Als eines der größten Probleme der Energiewende kristallisiert sich die Speicherung elektrischer Energie heraus. An Ideen dafür fehlt es nicht, allein die Machbarkeit unter dem Blickwinkel des Wirkungsgrades und der Kosten lässt an manchen Stellen zu wünschen übrig.
Da gibt es neuartige Batterien, die nach dem Vorbild des verrottenden Apfels funktionieren sollen, riesige Kugeln aus Beton, die in der Nordsee versenkt werden, oder künstliche Inseln vor der belgischen Küste, alles ziemlich unkonventionelle Arten, mit elektrischer Energie umzugehen. Doch allen gemeinsam ist das eine Ziel: Die Sonne und den Wind als unerschöpfliche, nachhaltige und vor allem verlässliche Energiequellen nutzen zu können. Das geht aber nur dann, wenn ausreichend geeignete Speicher zur Verfügung stehen, die in Zeiten starken Windes oder intensiver Sonnenstrahlung den reichlich produzierten Strom aufnehmen können, um damit jene Zeiten zu überbrücken, wenn die Flaute kommt oder die Sonne von dicken Wolkenschichten verdunkelt wird.
Pumpspeicherkraftwerke der anderen Art
Über Hohlkugeln am Grunde des Bodensees, die mit überschüssigem Strom leer gepumpt werden, um bei Energiebedarf das Wasser unter hohem Druck wieder einschießen zu lassen, wobei dadurch Turbinen in heftige Rotation versetzt werden, haben wir bereits berichtet. Aber es geht auch anders, zum Beispiel mit künstlichen Atollen auf offenem Meer, die unter der Bezeichnung „iLand“ rangieren. Es handelt sich dabei um Becken, die mit überschüssigem Strom aus Offshore-Windparks leergepumpt werden. Bei Energiebedarf lässt man wieder Wasser in die Becken einströmen, wobei in dieser Phase Stromgeneratoren angetrieben werden.
Angestoßen durch die belgische Regierung wurde dieses aussichtsreiche Prestige-Projekt aber wegen der doch zu hohen Kosten schließlich nicht genehmigt. Auch viele Naturschützer waren über das Konzept nicht amüsiert, weil für den Bau solcher gigantischen Atolle im sensiblen Wattenmeer viele Tausend Kubikmeter Sand und Kies umzulagern wären. Im Übrigen konfrontieren uns derartige Konzepte immer wieder mit dem noch nicht gelösten Problem des Energietransports, denn irgendwie muss der Strom ja vom Meer bis in die südlichsten Landeszipfel Bayerns und Baden-Württembergs möglichst verlustarm geleitet werden.
Die Batterie-Technologie wird uns noch lange begleiten
Um Strom zu speichern, wurden einst Batterien erfunden. Ihre vielen Nachteile lassen sich durch weiterführende Optimierung weitgehend eingrenzen. Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nutzen dazu heute die Nanotechnologie. Lithium-Ionen-Akkus sind als besonders leistungsstarke Batterien in aller Munde und werden inzwischen für die meisten Elektrofahrzeuge eingesetzt. Die neuesten Varianten davon speichern dreimal mehr Energie bezogen auf ihr Gewicht, als es die ersten Versionen am Anfang der 1990er Jahre konnten. Doch der Fokus der Forschung richtet sich auch auf andere Speichermaterialien wie Kalzium und Magnesium.
Keramik als fester Elektrolyt
Die verschiedenen Forschungsprojekte der Helmholtz-Zentren sind eng miteinander vernetzt. Eines davon betrifft die Batterieforschung am Forschungszentrum Jülich, wo die Wissenschaftler an der Entwicklung keramischer Feststoff-Elektrolyte arbeiten. So ein Elektrolyt transportiert im Akku zwischen der Kathode und der Anode die Ionen. Gleichzeitig sorgt er für den Ladungsausgleich, indem er Ionen generiert.
Übliche Batterien, die flüssige Elektrolyte enthalten, neigen zum Auslaufen, sie können überhitzen und abbrennen, wobei auch noch Toxine in die Umwelt gelangen. Verwendet man dagegen Feststoffe wie Keramik, entfallen einige dieser Gefahren. Und der besondere Vorteil besteht in der deutlich höheren Leistungsdichte von Keramik. Um ein Elektroauto schnell zu beschleunigen, muss ausreichend elektrische Energie instantan zur Verfügung gestellt werden. Keramik kann das.
Atmende Akkus
Metall-Luft-Akkus haben ganz gewiss einen Gewichtsvorteil. In Jülich wird zurzeit an Hochtemperatur-Eisen-Luft-Batterien geforscht, die in diesem Fall mit Festoxidbrennstoffzellen gekoppelt werden. Auf diese Weise wird Sauerstoff zu- und abgeleitet. Diese Metall-Luft-Akkus haben theoretisch eine erstaunlich hohe Energiedichte. Doch das ist im Moment noch Grundlagenforschung. Die Anforderung ist klar: Batterien sollen mehrere Tausend Ladezyklen ohne nennenswerten Leistungsverlust durchstehen. So weit sind wir aber noch nicht.
Batterien fressen Bioabfälle
Tausend und einen Ladezyklus hat eine Neuentwicklung problemlos absolviert, die die Ulmer Forscher Daniel Buchholz und Stefano Passerini vorgestellt haben. Es war, wie so oft, ein eingebungsvoller Spaziergang, der die beiden Männer vom Helmholtz-Institut Ulm der Elektrochemie von Batterien näherbrachte. Als sie ganz zufällig verrottende Äpfel auf einer Wiese beobachteten, kam ihnen die zündende Idee: Der relativ hohe Zuckeranteil von Äpfeln prädestiniert diese geradezu für die Batterietechnik. Aus altem Obst lässt sich für die Kathode leicht ein kohlenstoffbasiertes Material herstellen. Allein in Deutschland landen jedes Jahr mehr als 18 Millionen Tonnen Nahrung auf dem Müll. Aus diesem nicht unerheblichen Potenzial könnte zukünftig viel Energie erzeugt werden.