Wie Reverion aus Wasserstoff Energie gewinnt
Um im Kampf gegen den Klimawandel seinen Beitrag zu leisten, muss Deutschland bis 2045 klimaneutral werden und die Energieversorgung aus ausschließlich erneuerbaren Energien sicherstellen. Der Handlungsdruck hat sich zudem in Folge des Ukrainekriegs erhöht, denn Gas hat als Übergangstechnologie an Attraktivität verloren und – und Deutschlands Unabhängigkeit bei der Energieversorgung massiv an Bedeutung gewonnen. Angesichts dieser neuen existenziellen Bedrohungen, den immer häufiger werdenden Naturkatastrophen und Extremwetterereignissen muss der Anteil der erneuerbaren Energien in den kommenden zwei Jahrzehnten stark ansteigen. Gleichzeitig sollen die grundlastfähigen Atom- und Kohlekraftwerke bis 2038 vollständig vom Netz genommen und durch Wind- und Solarkraft ersetzt werden.
Dabei stellen lange Perioden ohne nennenswertes Solar- und Windenergiepotential eine besondere Herausforderung dar, sogenannte Dunkelflauten. Während andauernder Dunkelflauten liegt die Leistung von Wind- und Solarkraft nur bei einem Bruchteil der üblichen Durchschnittsleistung, sodass der Energiebedarf auch mithilfe von Lastmanagement und Kurzzeitspeichern nicht abgedeckt werden kann. In Deutschland treten mehrere solcher Flauten mit einer Länge von über 48 Stunden pro Jahr auf, im Einzelfall können sie sich aber auch über bis zu zehn Tage hinziehen. In diesen Zeiträumen spielen langfristige Energiespeicher, also Energiespeicher mit einer Speicherdauer von mindestens zehn Stunden, eine essenzielle Rolle um die Stabilität des Stromnetzes zu gewährleisten. Zudem strecken sich meist durch den Winter lange Perioden, in denen in Zukunft die Energieerzeugung hinter dem Energiebedarf zurückbleibt
Langfristige Energiespeicher sind ein zentraler Baustein für die Energieautonomie und die Erreichung der Klimaziele, parallel auch ein heranwachsender Multi-Milliarden-Markt, der allerdings mit den aktuell marktreifen Technologien nur unzureichend bedient werden kann.
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Die Herausforderung: Energie speichern und Strom für mehr als zehn Stunden effizient bereitstellen, ohne kritische Rohstoffe zu verwenden.
In der Challenge sollen sprunginnovative technologische Ansätze identifiziert werden, die eine langfristige, effiziente und kostengünstige Energiespeicherung ermöglichen. Wesentlich dabei sind die Rohstoff- und Systemkosten, die Selbstentladung, der Wirkungsgrad der Speicherung, die Lebensdauer, die Energiedichte und die technische und ökonomische Skalierbarkeit der Projektidee.
Teams, die an dieser Challenge teilnehmen, sind voll und ganz gefordert. Die SPRIND unterstützt deshalb intensiv und individuell. Dazu gehört die Finanzierung der Teams mit bis zu 1 Mio. € in Stufe 1 und bis zu 3 Mio. € in der finalen Stufe 2 der Challenge. Um den Teams zu helfen, ihr volles Potential zu entfalten, stellt die SPRIND den Teams neben finanzieller Unterstützung eine:n Coach:in zur Seite, der:die die Arbeit eines jeden Teams begleitet, sie berät und vernetzt.
Damit sich die Teams voll und ganz auf ihre Innovationen konzentrieren können, finanzieren wir schnell und unbürokratisch. Am Ende der ersten Stufe der Challenge, nach einem Jahr, entscheidet die Jury auf der Grundlage von Zwischenevaluationen darüber, welche Teams weiter an der Challenge teilnehmen werden. Als Finalist:innen bekommen diese Teams die Gelegenheit, ihr Projekt weitere anderthalb Jahre voranzutreiben und ihren Durchbruch umfassend zu demonstrieren.
Noch einen Schritt weiter gedacht: Ideen mit dem Potential für eine Sprunginnovation müssen in den Markt gebracht werden, um uns allen zugutezukommen – aussichtsreiche Projekte können deshalb auch nach Ende der Challenge weiter durch die SPRIND unterstützt werden.
