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Ökostrom als Erdgas-Substitut speichern

Konsortium gelingt Durchbruch bei der  Energieumwandlung

Deutsch-österreichische Kooperation verwandelt Strom erfolgreich in Erdgassubstitut. So könnte künftig Überschussstrom etwa aus Windkraft und Photovoltaik gespeichert und in der vorhandenen Erdgasinfrastruktur genutzt werden.
Weltweit wird mehr und mehr Strom aus Wind und Sonne gewonnen. Bisher fehlt es jedoch an gut integrierbaren Stromspeichern für den fluktuierend anfallenden Ökostrom. Deutschen Forschern ist es jetzt gelungen, die erneuerbare Elektrizität als Erdgas zu speichern. Sie wandeln den Strom mit Hilfe eines neuen Verfahrens in synthetisches Erdgas um. Das Verfahren wurde vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES entwickelt. Derzeit bereitet das österreichische Partner-unternehmen Solar Fuel Technology die industrielle Umsetzung vor. Ein Vorteil der Technik: Die Erdgasinfrastruktur kann genutzt werden. Eine im Auftrag von Solar Fuel in Stuttgart errichtete Demonstrationsanlage läuft bereits erfolgreich. Ab 2012 soll eine deutlich größere Anlage im zweistelligen Megawattbereich entstehen. Das Verfahren zur Erdgasherstellung kombiniert erstmals die Technologien Wasserstoff-Elektrolyse und Methanisierung. „Unsere Stuttgarter Demonstrationsanlage spaltet aus überschüssigem erneuerbarem Strom Wasser per Elektrolyse. Dabei entsteht Wasserstoff und Sauerstoff“, erklärt Dr. Michael Specht vom ZSW. „Durch eine chemische Reaktion des Wasserstoffs mit Kohlendioxid entsteht dann Methan – und das ist nichts anderes als Erdgas, nur synthetisch erzeugt.“ Mit dem schnellen Ausbau der erneuerbaren Energien wächst der Bedarf für neue Speichertechniken immens. Das interessiert unter anderem Energieversorger. „Bisher haben wir Gas in Strom umgewandelt. Jetzt denken wir auch in die andere Richtung und wandeln Strom in synthetisches Erdgas um“, erklärt Dr. Michael Sterner vom Fraunhofer IWES, an dem die systemtechnischen Aspekte des Verfahrens erforscht werden. „So können Überschüsse von Wind- und Sonnenenergie gespeichert werden. Denn wenn zum Beispiel der Wind kräftig bläst, erzeugen die Windräder mehr Strom als aktuell benötigt wird. Dieses Überangebot zeigt sich an der Strombörse immer häufiger durch negative Strompreise.“ In solchen Fällen könnte künftig die neue Technik den Ökostrom als Erdgas vorrätig halten.

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)
Standort Stuttgart: Industriestr. 6, 70565 Stuttgart

„Bei der Entwicklung der Technik hat sich das ZSW von zwei Kernfragen leiten lassen“, erklärt Michael Specht: „Welche Speicher bieten eine ausreichende Kapazität für die je nach Wind und Wetter unterschiedlich stark anfallenden erneuerbaren Energien? Und welche Speicher lassen sich am einfachsten in die bestehende Infrastruktur integrieren?“ Das Speicherreservoir des sich durch Deutschland erstreckenden Erdgasnetzes ist groß: Es beträgt über 200 Terawattstunden – der Verbrauch von mehreren Monaten. Das Stromnetz verfügt nur über 0,04 Terawattstunden. Die Integration in die Infrastruktur ist einfach: Das Erdgassubstitut kann wie herkömmliches Erdgas in Versorgungsnetz, Pipelines und Speicher eingespeist werden, um dann Erdgasautos anzutreiben oder Erdgasheizungen anzufeuern. Die neue Technik will die Aufnahme hoher Anteile fluktuierender Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in das Energiesystem ermöglichen. Ein Ziel ist, die Energielieferung von Windparks plan- und regelbar zu gestalten. „Das neue Konzept ist ein wesentlicher Baustein für die Integration erneuerbarer Energien in ein nachhaltiges Energiesystem“, ergänzt Sterner. Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Strom zu Erdgas beträgt über 60 Prozent. „Das ist unserer Meinung nach definitiv besser als ein vollständiger Verlust“, so Michael Specht. Ein vollständiger Verlust droht, wenn etwa Windkraft überhaupt nicht genutzt werden kann. Die bisher vorherrschende Speicherform – Pumpspeicherkraftwerke – ist in Deutschland nur noch geringfügig ausbaufähig.

