Batterien und Akkus gibt es ganz viele verschiedene und alle sind sie dafür da, Geräte mit elektrischem Strom zu versorgen und funktionsfähig zu machen. Doch was ist eigentlich der Unterschied zwischen Batterien und Akkus? Ganz einfach: Die Batterie ist im Gegensatz zum Akku nicht aufladbar. Das kennst du zum Beispiel von deinem Wecker oder deinem Taschenrechner. Wenn die Batterie einmal leer ist, musst du sie entsorgen. Einen Handyakku oder den Akku einer Digitalkamera kann man dagegen immer wieder aufladen. Er ist praktisch eine wiederaufladbare Batterie. Doch auch die hält nicht ewig: Mit der Zeit muss man sie immer öfter aufladen, bis sie schließlich zu schwach für das Gerät wird. Auch der Akku muss dann entsorgt werden – oder?

Akku
Ein Akku ist eine wiederaufladbare Batterie.

Umweltfreundlich

Eines steht auf jeden Fall fest: Da du Akkus nicht sofort entsorgen musst, sondern immer wieder aufladen kannst, sind sie ein wenig umweltfreundlicher als Batterien. Sie produzieren schlichtweg nicht so viel Müll. Doch auch bei Akkus gibt es Vor- und Nachteile. Um diese zu erklären, machen wir einen kleinen Ausflug in die Chemie.

Es gibt Nickel-Kadmium-Akkus, Nickel-Metallhydrid-Akkus, Lithium-Ionen-Akkus und Lithium-Ion-Polymer-Akkus. Das hört sich sehr kompliziert an, diese Typen lassen sich aber schnell in zwei verschiedene Gruppen einteilen. Die beiden Akku-Varianten mit Nickel entladen sich sehr schnell selbst. Das bedeutet, wenn du sie auflädst und einfach unbenutzt liegen lässt, ist beim nächsten Benutzen der Akku bereits zu einem Teil leer. Auch die Lithium-Ionen-Akkus entladen sich selbst, allerdings nicht so schnell. Ein Vorteil ist hier auch, dass die Akkus genauso groß sind wie die Nickel-Akkus und trotzdem mehr Energie speichern können. Außerdem haben sie eine längere Lebenszeit. Das sind ein paar der Gründe, warum Lithium-Ionen-Akkus häufig zum Einsatz kommen. Du findest solche Akkus zum Beispiel in Handys und Laptops, aber auch die Batterie in einem Elektrofahrzeug funktioniert wie ein Lithium-Ionen-Akku.

Akku
Vor allem in tragbaren Geräten und Elektroautos findest du Lithium-Ionen-Akkus. — Bild: Daimler AG

Alterung durch Oxidation

Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus vielen Zellen, die wiederum jeweils aus einer positiven und einer negativen Elektrode bestehen. Bei der Aufladung wandern die Ionen von der positiven zur negativen Elektrode und lagern sich dort ein. Bei der Entladung ist es andersherum. Mit der Zeit allerdings oxidieren die beiden Elektroden in einer Zelle. Das bedeutet, sie geben Elektronen ab. Die Folge davon ist, dass sie keine Lithium-Ionen mehr speichern können. Das Auf- und Entladen des Akkus funktioniert immer weniger.

Du fragst dich nun sicher: Warum oxidieren die Elektroden in den Zellen überhaupt? Das hängt vor allem von Temperatur und Ladezustand des Akkus ab. Wenn der Akku zum Beispiel in einer sehr warmen Umgebung aufbewahrt wird und zudem noch vollgeladen ist, altert er sehr schnell.

Akku
Ein Stromspeicher aus alten Batterien von Elektroautos — Bild: Daimler AG

Das zweite Leben der Elektroauto-Batterie

Die Lithium-Ionen-Akkus in den Elektroautos der Daimler AG haben eine Lebensdauer von circa zehn Jahren. Dann muss man sie auswechseln, weil die Reichweite der Autos nicht mehr ausreicht. Sind Elektroautos also wirklich so umweltfreundlich, wenn ihre Akkus alle zehn Jahre entsorgt werden müssen?

Die Daimler AG möchte, dass der Lebenszyklus einer solchen Batterie dann noch nicht endet. Deshalb hat der Autobauer die Batterien von 1000 smart-Elektrofahrzeugen zu einem großen Stromspeicher zusammengeschlossen. Wie ein stationärer Energiespeicher soll er zum Beispiel Sonnen- oder Windenergie speichern und dann verfügbar machen, wenn man diese Energie braucht.

Die Akkus der Elektroautos werden damit nicht nur weitere zehn Jahre verwendet, die Energieanbieter könnten so auch ein weiteres großes Problem lösen. Momentan kommt unser Strom noch aus umweltschädlichen Kraftwerken. Deshalb ist das Ziel, langfristig auf erneuerbare Energien, also Energie aus Windrädern oder Energie durch Solarzellen, umzustellen. Auf diese Energie kann man sich aber nicht verlassen, denn die Sonne scheint nicht immer dort, wo Menschen Strom brauchen, und auch der Wind weht dort nicht immer. Es muss deshalb sogenannte Primärreserven geben. Das sind Energiespeicher, auf die sofort zurückgegriffen werden kann, wenn der Strom mal fehlt. Ein Stromspeicher aus ganz vielen alten Elektro-Akkus kann überschüssige Energie aus Sonne und Wind speichern und in solchen Fällen zum Einsatz kommen.

