Produktion
Heute wird elektrische Energie hauptsächlich zentral in grossen Kraftwerken produziert und über das Stromnetz an die Kunden geliefert.
In Zukunft wird der Anteil der unregelmässigen, dezentralen Stromerzeugung aus Wind- und Fotovoltaikanlagen stetig ansteigen. Dies erfordert einen Umbau des Kraftwerkparks mit entsprechenden Speicher- und Reservekapazitäten. Das Energiesystem von morgen ist durch hohe Anteile erneuerbarer Energien und eine dezentrale Stromproduktion gekennzeichnet. Dabei sind Versorgungssicherheit, Klimaschutz, Ressourcenschonung und Ressourceneffizienz die qualitativen Ziele des neuen Energiesystems.
Die Forschung arbeitet im Bereich Produktion insbesondere an der Frequenz- und Spannungsstabilisierung bei hoher fluktuierender, dezentraler Einspeisung.
Energiespeicher
In einem Energiesystem müssen Nachfrage und Angebot jederzeit ausgeglichen sein. In einem zentralen Versorgungssystem sind dafür wirksame Mechanismen implementiert. Fällt beispielsweise ein Kraftwerk aus, steht europaweit genügend Reserveleistung zur Verfügung, um binnen 30 Sekunden den Ausfall auszugleichen (Primärregelung). Fast zeitgleich startet die Sekundärregelung, üblicherweise von Kraftwerken aus dem Bereich, in dem der Ausfall eingetreten ist. Sie erbringt nach spätestens 15 Minuten die zusätzlich angeforderte Leistung. Dauert die Ursache für den Ausfall länger, wird die Tertiärregelung wirksam. Sie gleicht die Produktionslücke längerfristig aus.
Mit der fluktuierenden, dezentralen Einspeisung stellen sich unter Regelungsaspekten jedoch ganz neue Fragen. So kann es an wind- und sonnenreichen Tagen in den entsprechenden Netzabschnitten zu Spannungs- und Frequenzänderungen kommen, die schnell kompensiert werden müssen. Es liegt nahe, hier Möglichkeiten zur Regelung zu finden, die so dezentral wie die Erzeugung sind.
Chemische Speicher (Batterien, Power-to-Gas)
Im Niederspannungsnetz sind Lithium-Batterien, die am Ort der Erzeugung verbaut werden, eine mögliche Lösung. Für ganze Netzabschnitte verspricht eine Flüssigbatterie, kombiniert mit einer schnellen Lithiumbatterie, einen wirksamen Effekt. Das Technology Center der BKW beabsichtigt, im Rahmen eines vierjährigen EU-Forschungsprojektes zusammen mit Partnern die Anwendungsmöglichkeiten und Wirtschaftlichkeit eines solchen Batteriesystems zu untersuchen.
In die Gruppe der chemischen Speicher gehört auch «Power-to-Gas»: Mittels Elektrolyse lässt sich relativ einfach Wasserstoff erzeugen (in einem weiteren Schritt auch Methan) und im Gasnetz speichern. Es kann dann entweder zur Wärmeerzeugung genutzt oder auch verstromt werden. Methan lässt sich aber auch direkt in gasbetriebenen Fahrzeugen nutzen oder mittels Wärme-Kraft-Koppelung mit hohem Wirkungsgrad wieder zu Nutzenergie umwandeln.
Eine kürzere Prozesskette und ein günstigeres Verhältnis zwischen Strom und Wärme (mehr Strom, weniger Wärme) werden in Brennstoffzellen erreicht, die den Wasserstoff aus der Elektrolyse direkt wieder in Elektrizität wandeln.
Mechanische Speicher (Druckluftspeicher, Speicherseen)
Wohlbekannt und am längsten im Einsatz sind mechanische Speicher. Speicherseen werden gefüllt, wenn elektrische Energie im Überfluss vorhanden ist. Die gespeicherte potentielle Energie des Wassers lässt sich zu jedem Zeitpunkt sehr schnell wieder als elektrische Energie abrufen. Nach einem ähnlichen Prinzip funktionieren Druckluftspeicher: Mit Überschussenergie betriebene Kompressoren pumpen Luft unter Druck in zumeist unterirdische Speicher (beispielsweise Salzkavernen). Die in der Druckluft gespeicherte Energie lässt sich schnell und einfach wieder verstromen.
Graphene
Besonders spannend ist die Forschung auf dem Gebiet der Graphene. Diese sehr dünne Kohlenstoffschicht soll künftig zu so genannten Superkondensatoren verarbeitet werden. Das Ergebnis könnten Speicher sein, die sehr schnell sehr hohe Leistungen abgeben können. Noch befinden sie sich aber im Versuchsstadium