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Alu statt Heizöl: Ostschweizer Forscher entwickeln neuen Energiespeicher

Wissenschafter der Hochschule für Technik Rapperswil wollen Sonnenenergie vom Sommer in den Winter retten. Ein innovativer Aluminiumspeicher könnte die Heizöltanks in Wohnhäusern schon bald überflüssig machen.
Michael Genova
Im Sommer produzieren Fotovoltaikanlagen einen Stromüberschuss – bislang fehlen dafür die saisonalen Speicher. (Bild: Getty)

Im Sommer produzieren Fotovoltaikanlagen einen Stromüberschuss – bislang fehlen dafür die saisonalen Speicher. (Bild: Getty)

Michel Haller möchte, dass die Sonne künftig auch im Winter scheint. In den Lauf der Jahreszeiten kann der Umweltnaturwissenschafter zwar nicht eingreifen. Doch gemeinsam mit seinem Team vom Institut für Solartechnik SPF an der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR) forscht er zurzeit nach Ideen, wie er Sonnenenergie vom Sommer bis in den Winter speichern kann.

Dafür haben die Ostschweizer Forscher ein vielversprechendes Konzept entwickelt: einen Aluminiumspeicher. Er soll das saisonal stark schwankende Angebot an erneuerbaren Energien ausgleichen. Das ist eines der zentralen Probleme der Energiewende. So können Hausbesitzer mit einer Fotovoltaikanlage ihren Energiebedarf im Sommer und in Übergangszeiten problemlos decken. In Zukunft werden die Anlagen sogar massive Überschüsse produzieren. Im Winter hingegen reicht die Solarproduktion nicht aus, um den hohen Bedarf an Wärme zu decken. «Diese Winterlücke müssen wir füllen», sagt Haller.

Aluminiumspeicher ersetzt Öltank

Geht die Rechnung der Ostschweizer Forscher auf, könnten die Öltanks und Heizkessel in Einfamilienhäusern schon in wenigen Jahren durch einen kompakten Aluminiumspeicher ersetzt werden. Eine Testanlage oder ein Prototyp existieren noch nicht. Forscher Haller beschreibt den Speicher als Behälter, der mit Aluminiumgranulat gefüllt wird, etwa so gross wie eine Waschmaschine.

In einem Aluminiumspeicher im Keller eines Wohnhauses wird durch eine chemische Reaktion Aluminium in Aluminiumhydroxid verwandelt. Dabei entsteht Wärme und Strom. Ein Energieversorger wandelt das «Abfallprodukt» Aluminiumhydroxid mit erneuerbarer Energie wieder in Aluminium um. Den dafür nötigen Strom liefern die Fotovoltaikanlagen der Hausbesitzer.

In einem Aluminiumspeicher im Keller eines Wohnhauses wird durch eine chemische Reaktion Aluminium in Aluminiumhydroxid verwandelt. Dabei entsteht Wärme und Strom. Ein Energieversorger wandelt das «Abfallprodukt» Aluminiumhydroxid mit erneuerbarer Energie wieder in Aluminium um. Den dafür nötigen Strom liefern die Fotovoltaikanlagen der Hausbesitzer.

Sobald im Winter Solarenergie und Umweltwärme nicht mehr ausreichen, um das Haus mit Strom und Wärme zu versorgen, wird im Speicher ein chemischer Prozess in Gang gesetzt, eine sogenannte Hydrolyse-Reaktion. Dabei entstehen grosse Mengen an Wärme und Wasserstoff. Die Wärme kann man direkt zur Beheizung des Hauses nutzen, der Wasserstoff wird mit einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt.

Am Ende des chemischen Prozesses entsteht Aluminiumhydroxid. Das vermeintliche Abfallprodukt ist jedoch nicht verloren. Jeweils im Frühjahr holt es ein Energieversorger in den Haushalten ab. Denn Aluminiumhydroxid kann unter Einsatz von elektrischer Energie wieder in reines Aluminium zurückverwandelt werden. Und hier kommt der entscheidende Punkt: Den dafür nötigen Strom liefern die Fotovoltaikanlagen der Hausbesitzer, die im Sommer ohnehin einen Energieüberschuss produzieren. Erst hier schliesst sich der Kreislauf, erst mit diesem Schritt wird der Aluminiumspeicher zu einer nachhaltigen Lösung.

Eine Forschungsidee aus dem Chemiebaukasten

Umweltbelastende Schadstoffe sollen bei der Umwandlung nicht entstehen. «Wir gehen davon aus, dass die anfallenden Abfallprodukte zu vernachlässigen sind», sagt Haller. Im Vergleich zu Erdöl ist Aluminium aber nicht nur umweltfreundlicher, es braucht auch weniger Platz. Hausbesitzer müssten im Keller künftig nicht mehr Tausende Liter Erdöl lagern, sondern eine «Waschmaschinenladung voll Aluminium» könnte reichen, um durch den Winter zu kommen. Neben Privaten könnte auch die Wirtschaft profitieren. Viele Energieversorger, die heute noch Erdöl oder Holzpellets lieferten, seien auf der Suche nach neuen Geschäftsmodellen, sagt Haller. Sie könnten künftig in die Aluminiumaufbereitung einsteigen und die Haushalte mit Aluminiumgranulat versorgen.