Um die neue Energieumwandlungstechnik voranzutreiben, haben sich die zwei deutschen Forschungseinrichtungen mit der Firma Solar Fuel Technology aus Salzburg zusammengeschlossen. Ab 2012 soll eine Anlage mit rund zehn Megawatt Leistung entstehen. Hintergrundinformationen für die Redaktionen Ein Beitrag zu dem Thema erscheint im Frühjahr 2010 im Themenheft „Globale Märkte erneuerbarer Energien“ des Forschungsverbunds Erneuerbare Energien FVEE. Autor: Dr. Michael Specht, Titel: Speicherung von Bioenergie und erneuerbarem Strom in Erdgasnetz. Ein weiterer Beitrag erscheint in der Zeitschrift „Solarzeitalter“ von Eurosolar e.V. Autor: Dr. Michael Sterner, Titel: Erneuerbares Methan: Lösung zur Integration und Speicherung erneuerbarer Energien.

Zu den Partnern
Das ZSW gehört zu den renommiertesten Forschungsinstituten auf den Gebieten Photovoltaik, Energiesystemanalyse, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen. An den drei Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 170 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt. Sie erwirtschaften einen Umsatz von über 22 Millionen Euro.

Die Fraunhofer-Gesellschaft ist die führende Organisation für angewandte Forschung in Europa. Unter ihrem Dach arbeiten 59 Institute an über 40 Standorten in ganz Deutschland. Rund 17 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter erzielen das jährliche Forschungsvolumen von 1,6 Milliarden Euro. Davon erwirtschaftet die Fraunhofer-Gesellschaft rund zwei Drittel aus Aufträgen der Industrie und öffentlich finanzierten Forschungsprojekten. Die internationale Zusammenarbeit wird durch Niederlassungen in Europa, in den USA und in Asien gefördert. Die Solar Fuel Technology GmbH & Co KG entwickelt Technologien und Anlagen zur Kompensation schwankender Netzeinspeisung von erneuerbarem Strom. Der Strom wird dabei zu CO2-neutralem, erneuerbarem Erdgas konvertiert, das für vielfältige Zwecke genutzt werden kann. Solar Fuel wurde im November 2007 gegründet. Gründer und Geschäftsführer ist Dipl.-Ing. ETH, MBA Gregor Waldstein.

Ansprechpartner Pressearbeit
PR-Agentur Solar Consulting GmbH, Axel Vartmann, Solar Info Center, 79072 Freiburg, Tel. +49/761/38 09 68-23, Fax +49/761/38 09 68-11, vartmann@solar-consulting.de, www.solar-consulting.de

Ansprechpartner ZSW
Dr. Ulrich Zuberbühler, Zentrum für Sonnenenergie- und  Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg ZSW, Industriestr. 6,  D-70565 Stuttgart, Tel. +49/711/78 70-239, Fax. +49/711/78 70-200, ulrich.zuberbuehler@zsw-bw.de, www.zsw-bw.de

Ansprechpartner Fraunhofer IWES
Dr.-Ing. Michael Sterner, Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES, Königstor 59. 34119 Kassel, Tel. +49-(0)561-7294-361, Fax +49-(0)561-7294-260 msterner@iset.uni-kassel.de, www.iwes.fraunhofer.de

Ansprechpartner Solar Fuel Technology
Stephan Rieke, Solar Fuel Technology GmbH & Co KG, Hofhaymer Allee 42, 5020 Salzburg, Tel.: +43 662 833824, Fax: +43 662 83382422, rieke@solar-fuel.at, www.solar-fuel.com

Stuttgarter Solarforscher holen Weltrekord nach Deutschland

ZSW produziert Dünnschichtsolarzelle mit 20,1 Prozent Wirkungsgrad

Stuttgart, 22. April 2010 – Wissenschaftler am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) haben mit 20,1 Prozent Wirkungsgrad bei Dünnschichtsolarzellen einen neuen Weltbestwert aufgestellt.

Die Rekordsolarzelle aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, kurz CIGS, wurde im ZSW-Forschungslabor in Stuttgart hergestellt. Der Durchbruch bei der Materialentwicklung soll mittelfristig die Wirtschaftlichkeit der CIGS-Dünnschichtphotovoltaik deutlich verbessern. Mit dem Erfolg holen die Forscher aus Baden-Württemberg den Weltrekord nach Deutschland: Seit 16 Jahren hatte das US-Forschungsinstitut NREL den Titel inne.

