Energietechnik

Jetzt fährt auch die Formel 1 auf Hybrid ab. Aber Energie speichern ist kompliziert und kostspielig – neue Techniken helfen sparen.

Alle Welt fordert erneuerbare Energien – aber es ist keineswegs damit getan, einfach Windräder aufzustellen oder Solardächer zu bauen. Ohne Speicher, die den gewonnenen Strom »aufbewahren« können, würde Öko ein Traum bleiben. Denn die Natur liefert Energie nicht so kontinuierlich, dass sich damit die sogenannte Grundlast eines Landes decken ließe. Der Strom für unsere Computer, U-Bahnen und Kühlschränke muss jederzeit verfügbar sein.

Aber der Wind will nicht immer so, wie wir wollen. Bei aufziehendem Sturm ernten die Strom-Müller zu viel Elektrizität, bei Flaute zu wenig. Auch wenn der Wind nicht weht, die Stromnachfrage bleibt – dann hat man ein ernsthaftes Versorgungsproblem. Gleiches gilt für die Solarenergie. Wenn die Sonne scheint, wird wenig verbraucht, aber zu viel Strom erzeugt. Nach Sonnenuntergang herrscht Ebbe in der Leitung, jetzt springen die »Schattenkraftwerke« an, um den notwendigen Strom zu liefern. Und das sind konventionelle Kraftwerke, die mit Kohle, Gas, Öl befeuert werden. Eigentlich ein Unding, denn der CO2-Ausstoß soll doch reduziert werden.

Um genau das zu gewährleisten, gehört die Entwicklung neuer Speichertechniken zu den dringendsten Problemen der Energiebranche. Nur wenn man Strom auch speichern kann, fließt die erneuerbare Energie kontinuierlich. Fieberhaft suchen die Stromkonzerne nach neuen Ideen, wie sie den rasanten Ausbau der Öko-Energien durch die Bereitstellung von Speichern absichern können.

Und der Ausbau wird sich weiter beschleunigen. In den nächsten 20 Jahren will beispielsweise der Energiekonzern Eon den Anteil der Erneuerbaren auf fast ein Viertel seines gesamten Energiemixes verdoppeln. Der Kraftwerksbetreiber hat einen Forschungspreis ausgelobt und Stiftungsgelder an Universitätsinstitute und Forschungseinrichtungen verteilt, damit sie sich am Ideenwettbewerb beteiligen.

Die bisher vorliegenden Resultate dieses internationalen Brainstormings muten für den Laien teilweise exotisch an, sind aber wissenschaftlich durchaus ernst gemeint. Dabei schlagen die Forscher sehr unterschiedliche Wege der Speicherung ein – denn elektrische Energie kann man indirekt (etwa als Wärmeenergie) und direkt (in Batterien, Akkus und Kondensatoren) speichern.

Wie die indirekte Methode funktionieren kann, lässt sich an der Wasserkraft zeigen. Beispiel: das Walchenseekraftwerk am Fuß der bayerischen Alpen. Vom Walchensee schießt das Wasser durch 450 Meter lange Rohre gut 200 Meter nach unten in den Kochelsee; dabei treibt es Turbinen an, die Strom erzeugen. Wenn gerade nur wenig Strom in den Haushalten benötigt wird, nutzt man die elektrische Energie auch, um das Wasser in den Walchensee zurückzupumpen. Dadurch bleibt das Reservoir gefüllt, das gespeicherte Wasser steht wieder zur Energiegewinnung bereit. In den Alpen und in den Mittelgebirgen gibt es etliche Wasserkraftwerke – das Potenzial der Wasserkraft ist jedoch ausgereizt.

In Niedersachsen läuft seit 1978 zur Zufriedenheit des Betreibers eine andere Technik. Im Druckluftspeicherkraftwerk bei Elsfleth-Neuhuntdorf zwischen Oldenburg und Bremen ist das Medium der indirekten Energiespeicherung nicht Wasser, sondern Luft. In Zeiten geringer Nachfrage muss das Überangebot aus dem nahe gelegenen Atomkraftwerk Unterelbe abgenommen werden, denn die für die Grundlast verantwortlichen AKWs lassen sich nicht so einfach runter- und rauffahren. Der überschüssige Strom treibt Kompressoren an, die angesaugte Umgebungsluft verdichten und sie in zwei ausgewaschene unterirdische Salzstöcke in 800 Meter Tiefe pressen. Steigt der Strombedarf wieder, springt eine Gasturbine an – gleichzeitig schießen mit ohrenbetäubendem Pfeifen 72 000 Tonnen Druckluft aus dem Reservoir in die Gasturbine. Der zusätzlich eingeblasene Sauerstoff verbessert die Verbrennung in der Turbine, die den Generator antreibt.

Solche Anlagen, die in den 1970er Jahren unter dem Eindruck der Ölkrise und der Warnungen des Club of Rome errichtet wurden, haben einen Wirkungsgrad von nur 56 Prozent.

