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Lindau 2017 : Der erste Hauptsatz der Energierevolution

Batterien können die mit Windkraft erzeugte elektrische Energie für einige Zeit speichern. Bild: Visdia/Thinkstock and Akiyoko/Thinkstoc, harvard.edu

Lasst die Batterien sprechen: Nach dem Lindauer Klimamanifest vor einem Jahr suchen jetzt Chemiker nach Lösungen für eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts.

          Die Energiewende ist in Deutschland eine beschlossene Sache, an der kaum mehr zu rütteln ist. Die „kleine“ Variante mit der Abschaltung aller Kernkraftwerke bis 2022 lässt sich nach Meinung von Experten noch vergleichsweise einfach verwirklichen. Notwendig sind vor allem der gezielte Ausbau der Stromnetze und der Ausbau der erneuerbaren Energiequellen, insbesondere Windkraft- und Photovoltaikanlagen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Wesentlich größere Herausforderungen stellen sich aber mit der „großen“ Energiewende, wenn bis zum Jahr 2050 mindestens 80 Prozent der Stromversorgung von den erneuerbaren Energiequellen kommen sollen und man den CO2-Ausstoß gegenüber 2010 um 80 Prozent reduzieren will. Dazu braucht es vor allem effiziente Verfahren, um den Strom, den Wind und Sonne liefern, länger zu speichern und so die mit den erneuerbaren Energiequellen verbundenen Fluktuationen abzufedern. Hier ist die chemische Forschung verstärkt gefragt, effiziente praxistaugliche Verfahren zu entwickeln.

          Energiekonzept mit unwirtschaftlicher Bilanz

          Um erneuerbare Energien im großen Maßstab für größere Zeiträume zu speichern, sind stoffliche Speicher besonders geeignet. Die elektrische Energie wird in den chemischen Bindungen gespeichert. Kohlenwasserstoffe sind die besten Stoffe dafür, da sie die größten Energiedichten aufweisen. Nur werden sie noch immer vor allem aus Erdöl gewonnen. Man verfolgt aber das Ziel, Kohlenwasserstoffe – insbesondere Methan und Methanol – in großem Maßstab aus Wasserstoff und Kohlendioxid unter Nutzung regenerativer Energiequellen herzustellen. Dabei greift man noch immer auf Verfahren zurück, die man seit rund hundert Jahren kennt.

          In einigen aktuellen Pilotprojekten wird die Leistungsfähigkeit dieser „Power-to-Gas/Liquid-Techniken“ großtechnisch getestet. Der Wasserstoff stammt dabei aus der Elektrolyse von Wasser, das Kohlendioxid wird idealerweise den Abgasen fossiler Kraftwerke entnommen. Die elektrische Energie könnte schließlich über Rückverstromung von Methan gewonnen werden – ein aufwendiger Kreislauf, der sich immer noch nicht rechnet. Denn jeder Reaktionsschritt erzeugt Verluste und mehr Kosten. Besser wäre es also, direkt beim Wasserstoff zu bleiben.

          Kopfzerbrechen bereitet vor allem das Kohlendioxid. Das Gas ist äußerst stabil und daher reaktionsträge. Nur mit hohen Temperaturen lässt es sich durch Reduktion mit Wasserstoff zu Methan oder Methanol umwandeln. Ideal wären eine Prozesstemperatur von milden fünfzig Grad. Doch derzeit ist noch kein entsprechendes Verfahren in Sicht, das auch in großem Maßstab zuverlässig funktioniert. Wer hier einen Königsweg findet, für den dürfte der Nobelpreis winken. Einen anderen Weg, um Kohlenwasserstoffe regenerativ herzustellen, haben Forscher von der University of Illinois vorgeschlagen. Sie spalten mit Solarstrom über Elektrolyse Wasser und reduzieren Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid. Als Endprodukt erhalten sie ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Das Synthesegas lässt sich direkt verbrennen. Man kann damit aber auch einfache Alkohole oder Methan, Benzin oder Diesel gewinnen. Allerdings beläuft sich der Wirkungsgrad unter Laborbedingungen noch auf wenige Prozent.

          Die Speicherlösung zum Greifen nah?

          Als Alternative zu den stofflichen Speichern bieten sich leistungsfähige Batterien an, von denen die Redox-Fluss-Batterien derzeit die vielversprechendsten Kandidaten sind. Weil hier die Energie in zwei getrennten Tanks mit Elektrolyt-Lösungen gespeichert wird, können Fluss-Batterien auch größere Energiemengen über einen längeren Zeitraum vorhalten. Allerdings haben diese elektrochemischen Speicher den Nachteil, dass sie meist hochwertige und damit teure sowie umweltschädliche Materialien benötigen, was einer breiten Anwendung im Wege steht. So werden als Elektrolyte in aggressiven Säuren gelöste Salze und Edelmetalle verwendet.

          Mit preiswerten und leicht zugänglichen Chemikalien, die gut in Wasser löslich sind, versucht man der Redox-Flow-Batterie zum Durchbruch zu verhelfen. So experimentieren Chemiker von der Harvard University in Cambridge mit Elektrolyten aus nicht giftigen organischen Substanzen wie Chinonen – die man auch in Blüten findet – und Ferrocyanid, einem Lebensmittelzusatz, der als Rieselmittel für Kochsalz dient.

          Dass man auch Kunststoffe, die in einer Salzlösung gebunden sind, als Elektrolyte in einer Redox-Flow-Batterie nutzen kann, haben vor zwei Jahren Chemiker der Universität Jena gezeigt. Die Polymere sind mit funktionalen Einheiten versehen, die Elektronen aufnehmen oder abgeben können. Die Partikeln schwimmen in einer wässrigen Kochsalzlösung. Zum Trennen der unterschiedlich geladenen Polymer-Salz-Elektrolyten verwenden die Forscher eine einfache Zellulose-Membran. Bis zu zehntausend Lade- und Entladezyklen durchlief die Jenaer Fluss-Batterie, ohne nennenswert an Kapazität zu verlieren.

          Nun soll der Ansatz der Jenaer Forscher den Praxistest bestehen. In Oldenburg will der regionale Energieversorger EWE eine Pilotanlage bauen, mit der die Energie aus den zahlreichen ostfriesischen Windkraftanlagen in großen unterirdischen, mit Sole und Polymeren gefüllten Salzkavernen gespeichert wird. Die Batterie soll von 2023 an 120 Megawattstunden an Strom speichern können. Eine Vorstufe soll diesen Herbst in Betrieb gehen. Die Elektrolyten werden hier noch überirdisch in Tanks aufbewahrt.

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