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Jugend forscht

Chemie

Erneuerbare Energien: Stromspeicher und Biogas - unvereinbare Konzepte?

 

Markus Baldermann, Hauke Dietrich, beide MSS 13

In unserer Arbeit haben wir uns mit Erneuerbarer Energie beschäftigt. Deren Hauptproblem ist die saisonale und tagesspezifische Schwankung, die nicht immer mit dem Strombedarf der Verbraucher übereinstimmt. Daher haben wir nach Ausgleichsmöglichkeiten gesucht und uns die Frage gestellt, wie diese effizienter gestaltet werden können.

Zum Einen braucht es die Möglichkeit, Strom bei einem Überschuss einzuspeichern, zum Anderen muss der Bedarf bei einem Defizit durch zusätzliche Erzeugung elektrischer Energie gedeckt werden.

Es gibt Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftkraftwerke, Wasserstoffspeicher und andere Möglichkeiten, bei denen Energie gespeichert werden kann. Die elektrische Energie wird hier in andere Energieformen überführt, um später wieder in Strom umgewandelt zu werden, sobald der Bedarf besteht. Probleme gibt es hierbei im Wirkungsgrad. Meist ist der Betrag der zurückgewonnenen Energie geringer, was hohen Verlusten durch mechanische Kraftübertragung oder thermischen Verlusten geschuldet ist. Auch in der Speicherkapazität sind viele herkömmliche Speichermethoden sehr eingeschränkt.

Biogaskraftwerke können mit ihrer Stromerzeugung konstant elektrische Energie liefern. Außerdem gibt es die Möglichkeit, deren Leistung - da viele nicht auf Volllast fahren - zu erhöhen, wenn der Bedarf besteht. Auch wenn eine Biogasanlage auf Standby steht und momentan keinen Strom erzeugt, wird weiterhin Biogas produziert. Ist der Bedarf nun höher als das Stromangebot, können sie innerhalb kürzester Zeit hochfahren und das Netz durch ihre Stromeinspeisung stabilisieren - so wohl kurzfristig als auch langfristig. Die Stromerzeugung funktioniert mit Kraft-Wärme-Kopplung über ein BHKW, wobei oft das Problem ist, dass die Heizenergie aufgrund fehlender Fernwärmeinfrastruktur ungenutzt bleibt.

Unsere Versuchsergebnisse lassen die Hypothese zu, dass die Methanproduktion (Methanogenese) der Mikroorganismen in Biogasanlagen unterstützt und somit verstärkt wird, wenn Spannung anliegt. Daher kann, wenn ein Stromüberschuss herrscht, Spannung in die Biogasanlage geleitet werden, sodass eine Elektromethanogenese stattfindet. Das zusätzliche Methan kann, nachdem es aufbereitet wurde, dem Erdgasnetz zugeführt werden. Da das deutsche Erdgasnetz weit ausgebaut ist, besteht hier große Speicherkapazität und die Möglichkeit, das Gas dort hin zu transportieren, wo es benötigt wird. Mit elektrischer Energie ist dies nicht so leicht möglich, da große Stromtrassen fehlen, die für einen überregionalen Transport nötig sind. Verteilte Blockheizkraftwerke können dann bei Bedarf wieder Strom aus dem Biomethan herstellen. Wird das zusätzliche Biomethan nicht in das Erdgasnetz eingeleitet, kann die Biogasanlage selbst bei einem erneuten Stromdefizit elektrische Energie in das Netz einspeisen.