Alternative Energieträger und Speicher bewerten

Ein Energieträger enthält Energie in einer später nutzbaren Form. Kohle, Erdgas, Wasserstoff und Biomasse tragen chemische Energie; elektrischer Strom heißt im weiteren Sprachgebrauch ebenfalls Energieträger. Im engen Sinn ist ein Energieträger ein Stoff, der chemische oder nukleare Energie speichert. Wind und Sonnenstrahlung sind dann Energiequellen, keine stofflichen Energieträger. Im weiteren Sprachgebrauch werden auch sie Energieträger genannt.

Kohle und Biomasse sind primäre Energieträger: Sie sind direkt aus der Natur verfügbar. Wind und Sonnenstrahlung sind ebenfalls primäre Energiequellen, aber keine Stoffe. Strom und mit Elektrolyse erzeugter Wasserstoff sind sekundäre Energieträger: Sie entstehen erst durch Umwandlung, für die Energie nötig ist.

Wind- und Solaranlagen liefern je nach Wetter unterschiedlich viel Strom. Ein Speicher nimmt Energie bei Überschuss auf und gibt sie später wieder ab. Jede Umwandlung verursacht Verluste für die gewünschte Nutzung. Große Batteriespeicher geben typischerweise etwa 80 bis 90 Prozent des eingespeicherten Stroms zurück (Beispiel: US-Netzbatterien 2019 im Mittel 82 %, EIA 2021); der genaue Wert hängt von System und Betrieb ab. Chemische Speicher können für große Mengen und lange Zeiträume geeigneter sein, haben bei der Rückgewinnung aber meist größere Verluste. Für wenige Stunden kann eine Batterie günstig sein; über lange Zeiten kann ein chemischer Speicher besser passen.

Wasserstoff ist keine frei verfügbare Energiequelle, wenn er erst mit Strom erzeugt wird. Er ist dann ein chemischer Zwischenträger. Elektrolyseur und Brennstoffzelle sind Energiewandler. Tank oder Kaverne bilden mit dem Wasserstoff das Speichersystem.

Bei der Elektrolyse entstehen aus Wasser Wasserstoff und Sauerstoff; dafür wird Strom zugeführt. Bei der späteren Umsetzung entstehen wieder Wasser, elektrische Energie und Wärme. Über die gesamte Kette wird keine Energie neu erzeugt. Wegen der Verluste kommt weniger Strom zurück, als eingesetzt wurde.

Wasserstoff ist flüchtig und schwierig zu speichern und zu transportieren. Mit Luft oder Sauerstoff bildet er schon in geringen Anteilen explosionsfähige Gemische (Knallgas). Seine Klimawirkung hängt wesentlich von der Energie seiner Herstellung ab.

Wasserstoff kann direkt genutzt oder in andere chemische Energieträger umgewandelt werden. Weitere Schritte können Transport und Handhabung erleichtern, brauchen aber Energie und bringen eigene Risiken.

Auch Eisen wird als chemischer Langzeitspeicher untersucht. Wird Eisenoxid mit erneuerbar erzeugtem Wasserstoff oder durch Elektrolyse wieder zu Eisen reduziert, wird Energie chemisch gespeichert. Bei der Oxidation des Eisens wird diese Energie als Wärme frei; dabei entsteht direkt kein CO₂. Eisen ist langfristig lagerfähig, nicht giftig und gut verfügbar. Belastbare Vergleichswerte für Kosten, Gesamtwirkungsgrad und großtechnische Skalierung fehlen bisher.

Redox-Flow-Batterien brauchen wegen geringer Energiedichte große Tanks und eignen sich vor allem ortsfest. Lithium-Ionen-Batterien besitzen höhere Energiedichte und eignen sich auch mobil. Keine Technik erfüllt alle Anforderungen am besten.