Molekulare Energiespeicher: Könnte diese Technologie die Zukunft für Balkonkraftwerke sein?

Die Energiewende bringt ständig neue Technologien hervor. Manche verschwinden schnell wieder, andere verändern ganze Märkte. In der Forschung sorgt gerade ein Ansatz für Aufmerksamkeit, der auf den ersten Blick fast nach Science-Fiction klingt. Ein Team von der University of California hat, wie Spectrum.de berichtete, eine Gruppe von Molekülen entwickelt, die Sonnenstrahlung aufnehmen, beliebig lange speichern und auf ein Signal hin enorme Mengen Wärme abgeben.

Dieser Bericht aus der Forschung zeigt, dass sogenannte molekulare Energiespeicher theoretisch Energiedichten erreichen könnten, die mit Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar sind oder sie in Einzelfällen übertreffen. Aber dies bislang nur im Labormaßstab.

Das wirft natürlich eine spannende Frage auf: Könnte so eine Technologie irgendwann auch für Balkonkraftwerke interessant werden? Kleines Kraftwerk sagt in diesem Beitrag, wie realistisch dies ist. Die kurze Antwort vorweg lautet: Vielleicht – aber nicht morgen. Die etwas längere lohnt sich.

Wie wir Strom heute speichern

Wenn du ein Balkonkraftwerk betreibst, weißt du, dass der Strom genau dann produziert wird, wenn die Sonne scheint. Aber dein Verbrauch passt selten perfekt dazu. Deshalb sind Speicher (wie die Anker SOLIX pro 3) so wichtig. Die aktuell verbreitetste Lösung sind Lithium-Ionen-Batterien, meist in Form von Lithium-Eisenphosphat-Speichern (LFP).

Diese Technologie hat sich aus mehreren Gründen durchgesetzt:

• sie hat eine relativ hohe Energiedichte,
• zudem eine sehr gute Lebensdauer
• sie ist bei bestimmungsgemäßem Gebrauch sicher
• obwohl die Preise für Lithium und Kobalt steigen, sind Lithium-Ionen-Akkus wieder billiger geworden

Trotzdem haben Lithium-Speicher auch ihre Grenzen. Sie benötigen Rohstoffe wie Lithium, Nickel oder Kobalt, deren Förderung ökologisch und geopolitisch nicht immer unproblematisch ist. Außerdem bleiben Batteriesysteme trotz sinkender Preise immer noch ein bedeutender Kostenfaktor für Balkonkraftwerke.

Ein neuer Ansatz: Molekulare Energiespeicher

Deshalb suchen Forschende wie das Team von der University of California weltweit nach Alternativen für die Energiespeicherung. Und genau hier kommt eine ungewöhnliche Idee ins Spiel.

Der Ansatz basiert auf einem Prinzip, das man bereits aus der Chemie kennt: Moleküle können unterschiedliche energetische Zustände haben. Vereinfacht gesagt funktioniert das so:

Ein Molekül kann durch Energiezufuhr (zum Beispiel durch Licht oder Strom) in einen energiereichen Zustand versetzt werden. In diesem Zustand speichert es Energie in seiner chemischen Struktur. Wird das Molekül später wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückgeführt, wird die gespeicherte Energie abermals frei.

In aktuellen Forschungsprojekten wird diese Energie meist zunächst als Wärme freigesetzt; die effiziente Umwandlung in elektrischen Strom ist noch ein offenes Entwicklungsfeld.

Laienhaft könnte man sagen, dass die Energie im Molekül selbst steckt. Das ist ein völlig anderer Ansatz als bei klassischen Batterien. Dort wandern Ionen zwischen Elektroden hin und her, um Energie zu speichern und wieder abzugeben. Beim molekularen Speicher dagegen wird Energie direkt in der Molekülstruktur gespeichert.

Molekulare Energiespeicher: Darum sind Forscher so begeistert

Der Grund für die Aufmerksamkeit liegt in den theoretischen Vorteilen dieser Technologie. Zum einen zeigen theoretische Modelle und einige Experimente, dass bestimmte Molekülsysteme Energiedichten im Bereich moderner Batterien oder darüber erreichen können; gleichzeitig ist die praktische Skalierung noch ungeklärt.

Ein weiterer möglicher Vorteil ist die Rohstofffrage. Molekulare Speicher könnten auf organischen Verbindungen basieren, die aus deutlich häufiger verfügbaren Materialien bestehen als Lithium oder Kobalt.

Einige Systeme erreichen im Labor Speicherzeiten von Wochen bis hin zu mehreren Jahren, was auf eine sehr geringe "Selbstentladung" in Form ungewollter Rückreaktionen hinweist, wie nature.com bereits vor Jahren berichtete.

Und schließlich spielt auch die Sicherheit eine Rolle: Einige vorgeschlagene Moleküle sind thermisch stabil und nicht brennbar, was potenziell Sicherheitsvorteile gegenüber Lithium-Systemen bieten könnte – das muss aber in realen Anwendungen erst noch gezeigt werden.

All das klingt natürlich nach einem möglichen Technologiesprung.

