Kohlenstoff oder Wasserstoff

Erneuerbaren Strom speichern ohne Seltene Erden

Zentrale Herausforderung der Energiewende ist das Speichern der erneuerbaren Energie, die immer dann am meisten gebraucht wird, wenn die Natur sie eher spärlich liefert. Neue Entwicklungen für den deutschen Markt könnten für kleine und mittlere Unternehmen aber auch für den privaten Häuslebauer immer interessanter werden.

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Das fränkische Start-up CMBlu Energy entwickelt elektrochemische Großspeicher, die energieintensive Unternehmen unabhängiger vom Strommarkt machen sollen. Bild: CMBlu Energy AG
Das fränkische Start-up CMBlu Energy entwickelt elektrochemische Großspeicher, die energieintensive Unternehmen unabhängiger vom Strommarkt machen sollen. Bild: CMBlu Energy AG

Über die Notwendigkeit der Energiewende besteht wenig Zweifel, wohl aber über den richtigen Weg dorthin. Es klemmt allerorten: Windkraftanlagen müssen häufig aus dem Wind gedreht werden, weil die Leitungskapazitäten fehlen, und manchmal fehlen auch die Stromabnehmer. Kommt der regenerativ erzeugte Strom dann endlich beim Verbraucher an, fehlen Speicher, um die ständigen Stromschwankungen zu puffern oder das solare Energieüberangebot des Sommers in den Winter hinüberzuretten.

Optionen für das Speichern des elektrischen Stroms gibt es, aber die Produktionskapazitäten sind zu gering und in der Regel mit einem hohen Ressourcenverbrauch verbunden. Zudem stecken die notwendigen Recyclingtechnologien allesamt noch in den Kinderschuhen. Im Mittelpunkt stehen etwa Lithium, Kobalt und Nickel und Seltene Erden, von denen einige auf unserem Globus gar nicht mal so selten sind. Doch Förderung, Gewinnung und Vermarktung liegen oft in den Händen weniger Staaten, die ihren Einfluss geopolitisch ausnutzen. In der deutschen Energiewirtschaft geht zunehmend die Angst vor einer chinesischen Einflussnahme um.

Elektro- bzw. Energiespeicher, die die Abhängigkeit von ausländischen Rohstofflieferanten verringern und zugleich auf leicht verfügbaren Materialien basieren, könnten daher gleich mehrere Probleme lösen. Zwei in Deutschland entwickelte und bereits markttaugliche Speichersysteme machen Mut für das Erreichen der Energieziele.

Kohlenstoffbasierte Speicher

Die CMBlu Energy AG ist ein Start-up aus dem unterfränkischen Alzenau im Großraum Aschaffenburg, das bei seiner Speichertechnologie auf biologische Materialien setzt.

CMBlu Energy AG

Branche: Erneuerbare Energien

Produkt: Organic-Solid-Flow Batterien für großtechnischen Einsatz

Sitz: Alzenau (Landkreis Aschaffenburg, Unterfranken)

Gründung: 2015 durch Dr. Peter Geigle; 2022 Gründung der „CMBlu Energy, Inc“ in Petaluma (Kalifornien/USA)

Mitarbeiter: Anstieg von ca. 100 (2021) auf inzwischen über 180, überwiegend im Bereich Forschung und Entwicklung

Umsatz: 0,4 Mio. Euro (2021)

Die so genannte Organic-Solid-Flow-Megabatterie von CMBlu ist frei von Lithium, Kobalt, Nickel oder anderen seltenen Materialien und basiert im Wesentlichen auf biologischem Kohlenstoffmaterial, das weltweit gut verfügbar ist. „Alle Materialien sind am Ende ihrer Lebensdauer gut rezyklierbar“, versichert CEO Peter Geigle, der sich als gelernter Mediziner bezeichnet und in der Biotech-Branche seit Jahren mit dem Thema Energiespeicherung beschäftigt ist. Das organische Speicherprinzip fasziniere ihn und habe ihn motiviert, an einem marktgängigen elektrochemischen Stromspeicher im Gigawatt-Leistungsbereich zu arbeiten. „Doch wir machen die Entwicklung in kleinen Schritten. In diesem Jahr sollen erstmals Speicher im Megawatt-bereich hergestellt werden“, gibt sich Geigle bescheiden. Man sei schon zufrieden, wenn es gelänge, am Standort in Alzenau die Produktionskapazität bis Ende dieses Jahres auf 750 MW zu steigern.

