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Strom aus Wind- und Sonnenenergie ist manchmal nicht vorhanden, wenn man ihn braucht. Daher braucht man Speicher, die überschüssigen Strom aufnehmen und bei Bedarf abgeben.

Zentral, Dezentral, alles egal?

„Die Energiewende ist unser Weg in eine sichere, umweltverträgliche und wirtschaftlich erfolgreiche Zukunft“, so verkündet es in wohlgewählten Worten die Bundesregierung in einer Hochglanzbroschüre. Weg von nuklearen und fossilen Brennstoffen, von Kern- und Kohlekraftwerken, hin zu erneuerbaren Energien aus Sonnenlicht, Windkraft oder Biomasse – und das Ganze soll passieren in den nächsten 30 Jahren. Ein klares Ziel und ein klarer Weg, so scheint es. Denn so klar das Ziel auch sein mag, so unklar ist der Weg dahin. Irgendwie überlegt, forscht und investiert man in alle Richtungen – und so sind es viele Wege, die aktuell beschritten werden, zwei davon stehen besonders im Fokus.

Es geht um die grundlegende Frage: „Zentral“ oder „Dezentral“.

„Zentral“ bedeutet, im wahrsten Sinn des Wortes, „Das Gleiche in Grün“, das gleiche Prinzip der Verteilung wie bei klassischen Kraftwerken: Eine an wenigen Orten konzentrierte Energieproduktion, etwa in den großen Windparks an der Küste oder Offshore in der Nordsee, und viele tausend Kilometer lange Transportnetze, die den Strom dann zu den Kunden bringen – nur die Stromproduktion ist „Öko“.

Der Gegenentwurf heißt „Dezentrale Energieversorgung“, bei der die Energie in der Nähe der Verbraucher erzeugt und auch nur im Nahbereich verteilt wird.

Noch ist etwas Zeit, diese grundlegende Frage zu beantworten, doch wenn erst einmal für viele Milliarden Euro große Stromautobahnen durch Deutschland gebaut sind, dann werden die großen Netzbetreiber dadurch auch den Ökostrom der großen Energiekonzerne transportieren – und dann wird für die „Dezentralität“ kaum noch Platz sein.

Alte Technik für neue Lösungen

Heute ist es noch wirtschaftlicher, konventionelle Kraftwerke bei schwankendem Ökostromangebot hoch-und runterzufahren, die Stromnachfrage großer Industrie-Verbraucher flexibel zu gestalten und das europäische Stromnetz auszubauen, als in teure Speichertechnologien zu investieren. Erst nach 2030, so sehen es Energieexperten, sei es durch den wachsenden Anteil von erneuerbaren Energien notwendig und wirtschaftlich sinnvoll, den Ausbau von Langzeit-Energiespeichern voranzutreiben.

Um darauf vorbereitet zu sein investieren unter anderem das Bundesforschungsministerium und das Land Baden-Württemberg immerhin 19 Millionen Euro in „RedoxWind“, das bislang größte deutsche Forschungsprojekt in Sachen „Dezentrale Energieversorgung“. Am Fraunhofer-Institut für chemische Technologie in Pfinztal bei Karlsruhe wurde dazu ein 140-Meter-Windrad gebaut und direkt daneben, in einer eigenen Halle, Deutschlands größte Batterie. In den kommenden 2 Jahren wollen die Energieforscher damit herausfinden, ob es funktionieren kann, mit einer Windkraftanlage und einem Stromspeicher 1.000 4-Personen-Haushalte zuverlässig zu versorgen.


Das hat bislang noch niemand untersucht. Zentrales Element des Projekts ist die Batterie im Maßstab XXL. Das Prinzip dieser „Redox-Flow-Batterie“ wurde schon in den 1940er Jahren entwickelt. Beim Laden der Batterie wandern Ionen aus einer flüssigen Chemikalie durch eine Membran in eine andere. Die Energie wird also chemisch gespeichert. Beim Entladen läuft der Vorgang einfach in die andere Richtung. Lange wusste man nicht so genau, was man mit dieser Technik anfangen kann, doch will man stationäre, kostengünstige und große Stromspeicher, ist diese Batterieform genau richtig.

