Regenerative Energien Der saubere Strom muss in den Tank

Die aktuelle Energiediskussion hat sich nicht zuletzt durch die Ereignisse in Japan verschärft. Für viele ist der schnellst mögliche Ausstieg aus der Kernenergie in Deutschland bereits beschlossene Sache. Die Versorgungslücke, die durch den Wegfall der Kernenergie droht, soll - so die weit verbreitete Vorstellung - durch den möglichst schnellen Ausbau von erneuerbaren Energiequellen aufgefangen werden. Doch die technischen Möglichkeiten für die kurzfristige Umstellung der Energieversorgung allein auf Wind- und Solarenergie oder Biomasse sind noch nicht so weit entwickelt, wie es erforderlich wäre.

Vielen liegt das von der Bundesregierung im vergangenen Herbst anvisierte Ziel, bis zum Jahr 2050 rund achtzig Prozent des deutschen Energiebedarfs aus erneuerbaren Quellen zu decken, in zu weiter Ferne. Tatsache ist, dass die erneuerbaren Energiequellen nur etwa 17 Prozent des elektrischen Stroms erzeugen und damit nur einen kleinen Beitrag liefern. Windenergie trägt in Deutschland mit rund sechs Prozent den größten Anteil zur Stromversorgung bei. Dieser könnte nach den Ausbauszenarien des Bundesumweltministeriums bis zum Jahr 2020 auf etwa 15 Prozent und bis 2030 auf 26 Prozent steigen. Parallel dazu können Biomasse und Geothermie einen nennenswerten Beitrag zur Grundversorgung liefern.

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Ungünstiger sieht es dagegen für die Photovoltaik aus, die hierzulande derzeit nur knapp ein Prozent des Stroms erzeugt. Trotz eines massiven Ausbaus und technischen Verbesserungen von Solarmodulen scheint es vielen Experten aber sinnvoller, die Energie der Sonne in großem Maßstab dort anzuzapfen, wo günstigere Einstrahlungsbedingungen herrschen, etwa in Südspanien, wo große solarthermische Kraftwerke bereits im Bau oder in Planung sind. Ein ehrgeiziges Projekt sieht vor, elektrischen Strom in der Sahara mittels einer gewaltigen solarthermischen Anlage zu produzieren und ihn möglichst verlustfrei nach Europa zu transportieren. Wodurch allerdings unter realistischen Szenarien nur weniger als zehn Prozent des Strombedarfs in Deutschland gedeckt werden kann. Mehr elektrische Energie lässt sich über die 27 geplanten Leitungen nicht transportieren.

Wasserstoff wird Schlüsselrolle zukommen

Wenn die Energiepolitik hierzulande künftig verstärkt auf die erneuerbaren Energiequellen setzt, ist die Entwicklung verlustarmer Stromnetze und leistungsfähiger Energiespeicher unabdingbar, da sie es ermöglichen, auf tages- und jahreszeitliche und wetterbedingte Schwankungen bei der Energieerzeugung durch Sonne und Wind flexibel zu reagieren. Während der Aufbau eines leistungsfähigen intelligenten Stromnetzes (Smart Grid) vor allem viel Geld erfordert, aber aus Ingenieurssicht in wenigen Jahren zu verwirklichen ist, steht man bei der Entwicklung von leistungsstarken Speicherkonzepten noch ziemlich am Anfang. Man benötigt ein System, das es erlaubt, in Zeiten hoher oder niedriger Stromproduktion die Speicher aufzuladen oder anzuzapfen. Dabei gilt es Energiemengen vorzuhalten, die als strategische Reserve etwa die Nachfrageunterschieden zwischen Sommer und Winter ausgleichen können.

Für Robert Schlögl, Direktor des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin, kommen für diese Aufgabe vor allem stoffliche Speicher in Frage, die die elektrische Energie in ihren chemischen Bindungen speichern. Stoffliche Speicher haben eine unübertroffene Energiedichte. So ist in einem Liter Benzin die hundertfache Menge an Energie deponiert wie in der besten Batterie. Dem Wasserstoff wird als Energieträger wohl eine Schlüsselrolle zukommen, hat er doch viele Vorteile. Er kann durch Elektrolyse von Wasser gewonnen und über die Reaktion mit Kohlendioxid zu Methanol, Ethanol, Methan oder höhere Kohlenwasserstoffe sowie mit Stickstoff zu Ammoniak weiterverarbeitet werden. Kommt der Strom für die Elektrolyse von erneuerbaren Energiequellen, ist die Wasserstofferzeugung klimaneutral. Die einfach zu transportierenden und zu lagernden Kohlenwasserstoff-Verbindungen sind vielfach verwendbar, etwa als Brennstoffe in Verbrennungsturbinen und Brennstoffzellen zur Erzeugung von sekundärer Elektrizität, als Energiespeicher oder als Basischemikalien in der chemischen Industrie.

