Energiespeicher

Energiespeicher umfassen ein breites Spektrum an Technologien und Anwendungen für alle Bereiche des Energiesystems. Die Entwicklungen für stationäre und mobile Lösungen in den unterschiedlichen Einsatzgebieten sind daher vielfältig, es gibt nicht den einen Speichertyp für die Zukunft. Speicher bieten beispielsweise Möglichkeiten für die E-Mobilität und die Kopplung der Sektoren Strom, Wärme/Kälte und Verkehr. Als Heimspeicher für Photovoltaikanlagen unterstützen sie einen höheren Eigenverbrauch an erneuerbarer Energie. Zudem ermöglichen Speicher das Überbrücken von Netzengpässen und schaffen Flexibilitätsoptionen in einem Versorgungssystem, in das erneuerbare Energien witterungsbedingt schwankend eingespeist werden. Energiespeicher können schon heute die Lösung für lokale Besonderheiten sein, etwa für Verteilnetzbetreiber, die zeitweilig bereits zu 80 Prozent Strom aus erneuerbaren Quellen im Netz haben. Im Energiesystem der Zukunft schließlich können Speicher generell eine zentrale Rolle spielen, wenn insgesamt ein hoher Anteil erneuerbarer Energien in alle Sektoren der Versorgung integriert wird. Dann kann in großem Maßstab Überschussstrom aus Zeiten mit viel Wind und Sonne akkumuliert und später zum Beispiel in „Dunkelflauten“ verwendet werden.

Förderschwerpunkte und wissenschaftliche Fortschritte

Im Jahr 2017 wurden in Deutschland 33.500 Heimspeichersysteme für Photovoltaikanlagen neu installiert, der Markt wächst rasant. In den meisten Systemen werden Lithium-Ionen-Batteriezellen eingesetzt. Jedoch war es bisher selbst fachkundigen Installateuren nur schwer bis gar nicht möglich, die Sicherheit der Systeme insbesondere im Langzeitverhalten zu beurteilen. Um diese Lücke zu schließen, fördert das BMWi seit 2014 bzw. 2015 die Projektverbünde SPEISI und SafetyFirst. Im Jahr 2017 wurde ein wesentliches Ergebnis erzielt, indem ein Leitfaden veröffentlicht wurde. Er stellt zum ersten Mal vergleichende Kriterien für die Sicherheit von Photovoltaikheimspeichersystemen zur Verfügung und soll zeitnah auch auf die Verhältnisse in anderen Ländern übertragen werden.

Wesentlich weiter als die direkte Stromspeicherung in Haushalten mit einer Photovoltaikanlage geht die Umwandlung elektrischer Energie in Wasserstoff oder Erdgas und die Nutzung des Energieinhalts in verschiedenen Sektoren, zum Beispiel der Gaswirtschaft oder dem Sektor Mobilität. Das BMWi fördert unterschiedliche Projekte, in denen die benötigten Technologien für eine effiziente Kopplung dieser Sektoren entwickelt werden. Das Projekt „Energiepark Mainz“ zur Entwicklung und Demonstration einer flexiblen PEM-Elektrolyse (Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse) kam im Jahr 2017 zu einem erfolgreichen Abschluss. Es wurde im Rahmen der mittlerweile ausgelaufenen Förderinitiative Energiespeicher gestartet und belegt, dass mit der Technologie Systemdienstleistungen für das Stromnetz erbracht werden können.

Soll der Wasserstoff in Methan umgewandelt werden, ist eine Methanisierungsstufe nach der Elektrolyse erforderlich. Ein möglicher Verfahrensschritt hierzu ist die biologische Methanisierung. Der Projektverbund ORBIT ging im Juli 2017 an den Start und wird den Einsatz eines Rieselbettreaktors zur biologischen Methanisierung untersuchen und optimieren.
Künftig wird es in der Forschung zu Energiespeichern verstärkt um das Thema Power-to-Fuel gehen: Im Rahmen der 2017 veröffentlichten Förderbekanntmachung „Energiewende im Verkehr“ des BMWi starten ab 2018 etwa 20 neue Projekte mit Blick auf alternative Kraftstoffe. Mit dabei sind unter anderem Methanol, Ethanol, OME, Kerosin, synthetisch hergestelltes Erdgas und Biogas mit Wasserstoffanteilen.

Das BMBF fördert Vorhaben der anwendungsorientierten Grundlagenforschung als Wegbereiter für die Energiespeicher von morgen. Die Förderung erfolgt auf breiter Front, von Batterien über thermische Speicher bis zu Konzepten für Wasserstoff, Methan oder synthetische Brennstoffe. Neben der Beteiligung an der „Förderinitiative Energiespeicher“ werden Speicher im Rahmen der Initiative „Materialforschung für die Energiewende“ adressiert. Ein Beispiel ist die Forschung an einer Aluminium-Festkörperbatterie im Projekt R2R, die eine viermal höhere Ladungsdichte im Vergleich zu Lithium erreichen könnte. Damit würde ein Auto potentiell den zwei- bis sechsfachen Weg im Vergleich zu kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien fahren können. Die Kosten könnten wegen der ausgereiften Produktions- und Recyclingindustrie gegenüber Lithium-Systemen um ein Fünftel gesenkt werden. Das Projekt zeigt auch, wie durch anwendungsorientierte Grundlagenforschung Optionen für die Zukunft entstehen, denn das Potential dieses Batteriekonzeptes wurde in dem Vorläuferprojekt ChryPhysConcept identifiziert. Energiespeicherung ist auch Gegenstand von BMBF-Großprojekten wie Carbon2Chem oder Kopernikus P2X. Weitere Beiträge zur Speicherforschung finden sich zum Beispiel im Programm „Vom Material zur Innovation“.

Ein Markenzeichen der Projektförderung des BMBF sind die Nachwuchsgruppen mit einer Förderdauer von bis zu 5 Jahren, die exzellenten Nachwuchswissenschaftler/innen den Aufbau einer eigenständigen Forschung ermöglichen. Auch auf dem Gebiet der Energiespeicher zeugen Erfolgsgeschichten von der Bedeutung dieses Förderinstrumentes: Prof. Volker Presser und Prof. Fabio La Mantia sind mittlerweile als Professoren an der Universität des Saarlandes beziehungsweise an der Universität Bremen tätig.

Projektförderung

Im Schwerpunkt Energiespeicher haben das BMWi und das BMBF im Jahr 2017 429 laufende Vorhaben mit rund 49,7 Millionen Euro gefördert. 2017 haben die Ministerien zudem 116 Forschungsprojekte mit einem Gesamtvolumen von rund 54,89 Millionen Euro neu bewilligt (vgl. Abb.).