Organic-Solid-Flow-Batterie

Organic-Solid-Flow-Batterien speichern elektrische Energie in flüssigen Elektrolyten statt mit festen Elektroden. Die Elektrolyte werden in externen Tanks gespeichert und während des Lade- und Entladevorgangs in einem konstanten Fluss durch die Batteriestacks gepumpt. Organic-Solid-Flow-Batterien nutzen Elektrolyte aus Kohlenstoffverbindungen anstelle von Metallionen. Kohlenstoff ist das Kernelement der Redoxreaktionen, die von der Evolution über Milliarden von Jahren optimiert wurden und organische Zellen seit ebenso langer Zeit am Leben halten. Die Verwendung organischer Elektrolyte ermöglicht eine besonders effiziente, haltbare und nachhaltige Stromspeichertechnologie. Neben innovativen Elektrolyten verfügen die CMBlu-Batterien auch über eine skalierbare Bauweise.

Funktionsweise von Organic-Solid-Flow-Batterien: Die Organic-Solid-Flow-Batterien sind eine Kombination aus Flow- und Solid-State-Technologie. Bild: CMBlu Energy AG
Funktionsweise von Organic-Solid-Flow-Batterien: Die Organic-Solid-Flow-Batterien sind eine Kombination aus Flow- und Solid-State-Technologie. Bild: CMBlu Energy AG

 

Feuerschutz ist überflüssig

Die von CMBlu neu entwickelte Batterietechnik scheint all die Nachteile nicht zu haben, die konventionellen Energiespeichern auf Lithium-Basis anhaften. „Derzeit am Markt verfügbare Batteriesysteme sind gekennzeichnet durch hohe Kosten, Sicherheitsprobleme und ökologische oder ethische Bedenken“, heißt es bei dem fränkischen Start-up. Und weiter: „Sie basieren auf knappen Ressourcen, die unter hohem Energieaufwand und unter problematischen Bedingungen abgebaut und über lange Lieferketten rund um den Globus transportiert werden.“ Aufgrund des stark steigenden Batteriebedarfs im Bereich der Elektromobilität zeichnen sich schon heute dramatische Engpässe in der Verfügbarkeit dieser Rohstoffe ab, warnt Geigle. Die Brennbarkeit der Materialien stelle zudem die Eignung bisheriger Technologien für zahlreiche Anwendungen in Frage. „Bei unseren Elektrolyten handelt sich um wässrige Systeme“, versichert der CEO. „Da kann nichts brennen. Ein spezieller Feuerschutz ist überflüssig.“ Außerdem brauche man weniger Platz, um die Energie zu speichern und sei insgesamt günstiger als Systeme auf Lithium-Basis.

Das wichtigste Argument sei jedoch die nahezu vollständige Unabhängigkeit von russischem Erdgas oder chinesischem Lithium. CMBlu verwendet für seine „Organic-Solid-Flow“-Batterien überall verfügbare, voll rezyklierbare, organische Materialien. Die Speichermoleküle bestehen aus unterschiedlichen organischen Ringmolekülen, basierend auf Benzolringen. Diese würden passgenau angeordnet und produziert.

Die Batterien liefern eine Gleichspannung von 600 bis 1.000 V, die beim Anschluss an übliche Wechselspannungssysteme auf dreiphasige 400 V transformiert werden.

Die Speichersysteme sind nach oben hin frei skalierbar. „Legosteine“ nennt Peter Geigle seine Basis-Elemente, oder auch „5-Stunden-Systeme“. Sie bringen es auf eine elektrische Leistung von 40 kW und speichern dabei 200 kWh Strom. Bei einer Grundfläche von 2,5 m2 sind sie fünffach stapelbar.

Energiespeicher für Großkunden

Nach unten, hin zu Leistungsbereichen, die auch für die Photovoltaikanlage im Privathaushalt interessant sind, wäre die Technologie zwar ebenso geeignet wie für kleine und mittlere Unternehmen (KMU). „Doch aus Kapazitätsgründen kann dies heute nicht unsere Zielgruppe sein“, stellt Peter Geigle klar. CMBlu wolle sich auf Großanlagen im Megawatt- und perspektivisch sogar im GW-Bereich fokussieren und sich nicht im B-to-C-Geschäft verzetteln. „Dafür wird es früher oder später andere geben, die das besser können als wir“, meint der CEO.