Der Weg vom Labor zur Steckdose

So spannend das alles ist, zwischen einem Forschungsergebnis und einem Produkt für dein Zuhause liegt meist ein langer Weg. Viele dieser molekularen Speicher befinden sich aktuell noch im Grundlagenstadium der Forschung. Das bedeutet, dass die Prozesse wohl im Labor funktionieren, aber noch nicht in einem industriell skalierbaren System.

Eine große Herausforderung ist zum Beispiel die Rückgewinnung der Energie. Hinzu kommt die Frage der Zyklenstabilität. Ein Speicher muss tausende Lade- und Entladezyklen überstehen. Ein Vergleichswert: Die Anker SOLIX Pro 3 E2700 schafft bis zu 6000 Ladezyklen. Ob bestimmte Molekülsysteme diese Belastung langfristig aushalten, ist noch Gegenstand intensiver Forschung.

Und selbst wenn die Technologie funktioniert, müssen noch viele praktische Fragen gelöst werden:

• Wie baut man daraus ein stabiles Speichersystem?

• Wie teuer wird die Produktion?

• Wie langlebig ist das Material im Alltag?

In der Energietechnik dauert es deshalb oft zehn bis zwanzig Jahre, bis aus einer Laboridee ein marktreifes Produkt wird.

Molekulare Energiespeicher: Was das alles für Balkonkraftwerke bedeutet

Für Balkonkraftwerke ist das Thema Energiespeicher besonders spannend. Schließlich sind genau diese Systeme darauf ausgelegt, möglichst viel Solarstrom selbst zu nutzen.

Der ideale Speicher für ein Balkonkraftwerk wäre:

• kompakt
• günstig
• sicher
• langlebig und
• einfach installierbar.

Sollten molekulare Energiespeicher also eines Tages hohe Energiedichten zu vertretbaren Kosten erreichen, wären sie prinzipiell interessant für kompakte Steckerspeicher – derzeit ist das aber reine Zukunftsmusik. Man könnte sich beispielsweise kompakte Plug-and-Play-Speicher vorstellen, die kaum größer sind als ein Router oder eine kleine Box im Wohnzimmer.

Auch die Rohstofffrage spielt eine Rolle. Wenn zukünftige Speicher ohne seltene Metalle auskommen, könnte das langfristig zu stabileren Preisen und nachhaltigerer Produktion führen.

"Der Ansatz ist, zu schauen, was wir in Zukunft erreichen können, dass Seltene Erden nicht der Weisheit letzter Schluss sind und dass es Alternativen gibt", so Thomas Beling von Kleines Kraftwerk.

Innovation gehört zur Energiewende

Trotzdem zeigt die Forschung rund um molekulare Energiespeicher etwas sehr Wichtiges: Die Entwicklung im Bereich Energiespeicherung steht erst am Anfang. Solarstrom ist inzwischen in vielen Regionen die günstigste Form der Stromerzeugung. Die große Herausforderung der Energiewende liegt deshalb zunehmend nicht mehr in der Produktion von Strom, sondern in seiner Speicherung und Verteilung.

"Je mehr erneuerbare Energie wir nutzen, desto wichtiger werden neue Speichertechnologien. Jede Verbesserung bei Kosten, Sicherheit oder Energiedichte kann enorme Auswirkungen auf das Energiesystem haben. Gerade im Bereich kleiner dezentraler Systeme – also auch bei kleinen Kraftwerken für den Balkon, das Dach oder die Fassade – könnten solche Innovationen besonders schnell spürbar werden", so Thomas Beling erneut.

Molekulare Energiespeicher spielen für kleine Kraftwerk derzeit keine Rolle

Molekulare Energiespeicher bewegen sich derzeit zwischen Grundlagenforschung und ersten Funktionsdemonstratoren. Für Balkonkraftwerke spielen sie in den kommenden Jahren keine Rolle, denn hier bleiben Lithiumspeicher relevant. Langfristig können solche Konzepte aber zeigen, wohin die Reise bei Energie- und Wärmespeichern gehen könnte.

Ein Fazit: Die Energiewende ist ein dynamisches Feld – und viele der spannendsten Ideen stecken noch mitten in der Entwicklung.

Weitere Beiträge rund um das Thema Balkonkraftwerke

Neben neuen Technologien wie zukünftigen Energiespeichern dreht sich im Magazin von Kleines Kraftwerk natürlich vor allem alles um die praktischen Fragen, die dich als Betreiber oder zukünftigen Besitzer eines Balkonkraftwerks wirklich betreffen. 

Ein großer Teil der Beiträge erklärt zum Beispiel die Grundlagen der Mini-Photovoltaik: Wie ein Balkonkraftwerk eigentlich funktioniert, wie Solarstrom erzeugt wird und welche Rolle Komponenten wie Module, Wechselrichter oder Speicher spielen. Dabei wird Schritt für Schritt gezeigt, wie Sonnenlicht in nutzbaren Haushaltsstrom umgewandelt wird und warum der Wechselrichter entscheidend ist, damit Geräte im Haushalt den erzeugten Strom überhaupt nutzen können.