Die Energiewende kommt voran: Der Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch wächst von Jahr zu Jahr und lag 2017 bei 36 Prozent. Doch nimmt man die Klimaziele der Vereinten Nationen ernst, kann das Ziel nur lauten: 100 Prozent Erneuerbare. Das ist eine Herkulesaufgabe, denn die Sonne scheint nicht 24 Stunden am Tag, und der Wind weht, wann er will. Der Strom, den Solar- oder Windkraftanlagen produzieren, muss in Teilen irgendwo zwischengespeichert werden, soll er die stromhungrige Zivilisation des 21. Jahrhunderts rund um die Uhr antreiben. Deutschland verbrauchte 2016 rund 516 Milliarden Kilowattstunden Strom, Platz sieben der Weltrangliste.

Dieser Text stammt aus dem ZEIT WISSEN Magazin 4/18.

Zwar sinkt der Verbrauch seit einigen Jahren, aber er bleibt immer noch gewaltig. Umso mehr, als die Flotte der Autos und Lastwagen eines Tages ebenfalls elektrisch betrieben werden soll. Immerhin gibt es eine Fülle von Speichermöglichkeiten, um die elektrische Energie aufzunehmen. Direkt wie in Akkus. Oder indirekt in Stoffen, die zu einem späteren Zeitpunkt eine Stromproduktion antreiben, zum Beispiel Wasser in Pumpspeichern, Erdgas oder komprimierte Luft in unterirdischen Salzstöcken, Wasserstoffgas in Drucktanks. Den Superchampion unter den Energiespeichern gibt es nicht: "Alle Technologien haben bis heute ihre Berechtigung, keine hat sich erledigt", sagt Christian Doetsch vom Fraunhofer-Institut "Umsicht".

Man verliert dabei leicht den Überblick. Wie viel Energie kann welcher Speicher eigentlich fassen? Was ist das theoretisch mögliche Maximum? (Denn ein Perpetuum mobile gibt es bekanntlich nicht.) Und ist dieses Maximum in der Praxis überhaupt zu schaffen?

Um das zu vergleichen, sind vor allem zwei physikalische Größen interessant: Energiedichte und Wirkungsgrad. Die Energiedichte gibt an, wie viele Kilowattstunden (kWh) in ein Kilogramm oder auch einen Liter eines Speichermediums hineinpassen. Der Wirkungsgrad besagt, wie viel von der gespeicherten Energie tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt wird.

Dabei kann man die Energiespeicher mit dem Schmiermittel des fossilen Zeitalters vergleichen: Erdöl und den daraus hergestellten Kraftstoffen. Benzin und Diesel enthalten eine potenzielle chemische Energie von knapp 13 kWh pro Kilogramm, die beim Verbrennen auch in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Wie gut sind die anderen Energiespeicher?

Leichtgewicht für den Alltag: Die Lithium-Ionen-Batterie

Beim Laden von Lithium-Ionen- Batterien lagern sich Lithium-Ionen in den Graphenschichten an, wo sich die Ladungsträger sammeln.

© Carsten Raffel

Dank der Lithium-Ionen-Technik werden wiederaufladbare Batterien – Akkus – immer wichtiger. In ihnen werden Ladungsträger, Elektronen, an einer Elektrode versammelt. Theoretisch steckt in einem Kilogramm Lithium eine potenzielle chemische Energie von rund 11 Kilowattstunden. Fast so viel wie in Benzin. Praktisch lässt sich diese Energie aber nicht komplett herausziehen. Lithium ist das leichteste Metall, das es gibt. Deshalb ermöglicht es sehr leichte Batterien. "Lithium kann pro Reaktion genau ein Elektron abgeben", sagt Julian Schwenzel vom Fraunhofer-Institut Ifam in Oldenburg. "Die Frage lautet also: Wie viel Lithium bekomme ich in eine Batterie?" In heutigen Lithium-Ionen-Batterien, wie sie in Smartphones oder in Elektroautos genutzt werden, sind nur ein bis zwei Prozent des gesamten Materials der Batterie aus dem Leichtmetall. In einer solchen Batterie stecken rund 0,15 Kilowattstunden pro Kilogramm – knapp hundertmal weniger als in Benzin.