Künftige Druckluftspeicherkraftwerke sollen die hineingesteckte Energie zu 70 Prozent nutzen, indem sie auch die beim Komprimieren der Luft anfallende Wärme umwandeln. Um die Unabhängigkeit von fossilem Brennstoff zu verringern, arbeiten Eon und der amerikanische Elektroriese General Electric an einem Kraftwerk, bei dem die eingepresste Luft nicht eine Gasturbine befeuert, sondern eine Luft-Turbine antreibt. Weiter gehen die Ideen britischer Forscher von der Universität Nottingham. Sie wollen den überschüssigen Strom der Offshore-Windräder auf hoher See nutzen. Auch sie setzen auf komprimierte Luft: Sie soll in elastische Kissen gepresst und am Meeresboden verankert werden.

Dass man Energie als Wärme speichern kann, wussten schon unsere Vorfahren. Im Lagerfeuer aufgeheizte Steine oder Großmutters kupferne Bettflasche sorgten in Winternächten für wohlige Wärme unter der Decke. Im Prinzip kann man auch Strom als Wärme speichern und dann die thermische wieder in elektrische Energie umwandeln. Das geschieht in Anlagen mit dafür geeigneten Salzen und Metallverbindungen, die als Speicher dienen. Werden spezielle Flüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt durch die Salze geleitet, findet ein Wärmeaustausch statt: Die Flüssigkeit nimmt die Wärme auf, verdampft und treibt Dampfturbinen an. Nachteil der Methode: Der Aufwand ist hoch, der Wirkungsgrad mit rund 40 Prozent gering.

Wesentlich effektiver ist die direkte Stromspeicherung per Kondensatoren. Sie lassen sich in wenigen Minuten laden, können starke Ströme speichern und haben eine sehr große Leistungsdichte. Und weil in ihrem Inneren keine chemischen Prozesse stattfinden, altern sie nicht. Solche langlebigen, als Super-Caps bezeichneten Kondensatoren sind in elektrische Lokomotiven und Straßenbahnen eingebaut. Sie speichern den Strom, der beim Bremsen anfällt: Wenn der Elektromotor nicht zum Antrieb benutzt wird, sondern zum Bremsen, mutiert er zum Generator und erzeugt – zusätzlich zur Energie aus der Oberleitung – Strom zum Fahren. Weil Super-Caps allein sehr schnell leer sind, eignen sie sich nicht für längere Fahrten unter Strom. Im Kurzzeitbereich jedoch können sie wie ein Turbo wirken – in der Formel 1 dürfen sie jetzt für 6,6 Sekunden pro Runde die Leistung steigern. Sieht der Fahrer auf dem Display, dass der elektrische Speicher voll ist, kann er blitzschnell zusätzliche 82 PS Schub abrufen.

Wer sich längere Zeit vom elektrischen Strom treiben lassen will, kommt an aufladbaren Akkumulatoren nicht vorbei. Derzeit arbeiten überall auf der Welt Forscher unter Hochdruck an besseren und neuen Akku-Konzepten. Nahezu alle basieren auf der chemischen Speicherung der elektrischen Energie; die bekanntesten Typen sind Blei- oder Lithium-Ionen-Akkus. Sie können als kleine elektrische Speicherkraftwerke genutzt werden. Vor allem dort, wo kein Stromnetz vorhanden ist: In Wochenendhäusern oder auf Booten liefern Solarzellen den Strom und halten ihn in Akkus fest, bis er gebraucht wird.

Den größten Stromspeicher der Welt planen Forscher schon jetzt für die Zeit, wenn Elektroautos und Brennstoffzellen-Fahrzeuge Alltag sein werden. Nachts, wenn wenig Strom verbraucht wird und die Atomkraftwerke dennoch mit Grundlast laufen müssen, werden die Akkus der Autos aus der Steckdose geladen bzw. der Wasserstoff für die Brennstoffzelle getankt. Sind die Fahrzeuge am nächsten Tag betriebsbereit, werden aber nicht genutzt, sollen sie weiter am Netz hängen bleiben: Dann können ihre Akkumulatoren und Brennstoffzellen den Strom bereitstellen, den Computer und Klimaanlagen in unseren Häusern verbrauchen. Was lediglich das Risiko mit sich bringt, dass kein Strom mehr im Speicher ist, wenn man mal später ins Büro fährt.

Aber der beste und größte Stromspeicher taugt nichts, wenn das Stromnetz zu doof ist, um Leistungsverluste zu vermeiden. Bessere Software bei den Netzbetreibern soll deshalb künftig verhindern, dass weltweit weiterhin so viel Elektrizität verloren geht, wie Deutschland, Kanada und Indien zusammen verbrauchen. Mithilfe digitaler Intelligenz erhofft sich der weltgrößte IT-Dienstleister IBM, den Stromfluss vom Kraftwerk bis zur Steckdose steuern zu können. Eine gigantische logistische Herausforderung. Denn die Software soll entscheiden, ob beim Einschalten des elektrischen Rasierapparates in der Früh das Wasserkraftwerk in Nordnorwegen, ein französischer Atommeiler in Cattenom, das Braunkohlekraftwerk in Weisweiler oder das Solarpanel vom Nachbarn den notwendigen Strom liefert.