Der erste Schritt in die Gigawatt-Technologie führt über Megawatt-Anlagen. Eine solche wird am Standort Staudinger des Energiekonzerns Uniper schon im Laufe des Jahres in Betrieb gehen. Die Anlage dort soll zunächst eine Leistung von 1 MW und eine Kapazität von 1 MWh haben. Ziel der Zusammenarbeit zwischen Uniper und CMBlu Energy soll es sein, den neuartigen, prototypischen Stromspeicher technologisch und wirtschaftlich auf Eignung für die angestrebte Nutzungsart zu bewerten und dieser Zukunftstechnologie zum Durchbruch zu verhelfen.

Nach einem erfolgreichen Abschluss der Pilotphase kann die 1-MW-Anlage auf einen 50 MW-Großspeicher erweitert werden. Dafür wären dann etwa 1.300 Speicher-„Bausteine“ notwendig, die in einer Art Hochregallager mit rund 2.000 m2 untergebracht würden und eine Kapazität von 250 MWh erbringen könnten.

Nach Abschluss mehrerer, europaweiter Pilotprojekte sollen Solid-Flow-Batterien künftig in der Lage sein, regenerativ erzeugten Strom als Teil der Grundlast zu speichern und so die Versorgungssicherheit zu erhöhen. Bild: CMBlu Energy AG

Und wie sieht der ideale Kunde der Zukunft aus? „Das können Stadtwerke, Energieversorger, Industrieunternehmen, Betreiber von E-Ladestationen, Solar- und Windstromerzeuger und -anbieter sein, aber auch Rechenzentren mit ihrem hohen Energiebedarf“, so ein Unternehmenssprecher.

Beim Thema Kosten mag sich CMBlu nicht festlegen; Solid-Flow-Speicher sind allein aufgrund der guten Verfügbarkeit der organischen Rohstoffe günstiger als metallbasierte Batterien. „Aber genaue Kosten geben wir nicht an – hier spielen zu viele individuelle Faktoren eine Rolle.“

CO2-neutrale Wasserstofftechnologie

Einen ganz anderen Weg wagt die HPS Home Power Solutions AG. Sie entwickelte einen wasserstoffbasierten Energiespeicher für den Hausgebrauch, um den Überschussstrom des Sommers in den Winter „hinüberzuretten“. Die gesamte Wertschöpfungskette liegt dabei in Deutschland.

Firmengründer ist der studierte Bauingenieur Zeyad Abul-Ella, der im Libanon geboren und Sohn ägyptisch-libanesischer Eltern ist. „Der Schlüssel unserer Energiewende ist mehr denn je die Energiespeicherung. Gleichzeitig bin ich überzeugt, dass die Photovoltaik unschlagbar günstig wird“, so der CEO. Zu diesen Erkenntnissen kam seine Leidenschaft, ein Endkundenprodukt herzustellen. „Ich habe die tiefe Überzeugung, dass die Energiewende dringend notwendig ist und nur erreicht werden kann, wenn möglichst viele Menschen gemeinsam daran arbeiten.“

HPS Home Power Solutions AG

Branche: Erneuerbare Energien (Wasserstoff-Energiespeichersysteme für Hausanwendungen)

Produkt: Picea-Energiespeicher

Firmenzentrale: Berlin Adlershof (Bezirk Treptow-Köpenick)

Gründung: 2014 durch Zeyad Abul-Ella und Dr. Henrik Colell

Mitarbeiterzahl: ca. 250, davon ca. 50 im Bereich Forschung + Entwicklung

Umsatz (2021): 3,6 Mio. Euro

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Am Firmensitz Berlin Adlershof betreibt die HPS AG eine Fertigung für Pilotanlagen; die Picea-Module für den Endkunden stellt die Zollner-Elektronik AG im bayerischen Cham her. Bild: HPS AG

 

Kernelement der Wasserstofftechnologie ist das „Picea“-Modul, mit dessen Hilfe Solarenergie in einem geschlossenen Kreislauf völlig CO2-neutral in Form von Wasserstoff gespeichert werden kann. Für Abul-Ella ist die Wasserstoffspeicherung der Schlüssel zur Energiewende. „Wir beobachten, dass im Photovoltaikbereich das Wachstum bei den 10–15 kWpeak-Anlagen besonders groß ist. Dies verdeutlicht den Wunsch der Kunden nach einer möglichst umfangreichen erneuerbaren Energieversorgung“, meint der HPS-Chef. Diese Klientel ist offensichtlich auch gerne bereit, ordentlich Geld in die Hand zu nehmen.

