Starke Schwankungen bei der Erzeugungsleistung sind ein bestimmender Faktor vieler erneuerbarer Energiequellen. Dies trifft besonders auf Windkraft und Fotovoltaik zu. Die Auswertung historischer Wetterdaten zeigt, dass es in West- und Mitteleuropa fast jedes Jahr zu zweiwöchigen Dunkelflauten kommt und die fehlende Leistung durch vermehrten Einsatz von konventionellen Kraftwerken unter CO2-Ausstoß kompensiert werden muss. Weht hingegen kräftiger Wind und scheint dazu auch noch die Sonne, kommt es zu einer erheblichen Überproduktion an elektrischer Energie. Das führt dazu, dass Kraftwerke aller Art heruntergefahren oder abgeschaltet werden müssen und Strom teilweise für negative Preise verkauft werden muss. Es ist also offensichtlich, dass ein leistungsfähiges und günstiges Speichersystem zur Nutzung dieser Überproduktionen in Zeiten von Dunkelflauten notwendig ist. Das ist ein wichtiger Grundstein für die sektorgekoppelte und defossilisierte Energieinfrastruktur der Zukunft.
Glücklicherweise verfügt Europa über ausgedehnte unterirdische Salzvorkommen. Viele Kavernen in diesen Salzstöcken werden schon heute zur Speicherung von Erdöl und Erdgas genutzt.
Einige Salzkavernen in den USA und in Großbritannien werden schon seit Jahrzehnten zur Speicherung von Wasserstoff für umliegende Chemie- und Petrochemiebetriebe genutzt. Weiterhin gibt es auch erste Reallaborprojekte in Deutschland.
Eine typische Salzkaverne ist das Resultat der Produktion von Salz und Soda. Wasser wird durch den Salzstock gespült und kommt, mit gelöstem Salz angereichert, als Sole an die Oberfläche. Unter der Erde bildet sich ein Hohlraum, der dann später als Speicher genutzt werden kann. Die meisten Kavernen in Norddeutschland und Polen liegen in einer Tiefe von zwischen 500 und 2.500 m und haben bei Durchmessern von 50 bis 100 m eine Höhe von 100 bis 500 m. Je nach Tiefe und geologischen Parametern sind Speicherdrücke von 150 bis 200 bar üblich. Damit die Kaverne stabil bleibt, kann nicht die gesamte Füllung als Arbeitsgas verwendet werden, etwa 1/3 muss als Kissengas in der Kaverne verbleiben, die übrigen 2/3 können als Speicherspielraum genutzt werden.
Trotz des einmaligen Kissengasbedarfs ist die Speicherfähigkeit einer Kaverne gewaltig. Eine durchschnittliche Kaverne mit 60 m Durchmesser, 300 m Höhe und 175 bar Fülldruck speichert 100 Million Nm3 Arbeitsgas. Handelt es sich dabei um Wasserstoff, entspricht dies einer Energiemenge von 300 GWh, welche zum Heizen, zur Stahlproduktion, für Mobilität und/oder zur Rückumwandlung in Elektrizität verwendet werden kann. Letzteres erfolgt meist über Brennstoffzellen, die schon heute einen Wirkungsgrad von etwa 60 % haben und somit auf dem gleichen Niveau wie die modernsten Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke liegen. Bei diesen fallen allerdings immer noch 450 g CO2-Äquivalent / kWh Treibhausgase an. Eine typische Speicheranlage hat mehrere Kavernen. Mithilfe des Standorts Epe in Nordwestdeutschland können dort allein schon heute bis zu 4 Milliarden Nm3 Erdgas gespeichert werden.
Somit ergibt sich, je nach Szenario, folgendes Bild für Europa: Es werden 15 bis 33 Wasserstoffspeicher Kavernen der Größe von Epe benötigt, was dem 2 bis 5-fachen des jetzigen Erdgasspeichervolumens Deutschlands entspricht. Da nicht alle Erdgasspeicher umgewidmet werden können und eine Kaverne 2 bis 5 Jahre zur Erstellung benötigt, ist die Dringlichkeit, den Ausbau von Speicherstätten voranzutreiben, unstrittig.
Die Befüllung und der Betrieb einer Speicherstätte sind durch stark variierende Volumenströme und Drücke gekennzeichnet. Dies resultiert aus den stark schwankenden Erzeugungsleistungen der erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Fotovoltaik. Glücklicherweise hat NEUMAN & ESSER schon einen breiten Erfahrungsschatz im Betrieb von Erdgasspeichern, der durch sehr ähnliche Lastverläufe in Bezug auf Volumenstrom sowie Ein- und Ausspeisung gekennzeichnet ist. Um dies zu bewerkstelligen, wurden verschiedene Regelungsverfahren wie Drehzahl- und Rückstromregelung kombiniert, um einen möglichst effizienten Betrieb gewährleisten zu können. Bei vielen Erdgasspeichern übernimmt ein Turboverdichter die Grundlast und ein Kolbenverdichter die Flexibilisierung der Anlage bezüglich des Druckes und des Volumenstroms. Da Turboverdichter aber nicht in der Lage sind, Wasserstoff effizient auf die geforderten Speicherdrücke zu bringen, müssen Kolbenverdichter nun auch die Grundlast übernehmen. Hierbei fällt erneut ihre hohe Effizienz auf. Bei der Einspeisung von 60 bar Pipeline Druck auf der Anlieferseite und 200 bar auf der Speichereintrittsseite benötigt ein Kolbenverdichter für 300.000 Nm3/h Volumenstrom 15 MW Antriebsleistung. Dies entspricht 1,6 % der im Wasserstoff gespeicherten Energie (Heizwert). Bei der Verdichtung von 60 auf 120 bar sind es sogar nur 0,9 %.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass Wasserstoff und damit auch die Speicherung von Wasserstoff eine wichtige Rolle in der Energieinfrastruktur der Zukunft spielen wird. Die Expertise von NEUMAN & ESSER wird zur Bewältigung aller aktuellen und zukünftigen Herausforderungen im Umfeld der Wasserstoffspeicherung beitragen.