Wasserstoff, Akkus und intelligente Stromnetze

Langsam, aber dafür stetig steigt der Anteil an Strom aus erneuer­baren Quellen in Deutsch­land. 2018 deckten vor allem Wind- und Solar­anlagen erst­mals mehr als 40 Prozent der öffentlichen Netto­strom­erzeugung (PDF). Laut der Jahres­auswertung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energie­systeme ISE in Freiburg ging parallel sowohl die Strom­erzeugung aus Erdgas, als auch aus Stein- und Braun­kohle zurück. Mehr Dynamik zeigte dafür die Entwicklung der Energie­technologien mit Schwer­punkten bei Speichern und der intelligenten Regelung der Strom­netze sowie im Bereich der Photo­voltaik.

Windkraftanlagen allein produzierten im vergangenen Jahr 111 Tera­watt­stunden Strom und etablierten sich damit als zweit­wichtigste Strom­quelle nach Braun­kohle. In Zukunft sollen die Anlagen dank intelligenter Rotor­blätter noch effizienter werden. Im Rahmen des Verbund­projekts Smart­Blades2 unter­suchten Forscher des Fraun­hofer-Instituts für Wind­energie­systeme das Konzept der Biege­torsions-Kopplung für Rotor­blätter. Bei starkem Wind­druck sollen sich die einwirkenden Kräfte durch Verdrehung der Blätter selbst­ständig reduzieren. Nicht nur hier­zulande, auch in den USA wird die Smart­Blade-Technologie getestet. Für den weiteren Ausbau der Off­shore-Wind­kraft wurden zudem groß­räumig die Wind­felder hinter Offshore-Wind­parks in der Deutschen Bucht vermessen, um den Einfluss störender Turbulenzen zu bestimmen. Parallel nähert sich die dezentrale Wind­strom­erzeugung mit Flug­drachen der Anwendungs­reife. Bis 2020 soll im Rahmen des Forschungs­projekts SkyPower100 eine voll­automatische Flug­wind­kraft­anlage mit einer Nenn­leistung von ein­hundert Kilowatt entwickelt werden. Betreiber von Wind­parks werden für Planung und Betrieb vom europäischen Erd­beobachtungs­satellit Aeolus profitieren, der mit einem Laser-System vertikale Wind­profile erstellen und so zum ersten Mal hoch­genau und zeit­nah Daten zu globalen Wind­feldern in der Atmo­sphäre messen kann.

Für Solarstrom bleibt Silizium weiterhin das dominierende Material für Solar­zellen. Doch die Perowskit-Solar­zellen reifen heran. Eine Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzelle – etwa einen Quadrat­zentimter groß – erreichte einen Wirkungs­grad von 25,2 Prozent. Die Zelle wurde gemeinsam vom Helmholtz-Zentrum Berlin HZB, der Universität Oxford und dem Unter­nehmen Oxford PV entwickelt. Jüngst berichtet Oxford PV sogar schon von einer Tandem­zellen mit 28 Prozent Wirkungs­grad. Parallel verbesserten Forscher vom Adolphe-Merkle-Institut im schweizerischen Fribourg und von der École Poly­technique Fédérale de Lausanne die Stabilität der Perowskit-Solar­zellen mit neuen Material­mischungen signifikant. Und selbst Fehl­stellen, die sonst in Solar­zellen möglichst vermieden werden, wirken sich nicht allzu störend auf die effiziente Strom­erzeugung aus.

