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Alternative Energieträger und Speicher bewerten
Alternative Energieträger sollen fossile Brennstoffe ersetzen oder erneuerbare Energie zeitlich verfügbar machen. Entscheidend ist nicht nur, wie viel Energie ein System speichern kann: Auch Herstellung, Verluste, Speicherdauer, Transport, Sicherheit, Rohstoffe und Emissionen zählen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was ist ein alternativer Energieträger?
Ein Energieträger enthält Energie in einer Form, die sich später umwandeln und nutzen lässt. Kohle, Erdgas, Wasserstoff und Biomasse tragen beispielsweise chemische Energie. Elektrischer Strom wird im weiteren Sprachgebrauch ebenfalls als Energieträger bezeichnet.
Alternative Energieträger
Alternative Energieträger sind Möglichkeiten der Energiebereitstellung, die an die Stelle herkömmlicher fossiler Energieträger treten können. Dazu werden erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonnenstrahlung sowie daraus erzeugte chemische Energieträger wie Wasserstoff gezählt.
Die Begriffe werden nicht immer gleich verwendet. Im engen Sinn ist ein Energieträger ein Stoff, der Energie chemisch oder nuklear speichert. Wind und Sonnenstrahlung sind dann Energiequellen, aber keine stofflichen Energieträger. Im weiteren Sprachgebrauch werden auch sie als Energieträger bezeichnet.
Primär oder sekundär?
Primäre Energieträger beziehungsweise Energiequellen sind direkt aus der Natur verfügbar. Dazu gehören beispielsweise Kohle, Biomasse, Wind und Sonnenstrahlung.
Sekundäre Energieträger entstehen erst durch eine Umwandlung. Elektrizität und mit Elektrolyse erzeugter Wasserstoff sind Beispiele. Ihre Herstellung benötigt bereits Energie.
„Erneuerbar“ beschreibt die Herkunft einer Energiequelle. „Energieträger“ beschreibt, worin Energie für Nutzung oder Transport vorliegt. „Energiespeicher“ beschreibt ein System, das Energie aufnimmt und später wieder abgibt.
Warum braucht erneuerbare Energie Speicher?
Wind- und Solaranlagen erzeugen abhängig von Wind und Sonneneinstrahlung Strom. Energieangebot und Nachfrage stimmen deshalb zeitlich nicht automatisch überein. Ein Speicher nimmt Energie bei einem Überschuss auf und stellt sie später wieder bereit.
Mittags liefern Solaranlagen mehr Strom, als gerade benötigt wird. Ein Teil des Überschusses treibt eine Elektrolyse an. Dabei wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Die zugeführte elektrische Energie wird im Wasserstoff chemisch gespeichert.
Am Abend kann der Wasserstoff in einer Brennstoffzelle mit Sauerstoff umgesetzt werden. Dabei entstehen wieder elektrische Energie und Wärme; als Stoff entsteht Wasser. So wird Energie zeitlich verschoben.
Bei jeder Umwandlung geht ein Teil der eingesetzten Energie für die gewünschte Nutzung verloren. Deshalb gibt ein Speicher nicht die gesamte zuvor eingesetzte elektrische Energie zurück. Batterien erreichten in dem zugrunde liegenden Vergleich eine Stromrückgewinnung von etwa 80 bis 90 Prozent. Chemische Speicher können sich besser für große Energiemengen und lange Zeiträume eignen, verursachen bei der Rückgewinnung jedoch meist größere Verluste.
Eine hohe Stromrückgewinnung allein entscheidet nicht über die beste Lösung. Für wenige Stunden kann eine Batterie günstig sein, während für große Energiemengen über lange Zeit ein chemischer Speicher geeigneter sein kann.
Wie wird Wasserstoff zum Energiespeicher?
Wasserstoff ist keine frei verfügbare Energiequelle, wenn er erst mit Strom erzeugt werden muss. Er dient dann als chemischer Zwischenträger in einer Umwandlungskette.
- Erneuerbare Anlagen liefern elektrische Energie.
- Ein Elektrolyseur nutzt diese Energie, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.
- Der Wasserstoff wird gespeichert oder transportiert.
- Eine Brennstoffzelle setzt Wasserstoff mit Sauerstoff um und liefert elektrische Energie und Wärme.
Ein Elektrolyseur und eine Brennstoffzelle sind Energiewandler. Der Wasserstoff ist der Energieträger. Tanks, Kavernen oder andere Aufbewahrungssysteme bilden zusammen mit dem Energieträger den Speicher.
Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie eines laufend zugeführten Brennstoffs in elektrische Energie und Wärme um. Sie ist kein aufgeladener Vorrat wie ein Akku.
Stoff- und Energiebilanz
Bei der Elektrolyse entstehen aus Wasser die Stoffe Wasserstoff und Sauerstoff. Dafür muss elektrische Energie zugeführt werden. Bei der späteren Umsetzung entstehen aus Wasserstoff und Sauerstoff wieder Wasser sowie nutzbare elektrische Energie und Wärme.
Über den gesamten Kreislauf wird keine Energie erzeugt. Energie wird umgewandelt, gespeichert und teilweise wieder nutzbar gemacht. Die zurückgewonnene elektrische Energie ist wegen der Umwandlungsverluste kleiner als die zuvor eingesetzte.