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Im November 2023 hat die Expertenjury im Auftrag der SPRIND die Teilnehmer für die zweite und letzte Stufe der Challenge "Long-Duration Energy Storage" ausgewählt. Für die nächsten 18 Monate erhalten die vier Teams jeweils bis zu 3 Millionen Euro für die Weiterentwicklung ihrer Technologie zur langfristigen Stromspeicherung.
Reverion
“Die neue Energiewelt ist binär”, sagt Felix Fischer: “Es gibt entweder einen Stromüberschuss oder einen Strommangel.” Scheint die Sonne, sinken die Strompreise, scheint sie nicht, steigen die Preise an und die schnelle Bereitstellung von gespeicherter Energie wird immer wichtiger.
HalioGen Power
Dünne Trennwände schützen Redox-Flow-Batterien vor Kurzschlüssen und ermöglichen gleichzeitig den Ionenaustausch zwischen den Elektrolyten: Membranen sind in Batterien seit Jahrzehnten im Einsatz. Doch das könnte sich ändern.
Ore Energy
Eisen, Luft und Wasser: Mit diesen drei Elementen will Ore Energy die Batteriebranche revolutionieren. 100 Stunden lang soll die Eisen-Luft-Batterie des Teams Strom liefern und immer dann einspringen, wenn keine erneuerbaren Energien zur Verfügung stehen.
Unbound Potential
Radikal einfaches Design – das ist das Geheimnis hinter der neuen Flussbatterie von Unbound Potential. Das Unternehmen arbeitet an einer membranlosen Batterie, die Lithium-Ionen-Akkus Konkurrenz machen soll.
Science-Youtuber Jacob Beautemps stellt bei Breaking Lab die Challenge Teams im Detail vor
Die Jury
Gitanjali DasGupta
Sebastian Scholz
Anna Grevé
Pasquale Salza
Pilar Gonzalez
Nick de la Forge
Haben Sie Fragen zur Challenge? Schreiben Sie uns unter challenge@sprind.org.
“Die neue Energiewelt ist binär”, sagt Felix Fischer: “Es gibt entweder einen Stromüberschuss oder einen Strommangel.” Scheint die Sonne, sinken die Strompreise, scheint sie nicht, steigen die Preise an und die schnelle Bereitstellung von gespeicherter Energie wird immer wichtiger.
Reverion arbeitet deshalb an einem System, das in weniger als einer Minute vom Energiespeicher zum Energielieferanten wird. Dazu nutzt die Firma eine keramische Brennstoffzelle, die bei sehr hohen Temperaturen arbeitet.
“Immer wenn Strom günstig zur Verfügung steht, wird die Festoxid-Zelle als Elektrolyseur betrieben und produziert Wasserstoff”, erklärt Fischer, COO von Reverion. “Aber – und das ist das Schöne – auf Knopfdruck kann dasselbe System den Wasserstoff wieder aufnehmen und daraus erneut Strom erzeugen.”
ENTKOPPLUNG VON SPEICHERLEISTUNG UND SPEICHERDAUER
Der Clou: Anders als bei Batterien ist eine Entkopplung von Speicherleistung und Speicherdauer möglich. “Wir verwenden einen Energiewandler und einen davon unabhängigen Gasspeicher”, erklärt Fischer. Im Extremfall heißt das: Weht beispielsweise zwei Wochen lang ununterbrochen Wind, produziert Reverion zwei Wochen lang Wasserstoff.
"Andere Batterien wären schon nach wenigen Stunden voll, aber wir können ohne physikalische Begrenzung weiter Wasserstoff produzieren."
“Immer wenn Strom günstig zur Verfügung steht, wird die Festoxid-Zelle als Elektrolyseur betrieben und produziert Wasserstoff”, erklärt Fischer, COO von Reverion. “Aber – und das ist das Schöne – auf Knopfdruck kann dasselbe System den Wasserstoff wieder aufnehmen und daraus erneut Strom erzeugen.”
ENTKOPPLUNG VON SPEICHERLEISTUNG UND SPEICHERDAUER
Der Clou: Anders als bei Batterien ist eine Entkopplung von Speicherleistung und Speicherdauer möglich. “Wir verwenden einen Energiewandler und einen davon unabhängigen Gasspeicher”, erklärt Fischer. Im Extremfall heißt das: Weht beispielsweise zwei Wochen lang ununterbrochen Wind, produziert Reverion zwei Wochen lang Wasserstoff.
