Die Speicherfrage ist falsch gestellt#
Warum die Energiewende nicht an Batterien scheitert, sondern an einer fehlenden Unterscheidung#
Es gibt in der deutschen Energiedebatte eine bemerkenswert stabile Übereinkunft. Sie lautet, dass wir Speicher brauchen, dass Batterien besser werden müssen, und dass die Sache dann funktioniert. Man findet diese Übereinkunft quer durch alle Lager, was üblicherweise ein Warnsignal ist. Wo niemand widerspricht, hat meistens niemand nachgerechnet.
Ich habe das nachgerechnet. Das Ergebnis ist unangenehmer und gleichzeitig optimistischer, als beide Seiten der Debatte es gern hätten. Die Energiewende scheitert nicht an der Fläche, nicht an der Menge verfügbarer Sonnenenergie und auch nicht an einem noch zu erfindenden Superakku. Sie scheitert an einer Denkfigur: an der Annahme, es gebe einen Speicher, der das Problem löst. Es gibt drei verschiedene Probleme mit drei verschiedenen physikalischen Optima, und wer sie zusammenwirft, optimiert garantiert das Falsche.
Drei Sorten von Grenzen#
Bevor man über Lösungen redet, muss man Grenzen sortieren können. Das ist keine akademische Übung, sondern die einzige Möglichkeit, Forschungsversprechen zu bewerten. Es gibt genau drei Kategorien, und die Zuordnung entscheidet, ob eine Technologie noch Fortschritt vor sich hat.
Die erste Kategorie ist physikalisch hart. Dazu gehören der Carnot-Wirkungsgrad, die Feldenergiedichte eines Kondensators, das Verhältnis von Festigkeit zu Dichte bei einem Schwungradrotor und die potentielle Energie einer angehobenen Wassermasse. Hier kommt nichts mehr. Wer an dieser Stelle Sprünge verspricht, hat entweder eine neue Materialklasse in der Hand oder erzählt Unsinn, und die Unterscheidung fällt leicht, weil die neue Materialklasse benennbar wäre.
Die zweite Kategorie ist materialtechnisch. Elektrolytfenster, Katalysatorüberspannungen, Membranstabilität. Hier gibt es realen Fortschritt, aber er ist inkrementell. Der Superkondensator ist in über dreißig Jahren um etwa den Faktor drei besser geworden. Das ist die realistische Steigungsrate in diesem Feld, und sie sollte in jeder Roadmap stehen, die eine Verdopplung innerhalb von fünf Jahren behauptet.
Die dritte Kategorie ist ökonomisch oder regulatorisch. Pumpspeicher sind technisch vollständig gelöst und liefern achtzig Prozent Wirkungsgrad. Sie scheitern an Topografie und Genehmigungsrecht. Das ist eine völlig andere Art von Problem, und es hilft nicht, dagegen zu forschen.
Der übliche Fehler in der öffentlichen Diskussion besteht darin, Grenzen der ersten Kategorie zu behandeln, als wären sie aus der zweiten. Genau daraus entstehen Speicherversprechen, die beeindruckend aussehen und keine gültige Messbasis haben.
Warum Batterien nicht dorthin skalieren, wo man sie hinhaben will#
Lithium-Ionen-Zellen liegen bei praktisch 150 bis 300 Wattstunden pro Kilogramm und einem Round-Trip-Wirkungsgrad über neunzig Prozent. Das ist ausgezeichnet und wird auch besser werden, aber nicht um Größenordnungen. Der Grund dafür ist nicht mangelnder Forschungsaufwand, sondern eine Kopplung, die zu selten ausgesprochen wird.
Hohe Energiedichte verlangt einen großen Abfall im chemischen Potential zwischen Ausgangs- und Endzustand. Große Potentialdifferenzen bedeuten hohe Aktivierungsbarrieren, und diese Barrieren müssen in beide Richtungen überwunden werden. Beim Entladen bezahlt man sie als Überspannung, beim Laden ebenfalls. Energiedichte und Wirkungsgrad sind damit nicht zwei unabhängige Optimierungsziele, sondern dieselbe Größe von zwei Seiten betrachtet.
Man sieht das an den Rändern besonders deutlich. Elektrostatische und mechanische Speicher haben überhaupt keine chemische Barriere, deshalb ihre exzellenten Wirkungsgrade von über fünfundneunzig Prozent, und genau deshalb ihre miserable Energiedichte. Ein Superkondensator speichert fünf bis zehn Wattstunden pro Kilogramm. Chemische Energieträger liegen bei mehreren zehn Kilowattstunden pro Kilogramm und dafür bei dreißig bis fünfzig Prozent im Kreisprozess. Zwischen diesen beiden Enden liegt eine durchgehende Kurve, kein Feld unentdeckter Möglichkeiten.
