Innovative Energiespeicher: Schlüssel zur klimaneutralen Zukunft

Die Energiewende hat in den vergangenen Jahren an Fahrt gewonnen: 2024 kletterte der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung in Deutschland laut Bundesnetzagentur auf 59 Prozent – und auch andere Länder in Europa bauen die Erneuerbaren aus. Doch je mehr Anlagen schwankende Mengen an Wind- und Solarstrom einspeisen, desto größer wird der Bedarf an Flexibilität im Netz. Mit der gleichzeitigen Transformation von Mobilität und Industrieproduktion werden Energiespeicher zum Schlüssel einer klimaneutralen Zukunft – und längst auch zur Frage technologischer und industrieller Souveränität in Deutschland und Europa.

Wettlauf um die Batterien der Zukunft

Die  Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft treiben die Entwicklung geeigneter Speichertechnologien maßgeblich voran. Gearbeitet wird an sehr unterschiedlichen Ansätzen, da keine Technologie alleine flexibel genug ist, um alle Anforderungen zu erfüllen. Im Rennen um die Batterie der Zukunft sucht Helmholtz zum Beispiel nachhaltige, sichere und günstige Alternativen zur etablierten Lithium-Ionen-Batterie – und ist dazu an diversen Forschungsinitiativen beteiligt, von denen hier nur einige herausgegriffen werden können.

So entwickelt das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) eine europäische Natrium-Ionen-Batterie, die kostengünstig aus breit verfügbaren Rohstoffen hergestellt werden kann, und unterstützt die Industrie dabei, eine entsprechende Produktion aufzubauen.

Festkörperbatterien, die keinen flüssigen Elektrolyten enthalten und deshalb besonders kompakt, sicher und leistungsfähig sind, entwickelt das Forschungszentrum Jülich. Dort wird auch an weiteren Batterie-Arten geforscht, wie beispielsweise der Metall-Luft-Batterie. Diese arbeitet mit Sauerstoff, der aus der Luft aufgenommen wird – das ermöglicht theoretisch eine hohe Energiedichte, also ein sehr gutes Speichervermögen bei geringem Gewicht.

Am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) werden Metall-Schwefel-Batterien erforscht, die durch ihr geringes Gewicht perspektivisch besonders gut für Elektrofahrzeuge geeignet sind. Ein Schwerpunkt liegt auf operando-Analysen mithilfe der Röntgenquelle BESSY II. HZB-Teams arbeiten außerdem an einer völlig neuen Materialklasse, den sogenannten MXenen. Sie ermöglichen eine extrem schnelle Speicherung elektrischer Ladungen – ein entscheidender Vorteil für viele technische Anwendungen.

Wasserstoff als Mittel- und Langzeitspeicher

Batterien sind schnell, flexibel und ideal für mobile Anwendungen. Doch für die Speicherung großer Energiemengen – etwa als saisonaler Zwischenspeicher für Sonnenenergie aus den Sommermonaten – ist grüner Wasserstoff ideal: Er kann über lange Zeiträume ohne Verluste gespeichert werden und verbrennt ohne Emissionen. Neben der Speicherfähigkeit hat Wasserstoff auch industrielle Bedeutung als Rohstoff. Er kann unterschiedliche Energiesektoren verknüpfen, fossile Brennstoffe ersetzen und als Rohstoff für synthetische Kraftstoffe langfristig auch Flug- und Schiffsverkehr klimafreundlicher machen. Die Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft sind maßgebliche Innovationstreiber in Deutschland – rund 600 Mitarbeiter:innen an zehn Helmholtz-Zentren forschen an der gesamten Wertschöpfungskette, von der Produktion über die Lagerung bis zu Transport und Nutzung.

So entwickelt das Forschungszentrum Jülich unter anderem leistungsfähige Elektrolyseure und arbeitet an Technologien zur Wasserstoffspeicherung, etwa durch Bindung an die organische Trägerflüssigkeit LOHC. Dadurch könnte die bestehende Infrastruktur für flüssige Kraftstoffe weiter genutzt werden. Das HZB konzentriert sich auf Katalysatoren, die sowohl die Herstellung als auch die Umwandlung von Wasserstoff effizienter gestalten. Das KIT forscht an Hochtechnologie-Pipelines, Tanks und Konversionstechnologien, etwa um Wasserstoff in synthetisches Methan zu überführen und ins Erdgasnetz einzuspeisen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) untersucht Wasserstoff als emissionsfreien Flugkraftstoff und das GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung untersucht die Speicherung von Wasserstoff in geologischen Strukturen für großindustrielle Anwendungen im Terawattmaßstab.

Hochtemperatur-Wärmespeicher als Effizienzbooster

Neben Strom- und Wasserstoffspeichern sind Wärmespeicher essenziell, um erneuerbare Energien effizient zu nutzen. Hochtemperatur-Wärmespeicher ermöglichen es der Industrie, Prozesswärme aus erneuerbaren Quellen oder Abwärme aus Anlagen zu speichern und wiederzuverwenden, was hohe Effizienzgewinne ermöglicht. Skaliert kann diese Technologie für bestehende Fernwärmenetze eingesetzt und sogar zur Grundlasterzeugung mit bestehenden Dampfkraftwerken gekoppelt werden. Auch hier ist Helmholtz vorne mit dabei: So entwickelt das KIT langlebige Hochtemperaturspeicher mit Flüssigmetallen und Keramiken. Das DLR forscht  an Salzschmelzen, die als Puffer für konzentrierte Solarenergie dienen und eine direkte Kopplung mit erneuerbaren Quellen ermöglichen.

Bild: KIT/Markus Breig