Obwohl die Verfahren zur Umsetzung von Wasserstoff mit Kohlendioxid seit vielen Jahrzehnten bekannt und erprobt sind, ist es keineswegs trivial, Methan oder Methanol in solch großen Mengen herzustellen, wie sie zur Energiespeicherung notwendig sind. "Es fehlt vor allem an den Grundlagen", sagt Schlögl. "Was im Labormaßstab funktioniert, muss noch lange nicht für Megatonnen funktionieren." Die Umsetzungen müssen so optimiert werden, dass die Ausbeute maximal wird und unerwünschte Nebenprodukte möglichst nicht entstehen.

Auf rare Elemente verzichten

Doch schon allein die elektrische Wasserspaltung stellt für die Chemiker noch immer eine große Herausforderung dar. Sechzig Prozent beträgt die Effizienz des Prozesses. Berücksichtigt man die gesamte Kette von der Erzeugung bis zur Verwertung, bleiben nur noch 20 bis 25 Prozent übrig. Zu wenig für die Massenproduktion. Zudem zersetzt sich mit der Zeit die Kohlenstoff-Elektrode mit dem Katalysator. Der Grund ist Wasserstoffperoxid, das bei der Elektrolyse entsteht. "Man kann zwar einen weiteren Katalysator verwenden, der das unerwünschte Molekül zersetzt. Will man es aber richtig machen, muss man die Zeit, in der das Wasserstoffperoxid entstehen kann, so kurz wie möglich halten", erklärt Schlögl den optimalen Lösungsweg. Doch dazu weiß man noch immer zu wenig von der Reaktionskinetik der Elektrolyse.

In einem neuen Institut in Mühlheim an der Ruhr will die Max-Planck-Gesellschaft nun derartige Fragen von den Grundlagen her angehen. So werden sich die Wissenschaftler des künftigen "Max-Planck-Instituts für chemische Energieumwandlung" unter anderem damit beschäftigen, wie sich Wasser mit Sonnenenergie effizient in Wasserstoff und Sauerstoff spalten lässt. Den Schlüssel zum Erfolg sieht Schlögl in der Entwicklung leistungsfähiger Katalysatoren. "Bisher werden für die Katalyse vor allem Platin, Ruthenium oder Iridium und andere seltene Erden verwendet, da sie sich während der Reaktion kaum verändern und so die Menge an Nebenprodukten gering halten", erklärt Schlögl. "Wir wollen bei unserer Forschung von Anfang an auf diese teuren und raren Elemente verzichten und auf andere Metalle wie Eisen, Kobalt, Nickel und Kupfer ausweichen." Doch deren ungünstige elektronische Eigenschaften behindern die optimale katalytische Wirkung. "Wir müssen uns die Elektronenhülle der Metalle zurechtzimmern - durch Nanostrukturierung, Legierungsbildung und Formgebung."

Dem Kohlenstoff wird dabei eine zentrale Rolle zukommen, ist sich Schlögl sicher, da er je nach molekularer Form - etwa als Graphen oder Nanoröhrchen - die unterschiedlichsten chemische Eigenschaften aufweisen kann. Schlögl schwebt eine elektrochemische Einheit vor, bei der beide Elektroden aus Kohlenstoff bestehen, in dessen Poren Metallpartikeln eingebaut sind. "Wir wollen gewissermaßen ein Kochbuch schreiben, wie sich Katalysatoren in großen Mengen, günstig und reproduzierbar herstellen und so maßschneidern lassen, dass man sie für alle katalytische Prozesse verwenden kann, etwa bei der Elektrolyse, in Batterien oder Brennstoffzellen." Dann hätte man den Schlüssel zur effizienten elektrischen- und stofflichen Energiespeicherung in der Hand, zumindest was die Grundlagenforschung anbelangt.

Noch ein weiter Weg

Anschließend wird man Reaktoren bauen und testen, ob die Konzepte auch in großem Maßstab über lange Zeiträume zuverlässig und unter realistischen Bedingungen funktionieren. Aber bis dahin ist es noch ein weiter weg, gibt sich Schlögl realistisch, der als Direktor des neuen Max-Planck-Institutes in Mühlheim im Gespräch ist. Mit dreißig Jahren wird man wohl mindestens rechnen müssen. "Uns fehlen noch die Grundlagen", sagt Schlögl. Woran es am meisten mangelt ist ein Analyseverfahren, mit dem man verlässlich die Eigenschaften und das Verhalten eines Katalysators voraussagen kann. "Solange müssen wir ausprobieren, und prüfen, ob unsere Ideen richtig sind."

Wenn das Zeitalter der erneuerbaren Energien hierzulande erblüht, werden womöglich nicht nur unzählige Windräder, riesige Flächen von Solaranlagen, gewaltige Pumpspeicherkraftwerke und ein leistungsfähiges Stromnetz die Landschaft verändert haben, auch an zahlreiche Energiespeicheranlagen so groß wie moderne Chemiefabriken wird man sich gewöhnen müssen. Der Lohn: der elektrische Strom wird nachhaltig und klimaneutral erzeugt.