Seine Forschungsidee verdankt Michel Haller sozusagen einem Chemiebaukasten. Er habe sich an einfache Experimente erinnert, die er schon vor einiger Zeit mit Kindern durchgeführt habe, sagt er. «So kam ich auf das Konzept mit dem Aluminiumspeicher.» Heute ist das Institut für Solartechnik eine von wenigen internationalen Forschungsgruppen, die sich mit Energiespeicherkonzepten auf Basis von Aluminium auseinandersetzen. In der Schweiz sind die Ostschweizer Forscher sogar die einzigen auf diesem Feld.

Bestehende Speicher sind zu gross oder zu teuer

An Energiespeichern für Ein- und Mehrfamilienhäuser wird schon seit Jahrzehnten geforscht. Für die Speicherung von Wärme existieren zurzeit Wasserspeicher, für die Speicherung von elektrischer Energie gibt es Batterien. Doch die bestehenden Systeme haben gewichtige Nachteile: So brauchen Wasserspeicher sehr viel Platz. Und Batterien eignen sich vor allem als Tagesspeicher – für die saisonale Speicherung sind sie viel zu teuer.

Kompakte und kostengünstige saisonale Energiespeicher sind zurzeit das fehlende Puzzle-Teilchen der Energiewende. Ein Beispiel dafür ist das Projekt Quartierstrom in Walenstadt, wo sich das Schwemmiweg-Quartier kürzlich zu einem lokalen Strommarkt zusammengeschlossen hat. Mehrere Besitzer von Fotovoltaikanlagen verkaufen ihren überschüssigen Solarstrom an ihre Nachbarn. Der Handel wird automatisiert über eine Blockchain abgewickelt, der Strom kurzfristig in Batterien gespeichert. Im Winter sind die Teilnehmer jedoch nach wie vor auf das Wasser- und Elektrizitätswerk Walenstadt als Stromlieferanten angewiesen. «Unser Aluminiumspeicher könnte in Zukunft den saisonalen Ausgleich für solche lokalen Stromnetze übernehmen», sagt Haller.

Bund sucht nach Lösungen für Energiewende

Das Bundesamt für Energie (BFE) finanziert einen grossen Teil des Forschungsprojekts und begleitet es fachlich. «Wir müssen Wege finden, wie wir Sonnenenergie vom Sommer in den Winter verschieben können», sagt Elimar Frank, Leiter des BFE-Forschungsprogramms Solarthermie und Wärmespeicherung. Nur mit saisonalen Energiespeichern sei ein Teil der Energiewende zu schaffen. Der Bund unterstütze das Projekt, weil es gleich mehrere wichtige Beiträge leiste. «Der Aluminiumspeicher verknüpft die Strom- und Wärmeproduktion, ermöglicht die saisonale Speicherung von Energie und braucht wenig Platz.»

Bis Ende 2019 will die Forschergruppe um Michel Haller die wissenschaftlichen Annahmen aus der Vorstudie in Laborexperimenten belegen. Sind die Forscher erfolgreich, dürfte es weitere fünf bis zehn Jahre dauert, bis ein massentauglicher Aluminiumspeicher auf den Markt kommt.

Die Energiewende

Die Energieversorgung ist im Umbruch. Dafür verantwortlich sind der technologische Wandel und der Preiszerfall auf den Energiemärkten. Nach dem Reaktorunglück von Fukushima im Jahr 2011 beschlossen Bundesrat und Parlament, die fünf Schweizer Atomkraftwerke am Ende ihrer Betriebsdauer stillzulegen. Um langfristig eine sichere Versorgung zu gewährleisten, formulierte der Bundesrat zudem die Energiestrategie 2050. Sie beschreibt, wie das Schweizer Energiesystem in den kommenden Jahrzehnten umgebaut werden soll. Die Strategie stützt sich auf drei Pfeiler: Die Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden, Maschinen und Verkehrsmitteln, die Förderung erneuerbarer Energien sowie ein schrittweiser Ausstieg aus der Nuklearenergie.

Als erstes Massnahmenpaket der Energiestrategie 2050 kam im Mai 2017 das revidierte Energiegesetz an die Urne. Die Schweizer Bevölkerung nahm es mit einem Ja-Anteil von 58,2 Prozent deutlich an und bestätigte damit den Atomausstieg. Bislang spielte die Kernenergie eine zentrale Rolle: Fast 40 Prozent der inländischen Stromversorgung stammen im langjährigen Durchschnitt von Atomkraftwerken. Um die drohende Versorgungslücke zu schliessen, will der Bundesrat unter anderem erneuerbare Energien wie Sonne, Holz, Biomasse, Wind und Geothermie fördern. Dabei setzt er vor allem auf Subventionen. Zentral ist die kostendeckende Einspeisevergütung, die den Produzenten erneuerbarer Energien einen kostendeckenden Preis garantiert. (mge)

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