jahresbedarf an Strom und Wärme eines Doppel-Einfamilienhauses gedeckt werden. Um das zu erreichen, soll die Speicherlösung in ein System mit erneuerbaren Energiequellen wie Wärmepumpen integriert werden.
Quelle: zvg
Bei den volumetrischen Energiespeicherdichten hat Aluminium im Vergleich zu verschiedenen Technologien und Speichermedien am meisten Potenzial.
Kostenschätzungen gehen davon aus, dass ein solches System in naher Zukunft wettbewerbsfähig sein könnte, zumal Aluminium im Vergleich mit anderen Speichermedien geringe Kosten und hohe Energiedichten aufweist.
Geschlossener Materialkreislauf
Aufgrund der hohen Reaktionstemperaturen, die für die Ladezyklen erforderlich sind, stellen sich gleichwohl hohe Anforderungen an die Materialeigenschaften. Auch die aggressive Umgebung des Elektrolyten und die Korrosionsbeständigkeit müssen die Forscherinnen und Forscher berücksichtigen. Auf der Entladeseite werden verschiedene Methoden für die Produktion von Wasserstoff getestet.
Wichtig ist dabei, dass das nach der Produktion von Wärme und Strom oxidierte Aluminium auch wieder zurückgeführt werden kann und über Power-to-Aluminum unter Einsatz von erneuerbarem Strom wieder rezykliert wird. Nur wenn dieser Schritt im Sinne einer «Circular Economy» auch realisiert werden kann, entstehen dadurch auch aus der Umweltlebenszyklusbetrachtung positive Effekte.
