Umweltbewusst leben

Akkumulatoren: Die Zukunft des Energiespeicherns

Immer mehr Kleinproduzenten erzeugen Strom aus Wind- und Solarenergie. Um diesen besser speichern zu können, sind neuartige Akkumulatoren gefragt.

In westlichen Ländern erinnert fast nur noch die Ladestandsanzeige des Smartphones ab und zu daran, dass die permanente Verfügbarkeit von Energie nicht selbstverständlich ist. Da mit dem Stromverbrauch der Kohlendioxidausstoß wächst, geht der Trend heute zu erneuerbaren Energiequellen. Doch zum einen sind Wind und Sonne nicht unterbrechungsfrei nutzbar und zum anderen ist das Speichern von Strom immer noch aufwendig und teuer. Damit Letzteres sich ändert, arbeiten zahlreiche Forscher an der Entwicklung neuer und besserer Akkumulatoren.

Denn effektivere Speichermöglichkeiten stellen den Schlüssel zum Durchbruch von Solar- und Windenergie dar, wie auch Bill Gates in seinem Annual Letter für 2016 unterstreicht. Der Microsoft-Gründer wünscht sich darin nicht weniger als ein Energiewunder für die Menschheit. Denn der freie Zugang zu günstigen und vor allem sauberen Energiequellen sei eine wichtige Voraussetzung dafür, dass auch ärmere Länder am Wohlstand teilhaben könnten. Die heute verfügbaren Energiespeicher seien allerdings noch zu unhandlich und teuer: „Um so viel Elektrizität zu speichern, dass sich damit alle Geräte eines Haushalts eine Woche lang betreiben ließen, wäre ein riesiger Akku nötig – und dieser würde die Stromrechnung verdreifachen.“ Gates rief daher Nachwuchsforscher dazu auf, möglichst viele und auch ungewöhnliche Ideen zu entwickeln.

Die Kraft der Sonne im Eis speichern

Besonders den letzten Aspekt scheint sich das kalifornische Unternehmen Ice Energy schon vor Gates‘ Aufruf zu Herzen genommen zu haben. Denn der Wärmespeicher Ice Bear setzt die Energie der Sonne nicht wie herkömmliche Akkumulatoren in chemische Form um, sondern macht daraus Eis. Dabei wird der Inhalt eines 1.700-Liter-Wassertanks mittels Strom – der zum Beispiel von Solarzellen erzeugt werden kann – eingefroren. Steigen in den heißen Mittagsstunden Kaliforniens der Stromverbrauch und damit die Kosten durch Klimaanlagen, schaltet der Ice Bear Letztere ab und übernimmt mit seinem Eisspeicher die Kühlung der Gebäude. Während die Ladekapazität herkömmlicher Akkus im Laufe der Zeit abnimmt, bleibt sie beim Ice Bear für mindestens 20 Jahre stabil. Allerdings sind die Einsatzmöglichkeiten des Geräts in vielen Gegenden auf die Sommermonate begrenzt und die gespeicherte Energie lässt sich nicht als Strom wieder ins Netz einspeisen.

Das ist beim Crescent Dunes Solar Energy Project in der Wüste Nevadas anders. Die Anlage des Unternehmens SolarReserve besteht aus 10.347 großen Spiegeln, sogenannten Heliostaten, die kreisförmig um einen 195 Meter hohen Turm angeordnet sind. Sie bündeln das Sonnenlicht auf der Spitze des Turms, um dort ein flüssiges Salz auf 565 Grad Celsius zu erhitzen. Das Salz fließt dann durch Röhren in einen wärmeisolierten Behälter, wird dort gespeichert und kann dann bei Bedarf genutzt werden, um Dampf zu erzeugen und damit einen Generator anzutreiben. Auf diese Weise lässt sich noch bis zu zehn Stunden nach Sonnenuntergang Strom erzeugen.

Bei voller Auslastung liefert die 997 Millionen US-Dollar (circa 900 Millionen Euro) teure Anlage laut SolarReserve-Geschäftsführer Kevin Smith genug Energie, um damit 75.000 Haushalte in Nevada zu versorgen. „Wir glauben, dass wir damit wirklich einen Durchbruch beim Speichern von Energie erzielt haben und würden diese Technik gerne weltweit einsetzen“, sagt Smith. Allerdings schlagen sich die hohen Baukosten in einem Strompreis von 13,5 US-Cent (circa 12 Euro-Cent) pro Kilowattstunde nieder. Künftige Projekte sollen zwar durch die beim Bau gesammelten Erfahrungen günstiger ausfallen, aber für ein Problem gibt es noch keine richtige Lösung: In den Hitzestrahlen der Spiegel sterben immer wieder Vögel.