„Bei unserem Rekord handelt es sich nicht nur um einen Rekord für CIGS-Solarzellen, sondern für Solarzellen in Dünnschichttechnik generell“, freut sich Dr. Michael Powalla, Mitglied im ZSW-Vorstand und Geschäftsbereichsleiter Photovoltaik. „Der Wirkungsgrad ist ein Ergebnis kontinuierlicher und systematischer Forschung, die vom Bundesumweltministerium und dem Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg seit vielen Jahren unterstützt wird. Besonders die enge Kooperation zwischen Grundlagenforschung an der Universität, anwendungsnaher Forschung am ZSW und der Produktion bei unserem Industriepartner Würth Solar hat uns diesen Spitzenplatz eingebracht.“

Die Fläche der Weltrekordzelle beträgt 0,5 Quadratzentimeter. Die Solarzelle wurde in einer CIGS-Laborbeschichtungsanlage mit einem modifizierten Simultanverdampfungsprozess hergestellt, der im Prinzip auf Produktionsprozesse aufskalierbar ist. Die Solarzelle, bestehend aus der halbleitenden CIGS-Schicht und den Kontaktschichten, ist insgesamt nur rund vier tausendstel Millimeter dick. Bei der Herstellung müssen die elektrischen und optischen Eigenschaften sehr gut aufeinander abgestimmt sein – ein extrem schwierig zu beherrschender Vorgang. Das Fraunhofer ISE in Freiburg hat die neuen Ergebnisse bestätigt.

Höhere Wirkungsgrade verbessern die Stromausbeute und somit die Rendite von Photovoltaikanlagen. „Der Weg zur industriellen Anwendung ist jetzt der nächste Entwicklungsschritt“, so Michael Powalla. Es werde aber noch einige Zeit dauern, bis die Erhöhung des Wirkungsgrades der CIGS-Zellen kommerziell umgesetzt werde kann.

Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Sie sind eine der Schlüsseltechnologien für eine klimafreundliche Energieversorgung. Im Vergleich zu Standardsolarzellen aus kristallinem Silizium spart die Dünnschichtphotovoltaik durch eine mikrometerdünne Beschichtung Material und Kosten. In den letzten Jahren hat sie ihren Marktanteil von sieben auf rund 17 Prozent gesteigert. Es gibt drei Variationen der Dünnschichtsolartechnik (amorphes Silizium, Kadmium-Tellurid und CIGS) – den höchsten Wirkungsgrad hat die CIGS-Dünnschichttechnik.

Marktübliche CIGS-Module verfügen derzeit über einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von zehn bis zwölf Prozent – ein Modul hat stets einen niedrigeren Wirkungsgrad als eine einzelne Solarzelle. Die neue Bestleistung zeigt das große Potenzial der CIGS-Technik für eine kostenreduzierte, effiziente Photovoltaik. Michael Powalla geht davon aus, dass in den nächsten Jahren Wirkungsgrade von 15 Prozent auch im kommerziellen Modul erzielt werden können.

Bei der Entwicklung von CIGS-Dünnschichtmodulen ist das ZSW international führend. Das Institut brachte die Technologie zusammen mit der Firma Würth Solar zur Industriereife. Würth Solar startete 2006 die damals weltweit erste Großserienproduktion von CIGS-Solarmodulen in Schwäbisch Hall. Die Kapazität beträgt inzwischen 30 Megawatt pro Jahr. Das ZSW ist der Forschungs- und Entwicklungspartner von Würth Solar.

Das ZSW gehört zu den renommiertesten Forschungsinstituten auf den Gebieten Photovoltaik, Energiesystemanalyse, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen. An den drei Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 170 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt. Sie erwirtschaften einen Umsatz von über 22 Millionen Euro.

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Automobil-Ausstellung IAA: Wir Autofahrer bestimmen den Erfolg alternativer Antriebe

Brennstoffzellen in der Pole-Position für lange Strecken

Forschungsinstitut ZSW: Deutschland muss die Forschung von Schlüsseltechnologien auf eine breite Basis stellen, will es die Nase vorn haben. Neues ZSW-Testzentrum leistet dazu einen wichtigen Beitrag.

Mit welcher klimafreundlichen Antriebstechnik Autos in den nächsten Jahrzehnten fahren werden, daran tüfteln derzeit weltweit Autokonzerne wie Zulieferindustrie. „Entscheidend für eine erfolgreiche Marktdurchdringung ist die richtige Technologie für das jeweilige Einsatzprofil“, sagt Professor Werner Tillmetz vom Forschungsinstitut Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW). Batterieelektrische Antriebe seien für Stadtfahrzeuge prädestiniert. Vor allem auf langen Strecken und für große Fahrzeuge fahre dagegen die Brennstoffzellentechnik ihre Vorteile aus, sagte der Experte aus Ulm im Vorfeld der Internationalen Automobil-Ausstellung IAA.