Ein kurzer Exkurs, der zeigt, wo die Wand tatsächlich steht#
Man kann versuchen, die Kopplung zu umgehen, indem man den chemischen Umweg ganz vermeidet. Die naheliegende Idee lautet: Kohlenwasserstoffe funktionieren, weil sie nur den Brennstoff mitführen und den Sauerstoff aus der Umgebung nehmen. Warum speichert man dann nicht einfach Elektronen und holt sich die Gegenladung bei Bedarf von außen?
Diese Idee ist tot, und zwar nicht aus Mangel an Ingenieurskunst, sondern durch das Gaußsche Gesetz. Im Kondensator sitzen positive und negative Ladung in einem Abstand von Nanometern, und die gesamte Feldenergie steckt in diesem Spalt. Bei einer Nettoladung füllt das Feld dagegen den ganzen Raum, und die Kapazität einer isolierten Kugel beträgt nur vier Pi Epsilon Null mal Radius. Für eine Kugel von einem Meter Radius sind das einhundertelf Picofarad.
Rechnet man das durch, mit einer realistischen Feldemissionsgrenze von etwa zehn Megavolt pro Meter, ergibt sich ein gespeicherter Energieinhalt von rund fünfeinhalb Kilojoule. Eine handelsübliche Mignonzelle enthält etwa das Doppelte. Der Befund deckt sich mit der Praxis: Ein großer Van-de-Graaff-Generator, die leistungsfähigste jemals gebaute Nettoladungsmaschine, speichert ungefähr eine halbe AA-Batterie.
Der begriffliche Kern dahinter ist wichtiger als die Zahl. Elektronen sind nicht der Tank, sondern der Bote. In einer Batterie ändert sich die Elektronenzahl pro Elektrode praktisch nicht, die Ladungsneutralität wird durch Ionentransport im Elektrolyten aufrechterhalten, und die Energie steckt in der Differenz des chemischen Potentials. Wer Elektronen speichern will, versucht Wasserdruck ohne Wasser zu lagern.
Das Prinzip, das tatsächlich trägt: Auslagerung#
Eine stromliefernde Zelle braucht sechs Dinge: ein Reduktionsmittel, ein Oxidationsmittel, einen Elektrolyten, einen Ionenpfad, einen Elektronenpfad und einen Platz für das Reaktionsprodukt. Eine Batterie führt alle sechs mit sich. Ein Verbrennungsmotor führt genau eines mit, den Brennstoff. Darin liegt die gesamte Asymmetrie, und darin liegt der einzige bekannte Hebel.
Jede Auslagerung entkoppelt Energie von Leistung. In einer geschlossenen Zelle skaliert der Energieinhalt mit dem Volumen und die Leistung mit der Elektrodenfläche, beides am selben Objekt, also fest gekoppelt. In einer offenen Zelle skaliert die Energie mit der Tankgröße und die Leistung mit der Membranfläche, unabhängig voneinander. Deshalb lässt sich ein Speicher mit zehn Megawatt Leistung und tausend Megawattstunden Inhalt bauen, ein Verhältnis von eins zu hundert, und mit einer geschlossenen Zelle ist genau das nicht möglich.
Metall-Luft-Zellen lagern das Oxidationsmittel aus und nehmen Sauerstoff aus der Umgebung. Brennstoffzellen lagern beide Reaktionspartner in Tanks aus. Thermalbatterien lagern den Elektrolyten in der Zeit aus und halten ihn als festes Salz vor, bis ein pyrotechnischer Satz ihn aufschmilzt, was zwanzig Jahre Lagerfähigkeit bei null Selbstentladung ermöglicht. Seewasseraktivierte Zellen holen sich Elektrolyt und Reaktionspartner gleichzeitig von außen.
Die unterschätzte Hälfte ist die Auslassseite. Ein Verbrenner wird beim Fahren leichter, weil das Reaktionsprodukt hinausgeht. Eine Batterie behält jedes Gramm. Wer das Produkt auslagert, gewinnt zweimal, weil kein Volumen dafür vorgehalten werden muss und weil die Zelle nicht durch Passivierung des eigenen Entladeprodukts vergiftet wird. Genau diese Passivierung ist bei Zink-Luft und Lithium-Luft der eigentliche Zyklenkiller. Der Preis dafür ist unangenehm konkret: Gasförmige Produkte kann man verschenken, feste muss man einsammeln und zurückfahren.