"Andere Batterien wären schon nach wenigen Stunden voll, aber wir können ohne physikalische Begrenzung weiter Wasserstoff produzieren."
Der Energiewandler des Systems, die keramische Brennstoffzelle, befindet sich in einem Container. In einem separaten Aggregat kann der Wasserstoff verdichtet oder verflüssigt werden. “Dadurch hat man eine hohe Energiedichte. Man braucht also relativ wenig Platz, um viel Energie zu speichern”, erklärt Fischer. Der Wasserstoff kann direkt vor Ort gespeichert werden, es ist aber auch möglich, die Anlage an das Erdgasnetz anzuschließen. So kann der Wasserstoff in großen Mengen abtransportiert und zum Beispiel direkt in der Industrie genutzt werden – oder an einem anderen Ort durch Reverion wieder in Strom umgewandelt werden.
EFFIZIENTER DURCH RAFFINIERTE SYSTEMKOMBINATION
Die Möglichkeit, schnell zwischen dem Speichermodus und dem Stromerzeugungsmodus umschalten zu können, ist nicht nur praktisch, sondern auch wesentlich energieeffizienter als zwei getrennte Systeme. “Hätte man zwei verschiedene ‘Stand-alone-Lösungen’, einen Elektrolyseur und eine Brennstoffzelleneinheit, dann bräuchte der Elektrolyseur immer eine Hochlauflaufphase. Er muss erst warm werden. Das dauert bei einer Hochtemperaturelektrolyse sehr lange, bei einem Kaltstart würde man stundenlang warten”, sagt der 36-Jährige. Und auch Brennstoffzellen brauchen eine gewisse Anlaufzeit. “Da bei uns alle Komponenten immer in Betrieb sind, haben wir dieses Problem nicht. Beim Umschalten müssen nur die Gaswege gespült und zwei, drei Ventile umgestellt werden. Elektrisch erfolgt die Umschaltung in Millisekunden", erzählt Fischer.
Die Möglichkeit, schnell zwischen dem Speichermodus und dem Stromerzeugungsmodus umschalten zu können, ist nicht nur praktisch, sondern auch wesentlich energieeffizienter als zwei getrennte Systeme. “Hätte man zwei verschiedene ‘Stand-alone-Lösungen’, einen Elektrolyseur und eine Brennstoffzelleneinheit, dann bräuchte der Elektrolyseur immer eine Hochlauflaufphase. Er muss erst warm werden. Das dauert bei einer Hochtemperaturelektrolyse sehr lange, bei einem Kaltstart würde man stundenlang warten”, sagt der 36-Jährige. Und auch Brennstoffzellen brauchen eine gewisse Anlaufzeit. “Da bei uns alle Komponenten immer in Betrieb sind, haben wir dieses Problem nicht. Beim Umschalten müssen nur die Gaswege gespült und zwei, drei Ventile umgestellt werden. Elektrisch erfolgt die Umschaltung in Millisekunden", erzählt Fischer.
Kein Wunder, dass es bereits einige Interessenten gibt. Neben Solar- und Windparks interessieren sich auch Brauereien für die Anlage von Reverion. Für Reverion ein perfekter Anwendungsfall. Denn Brauereien, die eine Solaranlage auf dem Dach haben und am Wochenende nicht produzieren, können mit dem Reverion-System das Sonnenlicht am Wochenende speichern und den Strom am Montagmorgen, wenn es noch dunkel ist, selbst nutzen. Würden die Brauereien den Strom stattdessen am Wochenende ins Netz einspeisen, wäre er kaum etwas wert.
“Ich wollte nie ein Unternehmen gründen, weil ich Gründer sein wollte, sondern weil ich mit der Zeit, die mir zur Verfügung steht, etwas Sinnvolles, etwas Sinnstiftendes tun wollte. Das ist meine intrinsische Motivation”, macht Fischer klar und sagt über sein Team: “Was uns auszeichnet, ist, dass wir leidenschaftlich dafür brennen, technische Lösungen für ein extrem akutes Problem zu finden.”
Ich wollte nie gründen, weil ich Gründer sein wollte, sondern weil ich mit der Zeit, die mir zur Verfügung steht, etwas Sinnstiftendes tun wollte.