m Helmholtz-Zentrum Berlin stehen auch klassische Silizium­zellen im Fokus der Forschung. So konnten die HZB-Forscher mit einer organischen Zusatz­schicht die Strom­ausbeute deutlich erhöhen. Auch raue, nano­strukturierte Ober­flächen sollen helfen, die Wirkungs­grade weiter zu erhöhen. Mit einer Mehr­fach­solar­zelle aus III-V-Halb­leitern und Silizium gelang am Fraun­hofer-Instituts für solare Energie­systeme ISE sogar, 33,3 Prozent des Sonnenlichts in Strom zu wandeln. Ultra­leichte Solar­module entwickelten Forscher vom Fraun­hofer-Center für Silizium-Photo­voltaik CSP in Halle. Dank einer optimierten Fertigung konnte das Modul­gewicht um zwei Drittel reduziert werden. Neue Installations­orte für Solar­zellen könnten mit schalt­baren Glas­scheiben, entwickelt an der University of California in Berkeley, Realität werden. Dank eines thermo­chromen Phasen­wechsels von Perowskit-Schichten empfiehlt sich diese Technologie nicht nur für eine Fenster von Büro­gebäuden, sondern auch für Auto­scheiben und elektronische Anzeige­tafeln.

Mit zunehmender Einspeisung von Wind- und Solar­strom steigen auch die Anforderungen an das Strom­netz, um den Umstieg auf eine komplette Versorgung durch erneuerbare Energien zu gestalten. Die veränderten Last­flüsse werden daher immer detaillierter in aufwändigen Simulationen nach­gestellt. So beschleunigte ein neues Rechner­system am Jülich Super­computing Centre JSC die Simulationen der Last­flüsse im Strom­netz. In der Praxis können in Zukunft optimierte Netz­regler den Strom­fluss messen und bei Bedarf gegen­steuern. Selbst Wetter­bilder können die Stabilität der Strom­netze erhöhen helfen, wie Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raum­fahrt DLR mit Webcams für Kurz­zeit­prognosen für Solar­kraft­werke gezeigt haben. Nicht zuletzt gilt es, die Strom­netze wider­stands­fähiger gegen Cyber-Attacken zu machen. Dieses Ziel verfolgten Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie KIT mit neuen Abwehr-Strategien in Smart-Grids.

Neben der zuverlässigen Leitung von Strom spielte 2018 auch die Entwicklung effizienterer Speicher­systeme eine maßgebliche Rolle. Die Eigen­schaften von Lithium-Ionen-Akkus werden stetig mit optimierten Elektroden­materialien verbessert. So stabilisierten europäische Material­forscher mit einer Antimon-Dotierung der Zinn­oxid-Anoden die Lithium-Ionen-Speicher. An der TU München gelang das Befüllen von Lithium-Ionen-Akkus unter Vakuum doppelt so schnell wie unter Normal­druck. Sicherere Akkus für Smart­phones und Elektro­autos halten Forscher der Universität Ulm mit magnesium­basierten Batterien für möglich, die deutlich weniger als Lithium-Ionen-Speicher­systeme zu einer riskanten und zerstörerischen Dendriten­bildung neigen.

Bessere Analysemethoden und Simulationen könnten die Batterie­entwicklung rasch voran­bringen. Der deutsche Kompetenz­cluster FestBatt entschlüsselt dazu die Prozesse im Inneren von Fest­körper­batterien. Auch erste Quanten­computer können für Simulationen eingesetzt werden, um den chemischen Aufbau von Batterie­systemen zu optimieren. Ein Kandidat für Strom­speicher, die leistungs­fähiger als Lithium-Ionen-Akkus sein könnten, ist etwa die Aluminium-Luft-Batterie. In mehreren Arbeiten gelang es, diesen hoch effizienten Stromspeicher sowohl stabiler zu machen als auch von einer reinen Einweg-Batterie zu einem wieder­auflad­baren Akku zu verwandeln.

