Schweizer Technologie: Das PSI forscht für den Schweizer Winterstrom

Schon vor der Winter-Strom-Lücke im Jahr 2022 in der Schweiz forschten die Wissenschaftler am Paul-Scherer-Institut an der langfristigen Speicherung von Elektroenergie aus erneuerbaren Quellen. Das Stromdefizit der Schweiz wird bis heute mit Importen abgedeckt. Laut dem Bundesamt für Energie betrug das Defizit im 2022 sechs Terawattstunden.

Die zunehmende Elektrifizierung von Verkehr und Heizwärmeerzeugung durch Wärmepumpen erhöht die Tendenz einer erneuten Winter-Strom-Lücke. Neue Lösungen sind erforderlich. Die Technologien auf der ESI-Plattform (Energy System Integration) ist verfügbar, es fehlt jedoch an notwendigen Investitionen.

Die ESI-Plattform wandelt überschüssige Elektroenergie in Wasserstoff um, um sie langfristig zu speichern und im Winter zu nutzen. Der Wasserstoff kann in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden: In Prozessen zur Erzeugung von synthetischen Brennstoffen (Methan, Methanol) oder direkt zur Elektroenergieerzeugung in Brennstoffzellen in Fahrzeugen oder stationären Anlagen.

Um Verluste bei der Energieumwandlung zu minimieren, wurde ein hocheffizienter Proton-Exchange-Membran (PEM) Elektrolyseur installiert. Dieser erzeugt Wasserstoff und Sauerstoff, die in Tanks gespeichert und bei Strombedarf in Elektroenergie umgewandelt werden. Der Gesamtwirkungsgrad eines Speichervorgangs beträgt etwa 50 Prozent, kann aber durch Nutzung der Abwärme gesteigert werden.

Am PSI wird zudem an der Nutzung von Wasserstoff zur Methanisierung von Biogas, in Vergasungsprozessen und mit Kohlenstoffdioxid (CO2) geforscht. Die Methansynthese erfolgt in einem Druckreaktor mit einem speziellen, katalytisch aktiven Material, welches eine Wirbelschicht bildet.

Ein anderes Verfahren ist die hydrothermale Vergasung von wässriger Biomasse unter überkritischen Bedingungen (300 bar, 400°C). Durch die Verwendung von superkritischem Wasser lassen sich die im Rohstoff enthaltenen Salze und Mineralstoffe leichter abtrennen.

Dies ermöglicht, sie als Nährlösung wieder in den biologischen Kreislauf zurückzuführen. Und gilt auch für besonders wertvolle Inhaltsstoffe wie Phosphor- und Stickstoff-Verbindungen, die abgeschieden und einer weiteren Verwendung zugeführt werden können. Das sagt Dr. Peter Jansohn, Senior Scientist beim PSI.

Das PSI strebt mit der ESI-Plattform an, neben den Anlagen im Labormassstab auch Demonstrationsanlagen im Leistungsbereich von 100 Kilowatt zu betreiben.

Auf Wasserstoff basierende Anlagen sind kostspielig. Deshalb wird am PSI auch eine Mikro-Gasturbine mit 100 Kilowatt elektrischer Leistung getestet. Diese kann flexibel mit verschiedenen Gasgemischen betrieben werden. Eine Effizienzsteigerung wird erreicht, wenn die Umwandlung von Wasserstoff zu Methan ausgelassen werden kann, da weniger Umwandlungsverluste auftreten.

Gleichzeitig sind Gasturbinen sehr effizient, wenn sie als Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen (WKK) eingesetzt werden. Dabei kann ein Gesamtwirkungsgrad von 90 Prozent erreicht werden. Die Nutzung der im Winter erzeugten Elektroenergie in Wärmepumpen erhöht die Heizleistung des eingesetzten Brennstoffes erheblich. Dies im Vergleich zu herkömmlichen Kesseln.

«Die Technologie ist verfügbar, jedoch fehlen die nötigen Investitionen». Mit diesen Worten fasst Dr. Christian Steinbach, Vorstandsmitglied der Sektion Aargau bei Swiss Engineering, den Besuch bei PSI zusammen.

Er ist beeindruckt von den Forschungsmethoden und den innovativen Lösungen. Swiss Engineering unterstützt den Fortschritt der Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen.