„Wir müssen bald mehr Energie speichern als jemals zuvor“Der Chemiker Michael Fröba erklärt die Energiespeichersysteme der Zukunft

9. Dezember 2019, von Christina Krätzig

Foto: Sebastian Engels

Der Chemiker Prof. Dr. Michael Fröba beschäftigt sich mit der Frage, wie die Energiewende gelingen kann.

Elektroauto oder PKW mit Wasserstoffantrieb, was ist die klimafreundlichere Alternative? Der Chemiker Prof. Dr. Michael Fröba erklärt die Vor- und Nachteile beider Technologien – und warum die Energiewende eine Revolution unserer Energiespeicher erfordert.

Der Wind weht, wann er will, und die Sonne scheint nur am Tag: Für Stromproduzenten ist das ein Problem. Sie können Strom nicht wie gewohnt in dem Moment erzeugen, in dem er gebraucht wird. Stattdessen müssen sie sich nach der Natur richten, günstige Momente nutzen und die Energie speichern. „Speicher in den erforderlichen Größenordnungen existieren jedoch bislang nicht“, erklärt Prof. Dr. Michael Fröba, der als Chemiker erforscht, wie die bisherigen Möglichkeiten verbessert werden können. Zudem vertritt er die Universität Hamburg in verschiedenen politischen Gremien, die die Energiewende in Norddeutschland vorantreiben sollen.

Fröba zählt Energiespeicher auf, an die man nicht so schnell denkt. Pumpspeicherwerke beispielsweise: Hochgelegene künstliche Seen, die mit Hilfe von vorhandenem Strom voll Wasser gepumpt werden. Fließt es wieder ab, treibt es Turbinen an. Thermische Speicher speichern hingegen Sonnenenergie; beispielsweise in Form von häusergroßen Wassertanks, welche Wärme monatelang halten können. Beide Technologien kommen in Deutschland bereits zum Einsatz, brauchen aber zu viel Fläche, um das Energiespeicherproblem zu lösen.

Mit einem Kilo Wasserstoff kann ein PKW hundert Kilometer weit fahren

„Batterien sind sehr effizient, aber für große Strommengen ungeeignet“, setzt Fröba die Liste fort. „Das sieht man schon an den Elektroautos: Ihre Ladekapazitäten und Reichweiten stoßen schnell an Grenzen.“ Ein weiter Nachteil seien die zum Teil schwer zu beschaffenden Rohstoffe.

Vielversprechender sei die Speicherung von Energie in chemischen Verbindungen, und zwar ganz besonders in Wasserstoff. „Ein sehr charmantes Element“, schwärmt der Chemiker. „Das erste im Periodensystem und das erste, das nach dem Urknall entstanden ist.“ Auf Grund seiner hohen Energiedichte reiche ein Kilogramm aus, um ein Auto 100 Kilometer weit fahren zu lassen. Ein Elektroauto brauche dafür eine 100 Kilogramm schwere Batterie.

Wasserstoff ist jedoch ein flüchtiges Gas, das auf der Erde in reiner Form nicht vorkommt. Es muss industriell hergestellt werden. Beispielsweise, in dem man Wassermoleküle mit Hilfe von Strom in Sauerstoff und Wasserstoff aufspaltet. „Wenn man dazu grünen Strom benutzt, hat man ihn sinnvoll gespeichert und keine Treibhausgase produziert“, sagt Fröba.

Es gibt nicht den einen Energiespeicher der Zukunft

Die chemischen Prozesse, bei denen Strom oder Wasserstoff gespeichert wird, finden an Oberflächen statt und sind umso effizienter, je größer die Oberflächen pro kg Material sind. Deswegen erforscht und entwickelt Prof. Fröba mit seinem Team u.a. nanoporöse Materialien, die aufgrund ihrer Löchrigkeit besonders große Oberflächen haben – wie Schwämme oder Schweizer Käse nur mit deutlich kleineren Löchern. Wird die Größe der Poren und die Eigenschaften des umliegenden Materials auf den jeweiligen Speicherprozess zugeschnitten, steigert dies Effektivität und Effizienz: in Batterien ebenso wie in Wasserstoffspeichern.

Da seine Forschung Wasserstoffspeicher ebenso wie Batterien verbessern kann, mag Fröba sich nicht an dem Streit darüber beteiligen, welche Technik die umweltfreundlichere sei. „Es hängt vom Einsatzzweck ab“, sagt er. „Wasserstoff ist besser geeignet, um schwere Fahrzeuge große Strecken weit zu bewegen. Wer hingegen mit dem PKW kurze Strecken fährt und nachts Zeit hat, die Batterien zu laden, für den sind Elektroautos die bessere Option.“ All das nütze jedoch nur, wenn der Wasserstoff ohne den Einsatz von fossilen Brennstoffen produziert werde und das E-Auto mit Ökostrom betankt werde, denn: „Wer aus Kohle produzierten Strom nutzt, tut nichts für die Umwelt und nichts für das Klima.“

Überblick: Vor- und Nachteile Elektroauto versus PKW mit Brennstoffzelle

Vorteile von Elektroautos mit Batterie	Nachteile von Elektroautos mit Batterie
Verschiedene PKW-Typen auf dem Markt Infrastruktur wird massiv ausgebaut Betanken geht auch zu Hause Hoher Wirkungsgrad, d.h. der investierte Strom wird recht gut verwertet	Geringe Reichweiten, vor allem wenn hohe Gewichte bewegt werden müssen Aufladen dauert lange, Schnellladung verringert den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Batterie Batterien enthalten seltene Rohstoffe aus Afrika und Südamerika, in einigen Minen herrschen teilweise menschenverachtende Arbeitsbedingungen
Vorteile von PKW mit Brennstoffzelle	Nachteile von PKW mit Brennstoffzelle
Größere Reichweiten (auch für Fahrzeuge mit hohem Gewicht wie LKW, Züge nd Schiffe) Benötigter Rohstoff: Wasser. Emittiert lediglich Wasser Schneller Betankungsvorgang	In Deutschland bisher kaum Infrastruktur Wasserstoff muss vorher erst erzeugt werden Edelmetalle sind zurzeit noch als Katalysatoren notwendig Wasserstoff wird mit sehr hohem Druck gespeichert, Fahrzeuge und Infrastruktur müssen dementsprechend ausgerüstet sein Geringerer Wirkungsgrad, Strom wird weniger gut verwertet kann auch aus Erdöl hergestellt werden, dabei entstehen Treibhausgase

Statement Prof. Dr. Michael Fröba zum Unterschied zwischen Kohle und Windenergie

Wasserstoff: Der politische Rahmen

Andere Länder machen es vor: Schweden, Norwegen und die Niederlande setzen schon stark auf Wasserstoff, auch Japan fördert den alternativen Kraftstoff. Deutsche Politiker ziehen erst langsam nach. Federführend ist im Moment der Norden: Die Regierungen der fünf nördlichen Bundesländer Hamburg, Schleswig-Holstein, Mecklenburg-Vorpommern, Niedersachen und Bremen haben Mitte 2019 die sogenannte „Norddeutsche Wasserstoffstrategie“ beschlossen. Die windreichen Bundesländer wollen eine europäische Vorreiterregion werden und experimentieren bereits mit Wasserstofffahrzeugen, beispielsweise verkehrt in Niedersachen ein Wasserstoffzug. Die Bundesländer haben die Bundesregierung aufgefordert, die neue Technologie besonders zu fördern. Mit der Anfang November präsentierten „Nationale Wasserstoffstrategie“ haben sich die Ministerien für Wirtschaft und Energie, für Verkehr und digitale Infrastruktur, für Bildung und Forschung und für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung ebenfalls für die Förderung dieser Technologie ausgesprochen: „Ziel ist es, Deutschland international zu einem Vorreiter bei grünem Wasserstoff zu machen und langfristig die Weltmarktführerschaft bei Wasserstofftechnologien zu erlangen und zu sichern“, heißt es darin. Die Ministerien stellen dafür in den kommenden drei Jahren 300 Millionen Euro dafür bereit.