In Akkus gespeicherter und klima­neutral erzeugter Strom allein wird jedoch nicht ausreichen, um die dringende Kopplung der Energie­sektoren voranzu­bringen. Auch Wasserstoff birgt ein großes Potenzial und ein Ausbau einer Infra­struktur für das Gas wird für die Zukunft der Elektro­mobilität benötigt, wie Wissen­schaftler des Forschungs­zentrums Jülich fest­stellten. Von der Umwandlung in Strom über Brenn­stoff­zellen profitieren nicht nur Autos, Last­wagen und Züge. Auch der See­verkehr könnte über Wasser­stoff klima­neutraler gestaltet werden. Im Rahmen des EU-Projekts „HySeas III“ wird dazu an der weltweit ersten wasser­stoff­betriebenen Hoch­see­fähre gearbeitet. Um Wasser­stoff effizienter über die Elektrolyse zu erzeugen, analysierte ein Team mehrerer deutscher Institute den Umwandlungs­prozess auf atomarer Ebene. Doch mit Sonnen­licht lässt sich Wasser auch direkt in Wasser­stoff und Sauer­stoff spalten. Einen neuen Welt­rekord mit 19 Prozent Wirkungs­grad für diese direkte solare Wasser­spaltung stellten deutsche und amerikanische Forscher mit einer Tandem-Solar­zelle aus III-V-Halbleitern mit Rhodium-Nano­partikeln und kristallinem Titan­dioxid auf. Den Weg in eine Wasser­stoff­wirtschaft ebnen zudem auch Pilot­anlagen wie das vom Zentrum für Sonnen­energie- und Wasser­stoff-Forschung Baden-Württemberg ZSW koordinierte Power-To-Gas-Projekt am Rhein, in dem seit Ende 2018 Wasser­kraft für die Wasser­stoff­produktion genutzt wird.

Ohne Wasserstoff und leistungs­fähige Akkus kommen dagegen winzige Strom­erzeuger für den Betrieb von Sensoren oder medizinischen Implantaten aus. An der amerikanischen North­western University entstand ein flexibles Mini­kraft­werk, das Strom aus Körper­wärme erzeugt und auf der Haut trag­bare Elektronik versorgen soll. Winzige Strom­mengen für Sensoren konnten aus Abwärme auch mit leit­fähigen Polymeren gewonnen werden, die Forscher vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahl­technik in Dresden für einen Mikro-Energie­sammler nutzten. Für eine bessere Abwärme­nutzung ließen sich eben­falls in Dresden am Leibniz-Instituts für Fest­körper- und Werk­stoff­forschung thermo­elektrische Bau­elemente dank neuem Produktions­verfahren in Mikro­elektronik integrieren. Geringere Temperatur­unterschiede als thermo­elektrische Kraft­werke benötigen pyro­elektrische Module. An der University of California in Berkeley entwickelten Wissenschaftler einen ersten Prototyp eines pyro­elektrischen Abwärme-Kraft­werks, das eine Leistung­dichte von 526 Watt pro Kubik­zentimeter erreichte. Weiter von einer Anwendung entfernt ist dagegen der flexo-photo­voltaische Effekt, bei dem unter Last Halb­leiter einen zusätzlichen photo­voltaischen Strom­fluss erzeugen.

Immer noch viele Jahre von einer effizienten Strom­erzeugung sind dagegen Fusions­kraft­werke entfernt. Doch auch 2018 machten die Fusions­forscher einige Fortschritte. So zeigten Experimente am Stellarator Wendelstein 7-X in Greifs­wald höhere Werte für die Dichte und den Energie­inhalt des Plasmas sowie lange Entladungs­dauern von bis zu 100 Sekunden. Für den ITER-Tokamak im süd­französischen Cadarache wurde nach einem Jahr­zehnt die erste Phase der Fertigung von Vakuum-Magnet­spulen erfolg­reich abgeschlossen. Für die zukünftige Zündung des ITER-Fusions­plasmas erreichten Forscher am Test­stand ELISE (Extraction from a Large Ion Source Experiment) die geforderte Strom­stärke mit normalem Wasser­stoff. Versuche mit Deuterium folgen. Ob Kern­fusion, Akku oder Elektrolyse – auf allen Feldern konnten 2018 viele, für die Energie­forschung typische kleine Erfolge und Fort­schritte verzeichnet werden.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos

• J. O. Löfken: Solarstrom, Stromnetze, Speicher – Energietechnologien im Jahresrückblick 2017, pro-physik.de, 2. Januar 2018
• J. O. Löfken: Erneuerbare gewinnen global an Tempo – Jahresrückblick Energie 2016, pro-physik.de, 5. Januar 2017

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