Damit ist die Auslagerung ehrlich beschrieben. Sie löst kein physikalisches Problem, sie tauscht es gegen ein logistisches. Kohlenwasserstoffe funktionieren nicht, weil ihre Chemie besonders wäre, sondern weil eine planetare Infrastruktur für Förderung, Verteilung und kostenlose atmosphärische Entsorgung des Produkts existiert. Der Teil, den wir gerade abschaffen, ist die kostenlose Entsorgung.
Die Fläche ist nicht der Engpass#
An dieser Stelle wird die Debatte üblicherweise pessimistisch, und das ist unbegründet. Die Einstrahlung über Deutschland beträgt etwa elfhundert Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr, über die gesamte Landesfläche also rund dreihundertneunzigtausend Terawattstunden jährlich. Der gesamte deutsche Primärenergieverbrauch liegt bei etwa dreitausend Terawattstunden, also unter einem Prozent der Einstrahlung.
Global gerechnet fällt das Ergebnis noch deutlicher aus. Bei vollständiger Elektrifizierung entfallen die thermischen Verluste der Verbrennung, und der Weltbedarf sinkt von etwa hundertachtzigtausend Terawattstunden Primärenergie auf grob siebzig- bis neunzigtausend Terawattstunden elektrisch. Rechnet man großzügig, dass ein Drittel davon über einen chemischen Träger mit vierzig Prozent Wirkungsgrad laufen muss, landet man bei etwa hundertzwanzigtausend Terawattstunden Stromerzeugung. Bei zweihundert Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr an einem guten Standort inklusive Reihenabstand entspricht das rund sechshunderttausend Quadratkilometern.
Das sind etwa zwölf Hundertstel Prozent der Erdoberfläche, knapp ein halbes Prozent der Landfläche, ungefähr sieben Prozent der Sahara. Zum Vergleich: Die globale Ackerfläche beträgt rund fünfzehn Millionen Quadratkilometer, also das Fünfundzwanzigfache. Wer Flächenkonkurrenz als Killerargument gegen Photovoltaik anführt, hat eine Größenordnung übersehen. Bei Biomasse trifft das Argument, weil die Photosynthese real bei einem halben bis einem Prozent Flächenwirkungsgrad landet und damit rund hundertfach schlechter ist als ein Modul. Bei Photovoltaik trifft es nicht.
Wer also fragt, ob wir die Primärenergie besser konvertieren müssen, bekommt eine unbequeme Antwort. Der Erntewirkungsgrad ist praktisch gelöst und nicht mehr der Engpass. Von dreiundzwanzig auf dreißig Prozent Modulwirkungsgrad zu kommen senkt Kosten und Flächenbedarf, entscheidet aber nichts. Der Rohstoff liegt im Überfluss vor.
Drei Probleme, nicht eines#
Womit wir beim eigentlichen Punkt sind. Das Problem ist nicht die Menge, sondern die Zeit und die Form. Und diese beiden zerfallen in drei Aufgaben, die miteinander fast nichts zu tun haben.
Die erste Aufgabe ist der kurzfristige Ausgleich über Stunden bis Tage. Hier wird häufig zykliert, dreihundert Mal im Jahr oder öfter, und deshalb dominiert der Round-Trip-Wirkungsgrad die Wirtschaftlichkeit vollständig. Jedes Prozent Verlust wird dreihundertfach bezahlt. Die Antwort heißt Batterie, und sie ist bereits gefunden.
Die zweite Aufgabe ist der saisonale Ausgleich. Photovoltaik liefert im Dezember etwa zehn Prozent des Junis, dazu kommen Dunkelflauten über ein bis zwei Wochen. Hier wird einmal pro Jahr zykliert, und damit kippt die gesamte Optimierung. Der Wirkungsgrad ist fast bedeutungslos, weil die eingespeiste Energie zum Erzeugungszeitpunkt ohnehin nahe wertlos ist. Was dominiert, ist der Kapitaleinsatz pro Kilowattstunde Speicherkapazität, weil er über einen einzigen Zyklus amortisiert werden muss.