Wasserstoff hat außerdem praktische Nachteile: Er ist flüchtig, schwierig zu speichern und zu transportieren und kann mit Sauerstoff ein entflammbares Gemisch bilden. Seine Klimawirkung hängt wesentlich davon ab, mit welcher Energie er hergestellt wird.
Welche chemischen Alternativen gibt es?
Wasserstoff kann direkt genutzt oder in andere chemische Energieträger umgewandelt werden. Jede weitere Umwandlung kann Transport und Handhabung erleichtern, benötigt aber Energie und bringt eigene Risiken mit sich.
| Energieträger | Herstellung oder Voraussetzung | möglicher Nutzen | wichtige Nachteile |
|---|---|---|---|
| Wasserstoff, H₂ | Elektrolyse mit Strom | Brennstoffzelle, Gasturbine, chemische Industrie, Stahlerzeugung | schwieriger Transport, Flüchtigkeit, Entflammbarkeit, Umwandlungsverluste |
| Ammoniak, NH₃ | benötigt Wasserstoff; großtechnische Herstellung möglich | Ferntransport per Schiff, Einsatz in Gasturbinen | giftig, reaktionsträge; mögliche Emissionen von NO, NO₂ und N₂O |
| Methan, CH₄ | benötigt Wasserstoff und eine Kohlenstoffquelle | Transport, Gasturbine, chemische Industrie | Methan ist ein Klimagas |
| Methanol, CH₃OH | benötigt Wasserstoff und eine Kohlenstoffquelle | Brennstoffzelle, möglicher Ersatz für Dieselkraftstoff, chemische Industrie | zusätzliche Herstellungsschritte und damit verbundene Verluste |
Auch Eisen wird als chemischer Langzeitspeicher untersucht. Bei einer CO₂-freien Reduktion wird Energie eingespeichert. Durch eine CO₂-freie Oxidation wird sie wieder ausgespeichert. Eisen ist langfristig lagerfähig, nicht giftig und gut verfügbar. Für eine Gesamtbewertung fehlen in der Grundlage jedoch konkrete Vergleichswerte zu Kosten, Gesamtwirkungsgrad und großtechnischer Skalierung.
Batterien bilden eine andere Gruppe von Speichern. Redox-Flow-Batterien benötigen wegen der geringen Energiedichte große Tanks und eignen sich vor allem für ortsfeste Anwendungen. Lithium-Ionen-Batterien besitzen eine höhere Energiedichte und eignen sich auch für mobile Anwendungen. Keine dieser Techniken erfüllt alle Anforderungen am besten.
Wie triffst du ein begründetes Urteil?
Bewerte nicht nur den Energieträger als Stoff, sondern das gesamte System von der Herstellung bis zur Nutzung.
- Zweck klären: Soll Energie für Stunden, Monate, ein Fahrzeug oder einen Industriestandort gespeichert werden?
- Herstellung prüfen: Welche Ausgangsstoffe und welche Energie werden benötigt?
- Umwandlungskette verfolgen: Wie oft wird Energie umgewandelt und wo entstehen Verluste?
- Speicherung und Transport untersuchen: Welche Behälter, Leitungen oder Sicherheitsmaßnahmen sind nötig?
- Nutzung betrachten: Wird wieder Strom benötigt oder kann der Stoff direkt in Industrie oder Verkehr eingesetzt werden?
- Folgen abwägen: Welche Emissionen, Risiken, Rohstoffe, Lebensdauern und technischen Grenzen gibt es?
Aufgabe: Vergleiche eine Batterie mit erneuerbar erzeugtem Wasserstoff für zwei Anwendungen: den Ausgleich einer Schwankung von wenigen Stunden und die Speicherung sehr großer Energiemengen über längere Zeit.
Lösung: Für wenige Stunden spricht die hohe Stromrückgewinnung von etwa 80 bis 90 Prozent für die Batterie. Ihre begrenzte Lebensdauer und die für große Kapazitäten benötigten Materialien müssen trotzdem berücksichtigt werden.
Für große Energiemengen über längere Zeit kann Wasserstoff geeigneter sein. Er lässt sich chemisch speichern und außerdem industriell nutzen. Dagegen sprechen höhere Umwandlungsverluste sowie Schwierigkeiten bei Lagerung, Transport und Sicherheit. Das Urteil hängt deshalb vom Einsatzzweck ab.
Die beste Technik ist nicht die mit einem einzelnen Spitzenwert, sondern diejenige, deren Eigenschaften zum konkreten Einsatzzweck passen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Alternative Energieträger und Speicher
- Begriffe
- Energieträger, Speicher und Wandler unterscheiden
- primär und sekundär unterscheiden
- Wasserstoffkette
- erneuerbarer Strom und Elektrolyse
- Speicherung und spätere Nutzung
- Alternativen
- Ammoniak, Methan und Methanol
- Batterien und Eisen
- Bewertung
- Einsatzzweck und Speicherdauer
- Verluste, Sicherheit, Rohstoffe und Emissionen
- Begriffe
Abschluss-Check
Du kannst eine Speichertechnik nun begründet beurteilen, wenn du drei Fragen beantwortest: Was trägt die Energie? Was wandelt sie um? Und welche Lösung passt unter Berücksichtigung der gesamten Kette zum Einsatzzweck?