GERINGE ENERGIEVERLUSTE DURCH WÄRMEINTEGRATION
Das Erfolgsgeheimnis: Reverion legt großen Wert auf die Wärmeintegration. Abwärme wird immer sinnvoll genutzt: “Dadurch wird auch der Wirkungsgrad bei der Elektrolyse noch einmal gesteigert.” Eine weitere Innovation verbirgt sich in der Stromerzeugung. “Die Verstromung von Wasserstoff ist technisch relativ einfach, aber normalerweise nicht sehr effizient”, berichtet Fischer und fährt geheimnisvoll fort: “Wir haben einen Hebel gefunden, wie man das ändern kann.”
“Die Kombination der Technologien, die wir entdeckt haben, sorgt dafür, dass wir einen Roundtrip-Wirkungsgrad, also von Strom zurück zu Strom, von 75 Prozent haben”, sagt Fischer und räumt ein: “Wir können Energie nicht verlustfrei speichern, aber unsere Energieverluste bei der Um- und Rückwandlung von Strom in Wasserstoff sind geringer als so ziemlich alles, was bisher erreicht wurde.”
Das Erfolgsgeheimnis: Reverion legt großen Wert auf die Wärmeintegration. Abwärme wird immer sinnvoll genutzt: “Dadurch wird auch der Wirkungsgrad bei der Elektrolyse noch einmal gesteigert.” Eine weitere Innovation verbirgt sich in der Stromerzeugung. “Die Verstromung von Wasserstoff ist technisch relativ einfach, aber normalerweise nicht sehr effizient”, berichtet Fischer und fährt geheimnisvoll fort: “Wir haben einen Hebel gefunden, wie man das ändern kann.”
“Die Kombination der Technologien, die wir entdeckt haben, sorgt dafür, dass wir einen Roundtrip-Wirkungsgrad, also von Strom zurück zu Strom, von 75 Prozent haben”, sagt Fischer und räumt ein: “Wir können Energie nicht verlustfrei speichern, aber unsere Energieverluste bei der Um- und Rückwandlung von Strom in Wasserstoff sind geringer als so ziemlich alles, was bisher erreicht wurde.”
SKALIERUNG: SERIENPRODUKTION ABSEHBAR
Bereits Ende 2024 soll die erste 100-Kilowatt-Anlage im Dauerbetrieb getestet werden. “Danach wollen wir um den Faktor 10 hochskalieren. Das sollte innerhalb weniger Wochen möglich sein, denn dafür sind keine weiteren Innovationssprünge nötig, sondern nur ganz saubere, klassische Ingenieursarbeit”, erklärt der ausgebildete Energie- und Prozessingenieur.
Skalierung spielt bei Reverion auch personell eine große Rolle: Innerhalb von zwei Jahren ist aus einem ursprünglich fünfköpfigen Team ein Unternehmen mit über 100 Mitarbeitenden geworden. Den Anstoß zu Reverion gab Dr. Stephan Herrmann, der am gleichen Lehrstuhl wie Fischer promovierte. Fischer erinnert sich: “Uns war klar, Solaranlagen allein reichen nicht für die Energiewende. Da ist eine Lücke, die wir schließen müssen.” Herrmann und Fischer verspüren den Drang, die Sache selbst in die Hand zu nehmen.
Bereits Ende 2024 soll die erste 100-Kilowatt-Anlage im Dauerbetrieb getestet werden. “Danach wollen wir um den Faktor 10 hochskalieren. Das sollte innerhalb weniger Wochen möglich sein, denn dafür sind keine weiteren Innovationssprünge nötig, sondern nur ganz saubere, klassische Ingenieursarbeit”, erklärt der ausgebildete Energie- und Prozessingenieur.
Skalierung spielt bei Reverion auch personell eine große Rolle: Innerhalb von zwei Jahren ist aus einem ursprünglich fünfköpfigen Team ein Unternehmen mit über 100 Mitarbeitenden geworden. Den Anstoß zu Reverion gab Dr. Stephan Herrmann, der am gleichen Lehrstuhl wie Fischer promovierte. Fischer erinnert sich: “Uns war klar, Solaranlagen allein reichen nicht für die Energiewende. Da ist eine Lücke, die wir schließen müssen.” Herrmann und Fischer verspüren den Drang, die Sache selbst in die Hand zu nehmen.
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