Solarstrom in Druckluft umwandeln

Diese Schwierigkeiten hat das kalifornische Start-up LightSail Energy nicht. Denn statt selbst Energie zu produzieren, speichert es den durch andere erzeugten Solarstrom in einem 7,6 Meter hohen Druckluftbehälter. „Elektrische Energie lässt sich nur sehr schwer speichern – Druckluft hingegen hält sich problemlos über Stunden oder sogar Tage“, erklärt Geschäftsführer Steve Crane. Das durch die ehrgeizigen Energieziele Kaliforniens ausgelöste Wachstum der Solarbranche in der Region hat dafür gesorgt, dass Anfang dieses Jahres so viel Strom ins Netz eingespeist wurde, dass die Behörden um einen vorläufigen Stopp baten. Stattdessen sollten Unternehmen die von ihnen produzierte Energie zwischenspeichern, um sie erst bei erhöhtem Bedarf ans Netz abzugeben.

LightSail speichert den Strom in Form von Druckluft.
LightSail speichert den Strom in Form von Druckluft. Gif: Light Sail Energy – Our approach (Screenshots)

LightSail Energy will mit seiner Technik eine Lösung für diese Herausforderung bieten: Mit dem überschüssigen Strom lässt sich eine riesige Pumpe antreiben, die die Luft im Druckbehälter auf das 200-Fache zusammenpresst. Wird dann wieder Strom benötigt, lässt sich mit der komprimierten Luft ein Generator antreiben. Die dabei entstehende Abwärme kann bisher zwar nur teilweise wieder aufgenommen und gespeichert werden. Wenn die Technik aber künftig über das Entwicklungsstadium hinaus ist, könnte sie laut Crane günstiger und haltbarer als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus sein, die immer noch als Standard in den meisten mobilen Geräten stecken. „Besitzer von Laptops und Mobiltelefonen wissen, dass nach zwei oder drei Jahren die Leistung des Akkus deutlich nachlässt.“

Akkumulatoren auf Basis organischer Verbindungen

Um dieses bekannte Problem in den Griff zu bekommen, gibt es aber noch eine Reihe weiterer Konzepte. So hat eine Forschergruppe der Universität Harvard eine Flüssigbatterie entwickelt, die auf Basis von Chinonen funktioniert. Das sind kleine organische Moleküle, mit denen zum Beispiel die Rhabarberpflanze Energie speichert. Genau wie die Chinonen sind auch die anderen eingesetzten Substanzen im Gegensatz zu den in herkömmlichen Akkumulatoren vorhandenen Chemikalien günstig, ungiftig und nicht brennbar.

Zwar ist die Speicherleistung der Flüssigbatterie im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus eher gering, doch lassen sich die Tanks, die die stromspeichernden Elektrolytflüssigkeiten enthalten, beliebig vergrößern. Damit erhält die Flüssigbatterie genügend Kapazität, um den überschüssigen Strom aus Wind- und Solaranlagen zwischenzuspeichern. „Deutschland hat bereits so viele erneuerbare Kraftwerke gebaut, dass nun große Speicher dringend benötigt werden, um das Stromnetz zu stabilisieren“, erklärt Roy Gordon aus der Harvard-Forschergruppe. Das Freudenstadter Unternehmen Schmid Energy Systems hat die Technik lizensiert und stellt diese nun auch Privatanwendern zur Verfügung.

Mit seinen Akkumulatoren will Tesla den Energiemarkt revolutionieren.
Mit seinen Akkumulatoren will Tesla den Energiemarkt revolutionieren. Bild: Tesla Motors – Powerwall

Allerdings wird sie sich gegen die Offensive von Tesla-Chef Elon Musk durchsetzen müssen. Dieser bezeichnete alle momentan verfügbaren Speicherlösungen als Unfug und strebt mit seiner Powerwall „eine Revolution des Energiemarkts“ an. Als größten Vorteil seines klassischen Lithium-Ionen-Akkus für den Hausgebrauch hebt er den günstigen Preis von rund 3.000 US-Dollar (circa 2.660 Euro) hervor. An der Hauswand oder im Keller installiert und an eine hauseigene Photovoltaikanlage angeschlossen, reicht seine Kapazität aus, um einen Vier-Personen-Haushalt in den Abendstunden mit Energie zu versorgen.

Ans Stromnetz angebunden, lässt sich die Powerwall außerdem als Schwarm-Strom-Speicher nutzen: Statt die durch Wind- und Solarkraft erzeugte Energie zentral in Kraftwerken zu speichern, übernehmen diese Aufgabe die Nutzer selbst. Um die im Laufe der Zeit nachlassende Speicherkapazität auszugleichen, verfügen die Akkumulatoren über eine zehnjährige Garantie. Vergleiche mit Konkurrenzprodukten und Preisen von Ökostromanbietern zeigen, dass die Powerwall tatsächlich zu den günstigsten Lösung gehören könnte, die bislang auf dem Markt zu finden sind. Um diesen Vorsprung auch in naher Zukunft zu sichern, hat Musk für diesen Sommer eine noch leistungsstärkere Version angekündigt: die Powerwall 2.0.

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