Seit 5 Jahren sind Brennstoffzellen-Busse und -limousinen erfolgreich im Alltag unterwegs. Derzeit kommen zahlreiche Hersteller mit der zweiten Generation Brennstoffzellen in Kleinserien auf die Straße. Damit Deutschland im weltweiten Wettbewerb um die Mobilitätstechnologien mithalten könne, müssten die Forschungsaktivitäten auf eine breite und langfristig ausgerichtete Basis gestellt werden, erklärt Werner Tillmetz, Vorstand am ZSW. Ein wichtiger Baustein sei der Ausbau des Batterie- und Brennstoffzellen-Testzentrums des ZSW in Ulm.

„Das Fahrzeug der Zukunft wird verstärkt auf effiziente und leise elektrische Antriebe setzen. Dabei kommt der Strom aus Hochleistungsbatterien oder Brennstoffzellen“, so Tillmetz. „Gute Chancen am Markt haben Stadtfahrzeuge, die nur mit einer Batterie ausgestattet sind, sowie Hybridautos, die im Strombetrieb Pendlerdistanzen bewältigen und auf weiteren Strecken den Verbrennungsmotor nutzen.“ Effizienter als herkömmliche Verbrennungsmotoren und dazu völlig emissionsfrei sind Brennstoffzellenantriebe.

Autos mit Brennstoffzellen werden in der Regel auch mit einer Hochleistungsbatterie gekoppelt (hybridisiert) und nutzen Wasserstoff als Energieträger. Der Vorteil: Wasserstoff hat eine deutlich höhere Energiedichte als Batterien und kann vielfältig aus erneuerbaren Energien. gewonnen werden. Auch wenn er vorübergehend noch aus fossilen Energien erzeugt wird, ist die Energiebilanz meist immer noch besser als bei Erdöl und Verbrennungsmotoren. Hinzu kommt: Brennstoffzellenantriebe stoßen außer Wasser keine Emissionen aus.

Bis zur breiten Markteinführung muss die deutsche Industrie jedoch noch große Anstrengungen bei den Schlüsseltechnologien unternehmen. Wie bei Lithium-Hochleistungsbatterien muss für Brennstoffzellen noch eine schlagkräftige Zulieferindustrie aufgebaut werden. Auch ein Netz von Wasserstofftankstellen ist nötig, genauso wie Stromtankstellen für Elektroautos.

„Hierzu zählen nicht nur Forschung, sondern insbesondere auch Produktionstechnologien, Qualifikationsprozesse und eine Lieferantenstruktur, die die komplette Wertschöpfungskette zuverlässig abdecken“, beschreibt Tillmetz die Herausforderungen. Dies könne nur über eine enge Koordination aller Akteure aus Industrie, Wissenschaft und Politik in der erforderlichen Kürze der Zeit realisiert werden. „Für die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie wurde mit den Nationalen Innovationsprogramm (NIP) die Basis dafür bereits geschaffen. Für Batterien und Stromtankstellen sind wir mit dem Konjunkturpaket Elektromobilität der Bundesregierung auch hier auf einem guten Weg. Jetzt geht es um die konkrete Umsetzung des Nationalen Entwicklungsplanes Elektromobilität der Bundesregierung – wie es derzeit auch in Ländern wie China, Japan oder den USA konsequent praktiziert wird“, so Tillmetz. Mit dem neuen Testzentrum für Brennstoffzellen und Hochleistungsbatterien stellt sich das Forschungsinstitut ZSW für die Umsetzung des Entwicklungsplans schlagkräftig auf. Sowohl Bundes- wie Landesministerien beteiligen sich am Ausbau. Der Forschungsdienstleister deckt seit 20 Jahren in enger Kooperation mit Partnern aus der Industrie das gesamte Spektrum der Wertschöpfungskette vom Material bis zum Sicherheitstest am System ab. Kein anderes unabhängiges europäisches Institut kann dieses Kompetenzspektrum unter einem Dach vereinen.

Das ZSW gehört zu den renommiertesten angewandten Forschungsinstituten für Energieeffizienz und erneuerbare Energien. Am Standort Ulm betreibt das Institut das europaweit größte unabhängige Entwicklungs- und Testzentrum für Hochleistungsbatterien und Brennstoffzellen. Die ZSW-Forscher entwickeln mit Mittelstand und Industrie mobile und stationäre Systeme. Am ZSW Standort Stuttgart werden Photovoltaik und regenerative Kraftstoffe entwickelt sowie energiepolitische Systemanalysen erstellt.

Ansprechpartner ZSW
Tiziana Bosa, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-
Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Helmholtzstr. 8, D-89081 Ulm,
Tel. +49/731/9530-610, Fax +49/731/9530-666,
tiziana.bosa@zsw-bw.de, www.zsw-bw.de