Wie bringt man überschüssige Energie vom Sommer in den Winter? Das ist eine der zentralen Fragen im Hinblick darauf, wie wir unsere Energieversorgung in Zukunft nachhaltig und gleichzeitig sicher gewährleisten wollen - gerade auch deshalb, weil wir künftig ohne fossile Energien auskommen wollen. Dieses Thema beschäftigt auch die Masterstudentin Josien de Koning: «Das Schweizer Stromnetz weist momentan im Sommer eine Überproduktion auf, während wir im Winter auf Importe angewiesen sind. Dieses Ungleichgewicht wird sich durch die Elektrifizierung und den Ersatz von Kernkraftwerken durch erneuerbare Energiequellen wie Solarenergie weiter verstärken. Es ist wichtig, dass wir Lösungen finden, um dem entgegen zu wirken.» In ihrem Masterstudium im Bereich «Integrated Building Systems» an der ETH Zürich wollte sie deshalb Anfang 2022 in einer Semesterarbeit eine der möglichen Lösungen genauer betrachten. Unterstützt wurde sie dabei von den Expertinnen und Experten des «Urban Energy Systems Lab» der Empa.

Energie über Monate hinweg speichern

De Koning fokussierte sich auf die Einbindung eines sogenannten «Power-to-Hydrogen-to-Power»-Systems (P2H2P). Dieses dient dazu, Strom - idealerweise überschüssigen - in Wasserstoff umzuwandeln, zu speichern und bei Bedarf daraus wieder Strom zu gewinnen. Dementsprechend beinhaltet es unterschiedliche Komponenten, wie zum Beispiel PV-Anlagen, einen Elektrolyseur, Wasserstoff-Tanks und Brennstoffzellen. Der grosse Vorteil dabei ist, dass im Gegensatz zu anderen Speichermethoden wie beispielsweise Batterien die Energie so auch über Monate hinweg verlustfrei gespeichert werden kann. «Ich wollte in meiner Arbeit herausfinden, ob es Sinn macht, eine solche Lösung in ein Energiesystem zu integrieren. Als Untersuchungsobjekt habe ich ein Mehrfamilienhaus in Obersiggenthal gewählt», erklärt de Koning.

Der erste Schritt war, das System mithilfe einer Software zu modellieren. Die Masterstudentin nutzte dazu das sogenannte «ehub-Tool», das Empa-Forschende in den letzten Jahren entwickelt hatten und aus dem schliesslich auch das Spin-off «Sympheny» hervorging. Das Tool bildet Energiesysteme ab und stellt Berechnungen zu diesen an. Zunächst definierte de Koning in der Software, welche Komponenten eingebaut werden sollen, welche Energiequellen zur Verfügung stehen und welchen Energiebedarf das Gebäude hat. Nach dieser Modellierung sollte das System optimiert werden. Dafür fütterte die Studentin die Software mit Daten aus unterschiedlichen Datenbanken. Dazu gehörten beispielsweise die Sonneneinstrahlung, die CO2-Emissionen sowie die Strompreise des Schweizer Stromnetzes und unterschiedliche technische Daten der einzelnen Komponenten.

Die optimale Lösung

Im Anschluss berechnete die Software anhand der Input-Daten die Kosten und Emissionen eines P2H2P-Systems und eines konventionellen Systems ohne die Wasserstoff-Komponenten - einmal für die Gegenwart und einmal für das Jahr 2040. Damit sollte erkannt werden, ob die Lösung, sollte dies heute noch nicht der Fall sein, allenfalls in Zukunft Potenzial aufweist.

Es zeigte sich auf der einen Seite, dass die P2H2P-Anlage wie gewünscht in der Lage war, das energetische Ungleichgewicht auszubalancieren. Batterien und thermische Speicher konnten die täglichen, der Wasserstoff-Speicher die saisonalen Schwankungen abfangen. Auf der anderen Seite wurde das P2H2P-System jedoch bei keinem der Szenarien als die optimale Lösung erkannt - die Einbindung der Anlage war also sowohl 2020 wie auch 2040 teurer und wies höhere Emissionen auf als das konventionelle System. Das Hauptproblem war der Speichertank für den Wasserstoff, dessen Grösse einen starken Einfluss auf die Kosten und die Emissionen hatte.

Dennoch ist Josien de Koning überzeugt, dass das System in Zukunft Potenzial haben könnte: «Es ist gut möglich, dass das P2H2P-System 2040 preislich und mit Blick auf die CO2-Emissionen in einem akzeptablen Bereich liegen kann. Dazu müssen wir es aber schaffen, die Grösse des Wasserstofftanks wesentlich zu verkleinern. Die entscheidenden Faktoren sind hierbei technologische Verbesserungen und Preissenkungen beim System selbst sowie die Reduzierung des Verbrauchs im Allgemeinen.»

Ein wichtiger Punkt: Die Analyse erfolgte im Kontext des Schweizer Stromnetzes, das bereits sehr sauber ist. De Koning geht davon aus, dass in anderen europäischen Stromnetzen, die höhere CO2-Emissionen aufweisen, das P2H2P-System besser abschneiden würde. Auch eine Kopplung mit Industrien, die künftig Wasserstoff nutzen könnten - beispielsweise als Ersatz für Erdgas bei Hochtemperaturanwendungen - könnte die Technologie lukrativer machen.

Wenn gewisse Bedingungen sich künftig ändern, könnte «Power-to-Hydrogen-to-Power» also durchaus dabei helfen, überschüssige Energie vom Sommer in den Winter zu bringen. Fest steht jedenfalls, dass das Thema Josien de Koning auch in künftigen Arbeiten weiter begleiten wird: «Aus meiner Arbeit an der Empa nehme ich viele wertvolle Erkenntnisse und Folgefragen für meinen weiteren akademischen Weg mit.»

Unterstützung für Studierende
An der Empa werden jedes Jahr rund 100 Bachelor- und Master-Studierende aus den unterschiedlichsten Bereichen bei Semester- und Abschlussarbeiten unterstützt. Ihnen stehen dabei das Knowhow und die Tools der verschiedenen Labs zur Verfügung. Im Energiebereich haben Studierende neben dem «ehub-Tool» auch die Möglichkeit, die «ehub-Plattform» zur Beantwortung ihrer Energiefragen zu nutzen. Auf dieser werden Tausende von historischen und Live-Daten aus den Gebäuden der Empa gesammelt und zur Verfügung gestellt.

Energiespeicher: Wie machen wir Energie haltbar?