39 Wie kann Energie effizient, in hoher Dichte und dauerhaft gespeichert werden?
In den kommenden Jahren müssen wir fossile Energieträger durch erneuerbare Energien ersetzen. Eine Frage, die die Teilnehmenden am IdeenLauf interessiert, ist, welche Energiespeicher wir dafür in Zukunft brauchen. Sie möchten wissen, welche Anforderungen an neuartige Energiespeicher und Energieträger in großem, mittlerem und kleinem Maßstab gestellt werden müssen. Wie transportabel müssen sie sein? Und kann ein einziger Energieträger die unterschiedlichen Anforderungen erfüllen, oder brauchen wir verschiedene?
Einordnung:
Die fossilen Energieträger Kohle, Gas und Öl haben eine große Funktionalität: hohe Energiedichte, relativ einfache Lager- und Transportfähigkeit und weltweite Verfügbarkeit. Wenn sie wegen ihres negativen CO2-Fußabdrucks nun ersetzt werden sollen, benötigen wir neue Energiespeichermedien und -speicherverfahren. Diese müssen die oben genannten Eigenschaften unter weitgehender Vermeidung von CO2-Netto-Emissionen aufweisen. Dies gilt umso mehr in globaler Perspektive, wenn nicht nur die Energiewende in Westeuropa im Fokus steht, sondern weltweit Energie-Erzeugung, -Transport und -Nutzung in den Blick genommen werden.
Konkret geht es um folgende Eigenschaften bzw. Anforderungen: hohe Energiedichte im Verhältnis zu Volumen/Gewicht; möglichst einfache und verlustfreie Lagerfähigkeit; möglichst einfache und flexible Transportfähigkeit (vorzugsweise bei Nutzung vorhandener Transportinfrastrukturen; geringe umwandlungsbedingte Energieverluste (Energieeffizienz); geringe materielle Kosten (Kosteneffizienz).
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Ausblick
Nicht alle Eigenschaften, die fossile Energieträger wirtschaftlich interessant machen, lassen sich mit einem einzigen alternativen Speichermedium verwirklichen. In diesem Cluster ist deutlich geworden, dass neue wissenschaftlich-technologische Erkenntnisse für spezifische Einsatzbereiche nötig sind. Dafür lassen sich mindestens drei Einsatz- bzw. Suchfelder beschreiben:
- Energiespeicherung in großem Maßstab als Kompensation mangelnder Grundlastfähigkeit mancher regenerativer Energiequellen - zum Beispiel Windenergie, die bei Windstille nicht verfügbar ist. Dazu gehört auch der flexible, leitungsunabhängige Land- und vor allem Seetransport von Energieträgern.
- Energiespeicherung für die Energieversorgung bei stationärem, hohem Energiebedarf, z.B. für die Erzeugung von Prozesswärme in der Industrie, Gebäudeheizwärme und Heißwasser.
- Energiespeicherung in kleinem und mittlerem Maßstab für die mobile, leitungsungebundene Nutzung. Wichtige Einsatzfelder sind Kraftfahrzeuge, mobile Maschinen, Flugzeuge und Schiffe.
Insbesondere in Bezug auf die Energieeffizienz der Speicherverfahren macht dieses Cluster deutlichen Forschungsbedarf, aber auch großes Innovationspotenzial deutlich. Daraus resultiert auch die Frage für die Wissenschaft, wie die Effizienz der Herstellung mobiler Speichermedien deutlich gesteigert werden kann. Ziel müsste sein, die derzeitige Ineffizienz bei der Herstellung von Speichermedien bzw. bei der Umwandlung der Energieträger zu kompensieren (Beispiel: Es wird nur ein Liter E-Fuel statt drei Litern auf 100 km benötigt). Die Steigerung der Energieeffizienz ist für den Einsatz neuer Energieträger im Autoverkehr ebenso erforderlich wie im Lkw-, Flug- und Schiffsverkehr sowie beim Einsatz in energieintensiven stationären Anwendungen.
Autor: Dr. Christian Neuhaus