Die Energiewende gehört zu den bedeutendsten Vorhaben, das in den kommenden Jahren ansteht. So haben auch auf der UN-Klimakonferenz in Paris in den vergangenen Wochen viele Akteure mit Interesse nach Deutschland geschaut. Ziel der Bundesregierung ist es, den Anteil erneuerbarer Energien bis zum Jahr 2025 im Strombereich auf 40 bis 45 Prozent und bis zum Jahr 2035 auf 55 bis 60 Prozent auszubauen. Die benötigten Kapazitäten sind im Übermaß vorhanden – zumindest im Durchschnitt. Allein Deutsche Offshore-Anlagen erzeugten 2014 bereits mehr als ein Gigawatt Strom. Das entspricht etwa der Leistung eines Atomkraftwerks. Bei Sturm müssen die Windräder oft außer Betrieb genommen werden, damit das Stromnetz nicht wegen Überlastung zusammenbricht. Die Herausforderung besteht darin, Sonne und Wind zu verlässlichen Energiequellen zu machen: Welche Möglichkeiten können genutzt werden, wenn Haushalte und Industriebetriebe gerade viel Energie verbrauchen, während Windstille herrscht und die Sonne nicht scheint? In erster Linie sind Speicher für Wind- und Sonnenenergie gefragt. Mit den Reserven darin ließen sich die Schwankungen zwischen Produktion und Verbrauch ausgleichen.
Um von Solar- und Windkraftanlagen erzeugte Elektrizität zu speichern, die erst später benötigt wird, sind Batterien gefragt. Ob Smartphone oder E-Fahrzeug: Leistungsfähige Akkus stehen schon seit Jahren im Fokus der Forschung. Bislang erweisen sich Lithium-Ionen-Akkus in der Praxis am leistungsstärksten. Neue Modelle speichern dreimal so viel Energie pro Gewicht wie die ersten kommerziellen Versionen zu Beginn der 1990er Jahre. Doch das Material ist teuer. Herstellung und Entsorgung herkömmlicher Batterien belasten zudem die Umwelt. In der Forschung werden derzeit bereits völlig neue Wege beschritten, an deren Ende auch Akkus zu Ökos werden könnten: Das Projekt der Forschungsgruppe „Elektrochemie der Batterien“ von Stefano Passerini und Daniel Buchholz am Helmholtz-Institut Ulm (HIU) etwa, nahm während eines Spaziergangs seinen Anfang.
„Wir sahen verrottende Äpfel auf einer Wiese und kamen auf die Idee, dass deren hoher Zuckeranteil diesen Biomüll für den Einsatz in einer Batterie prädestiniert“, erinnert sich der Wissenschaftler. Mit seinen Kollegen brachte er das alte Obst ins Labor. Durch chemische Prozesse entwickelten sie daraus ein kohlenstoffbasiertes Material für die negative Elektrode einer Batterie. „Diese Entdeckung stellt einen wichtigen Schritt zur nachhaltigen Nutzung und Verwertung von Ressourcen wie beispielsweise biologischer Abfälle dar“, betont Buchholz. Einer aktuellen Studie der Umweltstiftung WWF zufolge, landen in Deutschland jedes Jahr rund 18,4 Millionen Tonnen an Nahrung im Müll. Ein beträchtlicher Teil davon könnte uns künftig eine neue Form von Energie spenden.
PHOTOVOLTAIK IM SMART HOME
Im Smart Home kann jeder Haushalt über eine zentrale Steuerung sein gesamtes Energiemanagement optimieren. Erzeugung, Speicherung und Verbrauch werden aufeinander abgestimmt. Dafür legt man etwa die nächste geplante Abfahrt mit dem Elektroauto fest oder den Zeitpunkt, wann die Wäsche gewaschen sein soll. Das Smart Home erzeugt seinen Strom selbst, zum Beispiel mit einer Photovoltaikanlage auf dem Dach sowie einem Blockheizkraftwerk. Durch Kraft-Wärme-Kopplung lässt sich nicht nur der anfallende Strom, sondern auch die produzierte Wärme nutzen. Ein Elektrofahrzeug kann zeitweise auch als Pufferspeicher dienen, so wird der mittags produzierte Sonnenstrom auch in den Abendstunden nutzbar.
Hier spielt das Herzstück von Elektroautos wieder eine zentrale Rolle: die Batterien. Bislang sind diese ein monolithischer Block, in dem die einzelnen Batteriezellen sowie die nötige Technik untergebracht sind. Zwar sollten die einzelnen Zellen theoretisch alle gleich viel Energie speichern können. Herstellungsbedingt variieren ihre Kapazitäten aber. Das ist problematisch, da die Zellen in Reihe geschaltet sind. Die gesamte Batterie ist also nur so stark wie die schwächste Zelle. Die Hersteller sortieren daher vor und bauen jeweils Zellen ähnlicher Kapazität in eine Batterie. Da dabei einige Zellen aussortiert werden, treibt dies die Preise der Batterien in die Höhe. Ein weiteres Manko: Ist eine Zelle defekt, bleibt das Fahrzeug liegen. Dann heißt es, den kompletten Stromspeicher auszutauschen.
MODULARE BATTERIESYSTEME
Forscher am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart haben nun eine Alternative geschaffen. „Unser modulares Batteriesystem löst diese Probleme“, sagt Gruppenleiter Kai Pfeiffer. Der Trick: Jede Batteriezelle verfügt über einen eigenen integrierten Mikrocontroller, der relevante physikalische Parameter wie Temperatur und Ladezustand der Zelle erfasst. Jede Zelle kennt also ihren Zustand. Ist eine Zelle leer, während die anderen noch Energie gespeichert haben, muss das Auto nicht wie bisher stehenbleiben. Vielmehr klinkt sich die leere Batteriezelle einfach aus dem Verbund aus, sie leitet den Strom an sich vorbei. Die anderen liefern weiterhin Energie. Da sich eine Zelle mit geringerer Kapazität kaum auf die gesamte Reichweite des Autos auswirkt, brauchen die Hersteller diese nicht mehr vorzusortieren. Dies dürfte die Kosten deutlich senken.
Während sich bei der Versorgung mit erneuerbarer elektrischer Energie in den letzten Jahren schon sehr viel getan hat, steht die Energiewende im Wärmesektor noch in den Kinderschuhen. Doch deutlich mehr als die Hälfte der eingesetzten Energie in Deutschland wird in Form von Wärme benötigt. Allein der Hausbereich trägt zu etwa einem Drittel des gesamten Energiebedarfs in Deutschland bei. „Daher sind innovative Ansätze für den Wärmebereich notwendig“, betont Marc Linder Fachgebietsleiter „Thermochemische Systeme“ am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Das DLR betreibt eine Testanlage, in der der Baugrundstoff Kalk als Wärmespeicher eingesetzt wird.