Diese Rechnung ist so brutal, dass sie die Diskussion eigentlich beenden sollte. Ein Lithium-Ionen-Speicher zu hundert Euro pro Kilowattstunde, bei einem Zyklus pro Jahr über fünfzehn Jahre Lebensdauer, kostet in der Amortisation rund sechs Euro siebzig pro gelieferter Kilowattstunde. Eine Salzkaverne für Wasserstoff oder Ammoniak liegt bei einem halben bis zwei Euro pro Kilowattstunde Kapazität und landet damit bei fünf bis fünfzehn Cent. Bei einer Halde Eisenpulver kostet das Lager praktisch nichts, man bezahlt nur das Materialinventar. Für saisonale Speicherung gewinnt immer ein chemischer Träger, und zwar nicht weil er effizient wäre, sondern weil der Behälter billig ist.
Die dritte Aufgabe ist der Transport. Strom ist eine miserable Handelsware, weil er im Moment der Erzeugung verbraucht werden muss und ohne Leitung nicht transportierbar ist. Kohlenwasserstoffe sind eine hervorragende Handelsware. Hier entscheidet die volumetrische Energiedichte, alles andere ist nachrangig.
Geografie statt Zeit#
Aus der dritten Aufgabe folgt die eleganteste bekannte Umgehung der zweiten. Südsommer ist Nordwinter. Ein dichter, verschiffbarer Energieträger verwandelt ein Speicherproblem in ein Transportproblem, und Transport skaliert linear und billig, während Speicherung das nicht tut. Man speichert nicht sechs Monate, man fährt zwanzig Tage.
Genau das ist die Struktur hinter grünem Ammoniak aus Chile oder Australien und hinter dem Metallpulverkreislauf, an dem in Darmstadt gearbeitet wird. Eisenpulver hin, Rost zurück. Das Konzept kopiert die fossile Logistik bewusst und macht dabei sichtbar, was es wirklich ist: kein Speicher, sondern ein Transportmedium mit Pfandsystem. Und daran misst es sich auch. Nicht am Wirkungsgrad der Verbrennung, sondern an den Kosten des Rückstroms.
Welcher Träger, und warum wahrscheinlich nicht der naheliegende#
Wenn ein chemischer Träger unvermeidlich ist, stellt sich die Frage, welcher. Die intuitive Antwort lautet Kohlenwasserstoff, weil die Infrastruktur steht. Sie ist wahrscheinlich falsch, und zwar wegen des Kohlenstoffs.
Klimaneutral funktioniert ein synthetischer Kohlenwasserstoff nur im geschlossenen Kreis, und das bedeutet Kohlenstoffgewinnung aus der Luft. Das thermodynamische Minimum für die Abtrennung aus vierhundertzwanzig ppm liegt bei etwa hundertfünfundzwanzig Kilowattstunden pro Tonne Kohlendioxid, reale Anlagen brauchen rund zweitausend. Für eine Tonne Kraftstoff werden etwa drei Tonnen Kohlendioxid benötigt. Selbst optimistisch gerechnet bleibt ein Aufschlag im zweistelligen Prozentbereich, dazu eine vollständig zusätzliche Anlagenklasse in der Kette.
Ammoniak umgeht das Problem vollständig, und es tut das nach genau demselben Auslagerungsprinzip, nur auf der anderen Elektrodenseite. Der Stickstoff kommt zu achtundsiebzig Prozent aus der Luft, der Wasserstoff aus Wasser, Kohlenstoff wird nirgends gebraucht. Die volumetrische Energiedichte liegt mit knapp dreizehn Megajoule pro Liter bei etwa einem Drittel von Diesel, was für Schiffstransport und Kavernenlagerung ausreicht. Haber-Bosch läuft seit hundert Jahren im Megatonnenmaßstab, die Weltproduktion beträgt etwa hundertfünfundachtzig Millionen Tonnen jährlich, Häfen und Tankschiffe existieren. Die Kette von Strom zu Ammoniak erreicht fünfundfünfzig bis sechzig Prozent gegenüber vierzig bis fünfundvierzig für Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffe, weil die Luftabscheidung entfällt. Der Preis sind Toxizität und Stickoxidbildung bei der Verbrennung, beides beherrschbar und beides seit Jahrzehnten industriell gehandhabt.
Metalle sind die dritte Option und volumetrisch die stärkste. Eisen liefert sieben Komma vier Megajoule pro Kilogramm, aber wegen seiner Dichte etwa achtundfünfzig Megajoule pro Liter im kompakten Zustand, womit Rost den Dieselkraftstoff volumetrisch schlägt. Aluminium liegt bei einunddreißig Megajoule pro Kilogramm und vierundachtzig pro Liter, Silizium bei zweiunddreißig und sechsundsiebzig, Bor bei neunundfünfzig und hundertachtunddreißig. Bor wäre der volumetrische Spitzenreiter und scheiterte in den fünfziger Jahren im amerikanischen Hochenergietreibstoffprogramm daran, dass das Verbrennungsprodukt klebt und Turbinen zerlegt. Die Physik ist an dieser Stelle deutlich weiter als die Werkstofftechnik.
