Ein auf erneuerbaren Energien basierendes Energiesystem wird in höherem Maße als heute auf Elektrizität beruhen, da die meisten erneuerbaren Energien primär elektrische Energie liefern, z. B. Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft. Dazu gehört auch die Wärmeversorgung für Heizzwecke mit erneuerbarer Wärme (solar thermisch, geothermisch). Um erneuerbare Energien verfügbar zu halten, werden Speichertechnologien benötigt. Elektrische Energie kann in Batterien gespeichert werden. Diese werden immer leistungsfähiger und kostengünstiger, sie reichen voraussichtlich aber nicht aus, um alle Gesellschafts- und Wirtschaftsbereiche zu elektrifizieren. Daneben sind deshalb stoffliche Energieträger wie Wasserstoff ein zentraler Baustein der Transformation des Energiesystems.
Wenn Energie ohne wesentliche CO₂-Emissionen erzeugt werden soll, dann muss die Nutzung fossiler Energieträger enden. Vielfältig und großflächig einsetzbare und ausbaubare Alternativen sind Photovoltaik und Windenergie. Die Möglichkeiten der Geothermie werden derzeit noch nicht ausreichend berücksichtigt. Bioenergie und Wasserkraft sind in ihren Potenzialen eng begrenzt.
In einigen europäischen Staaten wird auf Kernenergie als CO₂-arme Energietechnologie gesetzt. In Deutschland ist eine Entscheidung gegen die Nutzung von Kernenergie gefallen. Photovoltaik und Windenergie haben in den vergangenen Jahren den Anteil der Kernenergie am Energiemix ersetzt. Mit ihrem weiteren Ausbau muss der Kohleanteil an der Energieversorgung kompensiert werden.
Die Zahl der Anwendungen für Strom (aus erneuerbaren Energien) wird in Zukunft zunehmen und der Strombedarf steigen. Daneben gibt es jedoch Bereiche, in denen sich fossile Energieträger nicht ohne weiteres durch Strom ersetzen lassen. Hierzu zählen der Schwerlasttransport (z. B. Schiffs- und Flugverkehr), die Stahlherstellung und die Zementproduktion. In diesen Bereichen soll Wasserstoff als stofflicher Energieträger Gas, Kohle und Öl ersetzen.
Wasserstoff wird durch die Spaltung von Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff gewonnen. Das dafür angewendete Verfahren, die Elektrolyse, verbraucht jedoch viel Strom. Dabei können etwa 70 Prozent als chemische Energie in Wasserstoff gespeichert werden. Der Rest sind Verluste, die sich teilweise durch verbesserte Verfahren noch reduzieren lassen.
Wasserstoff ist vielseitig als Energieträger einsetzbar und ist darüber hinaus auch für die Herstellung von Grundchemikalien wie Methanol oder auch Ammoniak unersetzlich. Beide Stoffe spielen eine wesentliche Rolle in klimafreundlichen Energiesystemen und Produktionsprozessen. Weitere mögliche Wasserstoffanwendungen sind die Rückverstromung in Brennstoffzellen oder die direkte Nutzung in thermischen Produktionsprozessen. Wasserstoff kann mit CO₂ vereinigt werden und die entstehenden Kohlenwasserstoffe können als künstliche Kraftstoffe im Flugverkehr oder in anderen energieintensiven Anwendungen der Mobilität genutzt werden (e-fuels, SAF). Aus Erdgas gewonnener Wasserstoff wird heute schon gebraucht: in der Metallherstellung, für die Veredelung von Erdöl zu Benzin und Dieselkraftstoffen sowie für die Herstellung von zahlreichen Chemikalien. Wird dieser Wasserstoff zukünftig aus erneuerbaren Quellen gewonnen, wäre dies ein wesentlicher Beitrag zur Reduktion der globalen CO₂-Emissionen.
Darüber hinaus gibt es in der „Farbenlehre der Energiewende“ eine Reihe weiterer Verfahren (z. B. roter, blauer oder oranger Wasserstoff), um Wasserstoff mit einem reduzierten CO₂-Fußabdruck herzustellen. Diese sind jedoch überwiegend nicht nachhaltig und werden daher nur als Übergangslösungen betrachtet, bis weltweit ausreichende Kapazitäten für die Herstellung von grünem Wasserstoff aufgebaut sind.
Über viele Jahre wurde in Deutschland Erdgas aus leicht erschließbaren Quellen gefördert. Neben diesen „konventionellen Lagerstätten” ist Erdgas auch in Schiefergestein zu finden. Um dieses Schiefergas zu fördern, muss unter hohem Druck eine spezielle Flüssigkeit in den Erdboden gepresst werden. Durch die hierbei entstehenden Risse kann das Gas entweichen und gefördert werden. Die Klimabilanz von in Deutschland gefördertem Erdgas wäre besser als bei importiertem Frackinggas aus den USA, da die energieaufwendige Verflüssigung und der Transport wegfallen würden.
Die durch Fracking verursachten Umweltrisiken, z. B. Erdbeben oder Grundwasserverunreinigungen, werden in einem dichtbesiedelten Land wie Deutschland jedoch intensiv diskutiert. Darüber hinaus widerspricht das Verfahren der anvisierten Klimaneutralität, weshalb Frackinggas nicht mehr als eine Übergangslösung für die Energieversorgung in Deutschland wäre.
Die Erträge aus erneuerbaren Energien, insbesondere aus Solar- und Windenergie, schwanken nicht nur zwischen den Jahreszeiten, sondern auch innerhalb eines Tages erheblich. Das entspricht oft nicht der Nachfrage. Um witterungs- und saisonbedingte Schwankungen kompensieren zu können, werden neue Wege der Mittel- und Langzeitspeicherung immer größerer Energiemengen erforderlich.
Energiespeicher können Stromangebot und Stromnachfrage zeitlich zunehmend voneinander entkoppeln. Aktuell wird Strom global fast ausschließlich über Pumpspeicherkraftwerke gespeichert. Im Jahr 2020 stammten weltweit 91 Prozent der gespeicherten Energie aus dieser Speicherform. Ihr Aufbau und ihr Betrieb gelten aber als besonders ressourcen- und kostenintensiv. Auch alternative Technologieansätze, etwa Druckluftspeicher, elektrische Speicher oder chemische Speicher wie Wasserstoff versprechen wachsende Stromspeicherkapazitäten, sind derzeit aber noch nicht durchgehend marktreif.
Mit Blick auf die Energiewende und die zuverlässige Nutzung erneuerbarer Energieformen kommen nur Technologien infrage, mit denen Energiemengen in relevanter Größenordnung gespeichert bzw. bereitgestellt werden können. Zu den vielfältigen Anforderungen an Energiespeichersysteme gehören Speicherkapazität, Reaktionszeit, Wirkungsgrad und Speicherdauer.
Veröffentlicht: Juni 2020, aktualisiert im Januar 2024