Klimafreundliche Mobilität der Zukunft Multienergiezapfsäule vom ZSW: Strom, Wasserstoff und Methan

Wasserstoff-Tankstelle am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg in Ulm.
Wasserstoff-Tankstelle am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg in Ulm.

Eine Zapfsäule für die künftige Mobilität entwickeln Wissenschaftler des ZSW im Rahmen eines Forschungsprojekts. Sie soll Strom, Wasserstoff sowie Methan liefern – effizient, kostengünstig und bedarfsgerecht.

Strom aus Wind und Sonne für Elektroautos, erneuerbarer Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge und Methan aus Ökostrom für Erdgasautos – aus einer Multienergiezapfsäule. So lautet das Ziel des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) im Rahmen des vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Vorhabens.

Stufenförmige Nutzung der erneuerbaren Energie

Erneuerbarer Strom, beispielsweise aus Windkraftanlagen, soll über das Stromnetz direkt in die Batterie der Elektroautos geladen werden. Ist der Bedarf höher als das Angebot, springt eine zugeschaltete stationäre Großbatterie ein, die zuvor bei einem Überangebot an Strom geladen wurde. Ist hingegen das Angebot höher als der Bedarf (Batterie ist geladen und die angeschlossenen Elektroautos können auch keinen zusätzlichen Strom aufnehmen), wird in einem zweiten Schritt der Ökostrom in Wasserstoff umgewandelt.

Fällt mehr Wasserstoff an, als gebraucht wird, kommt er in einen separaten Speicher. Ist der Wasserstoffspeicher voll und die Brennstoffzellenautos können kein zusätzliches Gas aufnehmen, erfolgt die Umwandlung von Wasserstoff in Methan. Hier wird dem Wasserstoff Kohlendioxid zugeführt, so dass beide Gase an einem Katalysator zu Methan reagieren.

Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und Erdgasautos können den Kraftstoff problemlos einsetzen. Ist mehr verfügbar als getankt wird, kommt das Methan in einen Speicher. Ist auch der Methanspeicher voll, wird das Methan in das Erdgasnetz eingespeist.

Dr. Ulrich Zuberbühler vom ZSW erklärt dazu: »Mit unserem Vorhaben bleibt die Kopplung des Stromnetzes mit der Mobilität nicht auf Elektroautos beschränkt. Auch die anderen alternativen Antriebe profitieren davon.«

Die Wissenschaftler vom ZSW sprechen von einer stufenförmigen Nutzung der erneuerbaren Energie. Priorität hat dabei die Nutzung mit den geringsten Energieverlusten, so dass die Stufe 1erst verlassen wird, wenn ihr Potenzial ausgereizt ist.

Am effizientesten ist die Verwendung des regenerativen Stroms in Elektromotoren. Hier fallen keine Energieumwandlungsverluste an, sondern lediglich bis zu 10 Prozent Batteriespeicherverluste. Erst wenn dieser Bedarf gedeckt ist, kommen die weiteren Stufen in Betracht – zuerst die Umwandlung in Wasserstoff und anschließend die Methanisierung. Der Wirkungsgrad von Strom zu Wasserstoff liegt bei rund 75 Prozent und der von Strom zu Methan bei 60 Prozent.

Gelagert werden können die chemischen Langzeitspeicher ohne weitere Verluste. Wird die bei der Umwandlung entstehende Abwärme genutzt, steigert das den Wirkungsgrad zusätzlich um einige Prozentpunkte.

Weiterentwicklung der Komponenten

Ziel des ZSW in dem Projekt ist es, die Effizienz, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit der Hauptkomponenten zu verbessern – den alkalischen Druck-Elektrolyseur und den Plattenreaktor zur Methanisierung. Sie werden im 100-kW-Maßstab weiterentwickelt. Um die Elektrolyse und die Methansynthese zeitlich voneinander zu entkoppeln, ist ein Wasserstoffzwischenspeicher vorgesehen, den das Institut konzeptionell entwickelt und sicherheitstechnisch bewertet.

Für die technische Entwicklung inklusive Sicherheitskonzept und Klärung aller Genehmigungsdetails haben die Forscher nun drei Jahre Zeit. In einem Demonstrationsbetrieb vor Ort soll das Ganze dann ab dem Jahr 2020 getestet werden.

Forschungsprojekt »QUARREE100«

Das ZSW-Vorhaben wird mit rund 1,3 Millionen Euro vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert und ist Teil des Projekts »QUARREE100«. In dem mit insgesamt 24 Millionen Euro geförderten Leuchtturmprojekt setzen Institute, Unternehmen und die öffentliche Verwaltung den nachhaltigen Umbau der Energieversorgung eines Stadtquartiers in der Stadt Heide, Kreis Dithmarschen, um. Die Tankstelle fungiert hierbei im Quartier als Energiezentrum für die Energiewandlung und -speicherung.