Die Berliner Firma HPS hat ein Energieversorgungssystem für Hausbesitzer entwickelt, das Wasserstoff als Speicher für den Überschussstrom der PV nutzt. Die Energiezentrale steht im Keller oder im Hauswirtschaftsraum. Bild: HPS AG

Davon braucht man mindestens 85.000 bis 120.000 Euro, die allerdings durch diverse Förderung und Länderzuschüsse unter Umständen auf unter 55.000 Euro netto reduziert werden können. Seit dem 01.01.2023 ist Picea im Bestandsbau über die Bundesförderung für Effiziente Gebäude (BEG) förderfähig. Im Einfamilienhaus ist ein Zuschuss von bis zu 15.000 Euro möglich, im Mehrfamilienhaus und Gewerbe kann Picea mit bis zu 27.500 Euro bezuschusst werden.

Geringer Flächenbedarf

Die PV-Anlage muss der Investor selbst bereitstellen. Für das eigentliche Picea-Modul mit Brennstoffzelle, Blei-Gel-Batterie, Ladereglern und Elektrolyseur genügt eine Grundfläche von rund 1,5 m2 innerhalb des Gebäudes. Letzterer erzeugt aus überschüssigem PV-Strom, der weder im Haus direkt verbraucht wird, noch im bereits geladenen Batteriespeicher Platz findet, den Wasserstoff. Über eine dünne Leitung werden damit Gasflaschen im Außenbereich des Hauses befüllt und bis zum Winter bzw. der sonnenarmen Zeit „geparkt“.

7.000 kWh rein elektrische Energie können so über das Jahr aus der PV-Anlage bereitgestellt werden. Steht kein PV-Strom mehr zur Verfügung, fließt der Wasserstoff zur Picea zurück, in der eine Brennstoffzelle wieder Strom erzeugt. Die anfallende Abwärme aus Elektrolyse und Brennstoffzelle dient zur Unterstützung der Raumheizung. Alle Picea-Module sind für diese Wärmeauskopplung bereits vorbereitet.

Bei Sonnenschein (a) wird der Überschussstrom mittels Elektrolyse zur Wasserstofferzeugung genutzt. In der Nacht (b) wird der Speicher genutzt, bis er leer ist. Im Winter ist die Stromernte geringer (c); in Ergänzung zum Speicherstrom kommt Wasserstoff von den Tanks, den eine Brennstoffzelle zur Strom- und Wärmeerzeugung nutzt. Abwärme aus Brennstoffzelle und Elektrolyse kann zur Ergänzung der Wärmeversorgung des Hauses genutzt werden (d). Bild: HPS AG

Je nach Entwicklung des Strompreises und persönlichem Stromverbrauch und vor allem je nach Menge des Überschussstroms, der im Sommer anfällt, rentiert sich die Picea-Anlage früher oder später, rechnet Abul-Ella vor. Binnen 20 Jahren könnten 70.000 Euro an Stromkosten eingespart werden. Zusätzlich sei man bei maximaler CO2-Freiheit umfassend gegen Versorgungsengpässe oder Preissprünge abgesichert, wirbt der Firmenchef für sein Produkt.

Das Thema Sicherheit – bei Wasserstoff nicht ganz irrelevant – sieht man bei HPS gelassen. „Wir haben Picea so entwickelt, dass keine Genehmigung erforderlich ist. Unser Modul ist verfahrensfrei. Um das zu ermöglichen, muss der Wasserstoffspeicher selbst außerhalb des Hauses stehen und müssen die regionalen Bauordnungen zu Abstandsregelungen auf dem Grundstück eingehalten werden“, so ein Unternehmenssprecher.

Fazit

Bei beiden Technologieansätzen wird deutlich, dass Deutschland auf einem guten Weg ist, zukunftstaugliche Speicher zu entwickeln und zu produzieren, ganz im Sinne der dringend notwendigen Energiewende. Es mangelt offensichtlich weder am Know-how noch an der Investitionsbereitschaft, wie die vollen Auftragsbücher in beiden Unternehmen zeigen. Der Flaschenhals wird von Fachkräftemangel und Produktionsengpässen gebildet.

Martin Boeckh

Martin Boeckh
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· Artikel im Heft ·

Erneuerbaren Strom speichern ohne Seltene Erden
Seite 26 bis 29
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