E-Mobilität mit Erneuerbaren Energien: Tankstelle der Zukunft

17.04.2018 – Immer mehr Autos haben künftig einen Elektromotor oder nutzen andere alternative Antriebe. Die dazu passende Tankstelle entwickeln jetzt Wissenschaftler des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW). Jüngst starteten die Forschungsarbeiten. Die Zapfsäule der Zukunft soll den Fahrern Strom, Wasserstoff sowie das Erdgassubstitut Methan aus regenerativen Quellen bereitstellen – und das möglichst effizient, kostengünstig und bedarfsgerecht. Das vom Bundeswirtschaftsministerium mit rund 1,3 Millionen Euro geförderte Vorhaben dauert fünf Jahre und ist Teil des Projekts Quarree 100, bei dem die Energieversorgung eines Stadtquartiers in Heide (Landkreis Dithmarschen) nachhaltig umgebaut wird. Die Tankstelle fungiert hierbei im Quartier als Energiezentrum für die Energiewandlung und -speicherung.

Kombinierte Tankstelle für Strom, Wasserstoff und Methan

Die Mobilität wird sich in den nächsten Jahren stark wandeln. Strom aus Wind und Sonne für Elektroautos und erneuerbarer Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge spielen bald eine immer größere Rolle. Auch Methan aus Ökostrom für Erdgasautos ist ein klimafreundlicher Kraftstoff. Noch fehlt dazu jedoch die entsprechende Tankstelle. Bislang werden Strom- und Wasserstofftankstellen massiv ausgebaut, auch welche, die beide Energieformen anbieten. Eine Tankstelle, die Strom, Wasserstoff und auch Methan liefert, gibt es bislang aber noch nicht.

Mit dem ZSW-Projekt soll sich das nun ändern

Die Idee der Wissenschaftler aus Stuttgart: Eine Multienergiezapfsäule. Erneuerbarer Strom etwa 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 gefüllt wurde. „Ist die Batterie voll und können auch die tankenden Elektroautos den Strom nicht mehr abnehmen, erfolgt bei Bedarf in einem zweiten Schritt die Umwandlung des Ökostroms in Wasserstoff“, erklärt Ulrich Zuberbühler vom ZSW. Diesen Kraftstoff nutzen Brennstoffzellenfahrzeuge. Fällt mehr Wasserstoff an, als gebraucht wird, kommt er in einen Speicher.

In einem dritten Schritt erzeugt die Tankstelle der Zukunft Methan. Das soll dann erfolgen, wenn der Wasserstoffspeicher voll ist und die Brennstoffzellenautos das Gas nicht abnehmen. Zur Umwandlung in Methan wird dem Wasserstoff Kohlendioxid zugeführt. Beide Gase reagieren an einem Katalysator zu Methan. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas, Erdgasautos können den Kraftstoff problemlos nutzen. Ist mehr verfügbar als getankt wird, kommt das Methan in einen Speicher. Ist dieser voll, wird das Methan in das Erdgasnetz eingespeist. „Mit unserem Vorhaben bleibt die Kopplung des Stromnetzes mit der Mobilität nicht auf Elektroautos beschränkt“, erklärt Zuberbühler. „Auch die anderen alternativen Antriebe profitieren davon.“

Stufenweise Nutzung der erneuerbaren Energie

Die ZSW-Wissenschaftler sprechen von einer stufenförmigen Nutzung der erneuerbaren Energie. Priorität hat die Nutzung mit den geringsten Energieverlusten. Die erste Stufe wird erst verlassen, wenn ihr Potenzial ausgereizt ist und so weiter. Am effizientesten ist die Verwendung des regenerativen Stroms in Elektromotoren. Hier fallen keine Energieumwandlungsverluste an, sondern nur bis zu zehn Prozent Batteriespeicherverluste. Erst wenn dieser Bedarf gedeckt ist, kommen die nächsten Stufen in Betracht: Zuerst die Umwandlung in Wasserstoff und dann die Methanisierung. Der Wirkungsgrad von Strom zu Wasserstoff liegt bei rund 75 Prozent, der von Strom zu Methan bei 60 Prozent. Gelagert werden können die chemischen Langzeitspeicher ohne Verluste. Wird die bei der Umwandlung entstehende Abwärme genutzt, steigert das den Wirkungsgrad um einige Prozentpunkte.

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

Sonderschau auf der Hannover Messe

Zusammen mit 26 Forschungseinrichtungen und Unternehmen aus dem Südwesten präsentiert das ZSW auf der Hannover Messe vom 23. bis zum 27. April neue Entwicklungen, Pilotprojekte und Produkte zur emissionsfreien und vernetzten Mobilität von morgen. Motto der Gemeinschaftsschau im Baden-Württemberg Pavillon ist „Boosting future Mobility“. Die Federführung hat die Landesagentur E-Mobil BW. Hans-Christoph Neidlein