Was tatsächlich noch offen ist#
Es gibt einen Forschungspfad, der nicht Optimierung, sondern eine echte offene Front ist. Solarthermochemie überspringt den elektrischen Zwischenschritt vollständig. Konzentrierte Strahlung treibt einen Ceroxid-Redoxzyklus, Reduktion bei fünfzehnhundert Grad, Oxidation bei tausend, und spaltet Wasser und Kohlendioxid direkt zu Synthesegas. Ein Fünfzig-Kilowatt-Solarturmreaktor bei zweitausendfünfhundert Sonnen Konzentration hat vier Komma eins Prozent Solar-to-Syngas ohne Wärmerückgewinnung erreicht.
Vier Prozent ist heute schlechter als Photovoltaik mit Elektrolyse. Aber das theoretische Dach liegt bei zwanzig bis dreißig Prozent, weil zwei Umwandlungsverluste entfallen, und der Abstand zwischen Labor und Dach ist hier größer als in jeder anderen Speichertechnologie. Dasselbe gilt für photoelektrochemische Zellen, die Photonen direkt in chemische Bindungen überführen und im Labor neunzehn Prozent erreicht haben, wobei die Stabilität der Killer ist. Wenn irgendwo eine Größenordnung zu holen ist, dann hier.
Eine Prämisse verdient noch eine Korrektur. Die Sonne ist nicht der einzige nichtfossile Primärfaktor. Es gibt drei nichtsolare Primärquellen, nämlich die Kernbindungsenergie, die Erdwärme aus radiogenem Zerfall und Restwärme mit etwa siebenundvierzig Terawatt, und die Gezeiten aus dem Erde-Mond-Drehimpuls mit etwa drei Komma sieben Terawatt. Die erste hat keine Saisonalität, was für das Winterproblem der entscheidende Unterschied ist. Ob man sie einsetzen will, ist eine Abwägung mit Kriterien weit jenseits der Physik, über die vernünftige Menschen unterschiedlicher Meinung sind. Sie per Annahme aus der Betrachtung zu streichen ist allerdings eine Setzung und kein Befund, und wer eine Systemanalyse vorlegt, sollte die Setzung wenigstens kenntlich machen.
Was daraus folgt#
Die praktische Konsequenz ist unspektakulär und genau deshalb belastbar. Die Frage lautet nicht, wie ein Speicher besser wird, sondern welche Ecke des Dreiecks aus Wirkungsgrad, Dichte und Skalierbarkeit man für welche Aufgabe opfert. Kurzfristig und stationär gewinnt die Batterie, weil dort der Wirkungsgrad dreihundertfach im Jahr bezahlt wird. Saisonal gewinnt ein chemischer Träger, weil dort der Behälterpreis dominiert und der Wirkungsgrad fast bedeutungslos ist. Interkontinental gewinnt die volumetrische Dichte, und alles andere ist nachrangig.
Und die Trägerschicht ist nicht das System. Sie ist bei realistischer Rechnung zwanzig bis dreißig Prozent davon. Der Rest läuft direkt elektrisch mit über neunzig Prozent. Der verbreitete Denkfehler besteht darin, das gesamte Energiesystem durch den Träger zu denken, wodurch alles nach vierzig Prozent aussieht, was in Wahrheit nur für die Minderheitsschicht gilt.
Damit steht die eigentliche Diagnose. Wir haben kein Mengenproblem, kein Flächenproblem und im Kern auch kein Forschungsproblem. Wir haben ein Zuordnungsproblem, und wir haben es, weil in der öffentlichen Debatte fast nie ausgesprochen wird, welche der drei Aufgaben eine vorgeschlagene Technologie eigentlich lösen soll. Eine Kennzahl ohne die Angabe, gegen welchen Sollwert sie steht, hat keine entscheidungsrelevante Bedeutung. Genau das ist bei jeder Speicherzahl der Fall, die ohne Zyklenzahl, ohne Aufgabenzuordnung und ohne Kapitaleinsatz pro Kilowattstunde Kapazität in einer Präsentation steht.
Die Energiewende scheitert nicht an der Physik. Sie scheitert an Folien, auf denen Wirkungsgrade stehen, die für die genannte Aufgabe gar nicht das relevante Kriterium sind.