„Wenn wir in der Energiewende voranschreiten wollen“, sagt Dr. Peter Fischer, Chemiker am Fraunhofer ICT, „dann brauchen wir Großspeicher in der Größe von mehreren Megawattstunden. Mit unserer Batterie bauen wir 20 Megawattstunden auf, das reicht aus um 1.000 4-Personen Haushalte 10 Stunden mit Energie zu versorgen. Wir könnten zum Beispiel unsere Nachbargemeinde Berghausen mitversorgen, mit diesem Speicher und dem Windrad, das wir hier aufbauen.“

In Pfinztal wollen sie nun mit Windrad und Redox-Flow-Groß-Batterie das gesamte Institutsgelände, mit dem Verbrauch einer Kleinstadt, sicher mit Energie versorgen, ohne Strom aus dem öffentlichen Netz. Wenn das bei allen Wind- und Wetterlagen und simulierten Störfällen funktioniert, wäre das ein wichtiger Schritt in Richtung „Dezentrale Energieversorgung“ – und ohne Milliardeninvestitionen in große Stromtrassen eine Alternative für Städte, Gemeinden und Industriebetriebe.

„Was wir hier aufbauen“, erklärt Peter Hussinger, Chemiker am Fraunhofer ICT, „ist quasi die Energiewende im Kleinen, man kann unser Institut als kleine Zelle sehen. Das könnte ebenso gut eine Kleinstadt sein, die versucht, sich autark zu versorgen. Noch wissen wir nicht, wie sich der Verbrauch von einer typischen Kleinstadt oder unseres Campusgeländes mit der fluktuierenden Quelle der Windkraft verträgt, welchen Beitrag kann so ein Großspeicher im Megawattbereich leisten? Das hat als Direktkopplung noch niemand versucht und das sind die spannenden Fragen, die wir versuchen abzudecken?“

Die Apfelbatterie

Für eine wirkliche „Energiewende“ braucht man aber nicht nur stationäre Großspeicher, sondern auch kleine, flexibel einsetzbare Batterien, etwa für die Elektromobilität. Am Helmholtz-Institut für Elektrochemische Energiespeicherung in Ulm suchen die Forscher daher nach neuen Materialien zur Energiespeicherung, nach alternativen Technologien für die „Batterie der Zukunft“ – und dabei spielen Äpfel eine große Rolle. „Wir wissen, dass Batterien leistungsstärker und günstiger sein müssen“, sagt Dr. Daniel Bucholz, Chemiker am Helmholtz-Institut, „Und dabei ist es nicht nur wichtig, an konventionellen Lithium-Ionen-Batterien zu arbeiten, sondern eben auch kreative und neue Wege zu gehen und nach neuen Lösungen zu suchen.“

Dafür trocknen die Helmholtz-Wissenschaftler sonst nicht verwendbare Apfel-Reste und zermahlen sie solange, bis fast reiner Kohlenstoff entsteht. Das schwarze Pulver vermischen die Batterieforscher dann mit einem leitfähigen Zusatz und einem Bindemittel – und tragen es auf einfache Alufolie auf. Das Ergebnis: Elektroden aus biologischem Material für alternative Batterien. Im Labor schafft die Apfel-Batterie schon über 1.000 Lade- und Entladezyklen – daher sehen die Ulmer Wissenschaftler für ihr Produkt gute Chancen auf dem Batteriemarkt. „Für den Energiespeicher der Zukunft ist es notwendig“, erklärt Dr. Daniel Bucholz, „dass man Materialien verwendet, die günstig, umweltfreundlich und reichlich vorhanden sind. Und dafür ist es notwendig, neue Batterietechniken zu entwickeln, die eben zum Beispiel nicht nur auf Lithium basieren oder Kobalt beinhalten, sondern alternative Materialien nutzen, wie eben zum Beispiel Kohlenstoffe, die man aus Apfel-Abfällen gewinnen kann.“

Ob Natrium-Ionen-, Magnesium- oder vielleicht die Apfel-Kohlenstoff-Batterie, noch ist offen, welches Konzept sich durchsetzen wird – denn keine Technik ist überall einsetzbar. Stationäre Speicher können groß und schwer sein, die Elektromobilität braucht hingegen kleine und leichte Batterien – das macht Prognosen so schwierig.

„Ich glaube nicht, dass es eines Tages die Batterielösung der Zukunft geben wird“, sagt Dr. Dominik Bresser, Wirtschaftschemiker, Helmholtz-Institut Ulm, „Dafür sind die Anforderungen einfach zu verschieden. Daher müssen wir natürlich heute an Projekten arbeiten, wo wir morgen schon wissen, wo wir ungefähr bei raus kommen – damit wir klar wissen, wir machen die Batterie nächstes Jahr 5 bis 10 Prozent besser. Aber es geht auch um ökonomische Aspekte, es geht um Umweltaspekte. Es geht darum, dass wir eben nicht zum Beispiel Kobalt aus Afrika importieren, sondern da geht es darum, das wir eben auch nachhaltig wirtschaften, um dann auch tatsächlich in 20 oder 30 Jahren eine vielleicht komplett neue Batterietechnologie zu haben.“

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