Akku
So stellt sich die Daimler AG den Lebenszyklus der Batterien aus Elektroautos vor. — Bild: Daimler AG

Der Stromspeicher der Daimler AG soll noch dieses Jahr bei den deutschen Energieanbietern in Betrieb gehen und vollautomatisch funktionieren. Nach zehn Jahren eignen sich die Batterien auch dafür nicht mehr. Dann sollen sie recycelt und für den Bau neuer Batterien für Elektroautos verwendet werden.

Die Schlechten ins Kröpfchen

Erinnert ihr euch noch an das Märchen von Aschenputtel? Dabei musste Aschenputtel Linsen lesen. Die schlechten wurden von ihr aussortiert und die guten ins Töpfchen geworfen. Genau dasselbe passiert auch bei der Energieversorgung. Anstatt Linsen sollen nach und nach umweltschädigende Energiequellen aussortiert werden. Die meiste Energie wird heute noch aus fossilen Brennstoffen, wie Erdöl, Kohle oder Gas gewonnen, aber das soll sich ändern. Fossile Brennstoffe sind zwar nicht so gefährlich, wie beispielsweise die Kernenergie aus den Atomkraftwerken. Aber sie schaden trotzdem unserer Umwelt. Durch ihre Verbrennung wird  Kohlenstoffdioxid – kurz CO2 – ausgestoßen. Das ist ein unsichtbares Gas, das schlecht für unsere Erde ist und die Klimaerwärmung fördert.

Die Guten ins Töpfchen

Um den CO2-Ausstoß zu verringern, geht der Trend heute zu erneuerbaren Energien. Sie sind umweltschonend und stehen uns nahezu unbegrenzt zur Verfügung. Die alte Form der Energiegewinnung soll durch die neue Form immer mehr ausgelesen werden. Man spricht dabei von der Energiewende. Die fünf Superhelden, die die Wende möglich machen, heißen: Sonne, Wasser, Wind, Umweltwärme und Bioenergie. Damit die Energiewende gelingt, sind alle fünf Helden gleichermaßen wichtig.

Energie von Superhelden

Du findest es schön, wenn draußen die Sonne scheint? Meistens ist es dann auch warm und hell. Die Sonnenstrahlen machen aber nicht nur dich glücklich, sondern auch die Umwelt. Mit ihrer Energie kann die Sonne Wasser erwärmen und über Photovoltaikanlagen Strom erzeugen.

Photovoltaikanlage
Gut für die Umwelt: Sonnenenergie

Dass Wasser sehr viel Wucht hat, merkst du, wenn du im Fluss stehst und die Strömung sehr stark ist. Mit dieser Kraft können auch Kraftwerke betrieben und so Strom erzeugt werden.

Staudamm Wasserkraftwerk
Durch Staudämme wird Wasserkraft in Energie umgewandelt

Wenn draußen der Wind pfeift, ist das oft nicht so angenehm. Vielleicht musst du dann gegen ihn ankämpfen, wenn du auf dem Weg zur Schule bist. Aber er hat auch seine guten Seiten: Durch Windkraftanlagen kann Energie erzeugt werden. Und das ist klasse für die Umwelt.

Windenergie
An stürmischen Tagen haben sie viel Arbeit: Windräder

Kannst du dir vorstellen, dass in dem Boden unserer Erde enorm viel Energie steckt? Die Erde hat in ihrem Inneren eine Temperatur von über 1.000 Grad. Wir müssen sie nur nutzen. Die Eigenwärme der Erde wird in Geothermiekraftwerken gewonnen.

Erdwärme, Geothermie
Kaum zu glauben: Im Boden ist ganz schön viel Energie versteckt

Auch die Bioenergie ist eine von fünf Superhelden. Pflanzliche und tierische Abfälle werden dafür in Biogasanlagen verbrannt und dadurch in Energie umgewandelt.

Biogasanlage
Die Biogasanlage produziert Strom aus pflanzlichen und tierischen Abfällen

Danke Sonnenenergie

Auch die Daimler AG nutzt einen Superhelden um Strom zu gewinnen: Die Sonne. Auf dem Dach der neuen Logistikhalle in Germersheim wurde im Sommer 2016 eine riesige Photovoltaikanlage in Betrieb genommen. Mit einer Größe von 15.000 Quadratmetern ist die Anlage so groß wie etwa zwei Fußballfelder. Damit spart Daimler jährlich 755 Kilogramm CO2 ein.

Erneuerbare Energien am Mercedes-Benz After-Sales Standort
So groß wie zwei Fußballfelder: die Photovoltaikanlage der Daimler-Logistikhalle / Foto: Daimler

In der Autoproduktion werden erneuerbare Energien zurzeit gründlich erforscht und immer wichtiger. Denn Autos, die mit Strom statt Benzin fahren, werden in Zukunft immer wichtiger.

Energiesparen ist für die Umwelt wichtig – du kannst helfen:

Um Energie zu sparen kannst auch du deinen Beitrag leisten. Hier ein paar Tipps, die du sofort umsetzen kannst:

  • Akkus nutzen, die du immer wieder aufladen kannst, anstelle von Batterien.
  • Deine elektronischen Geräte ganz ausschalten, denn im Standby-Modus verbrauchen sie Strom.
  • Kurz duschen gehen, anstatt zu lange zu baden. Dadurch sparst du viel Wasser.
  • Deine Brötchen lieber auf dem Toaster aufwärmen, anstatt im Backofen.
  • Das Licht in deinem Zimmer ausschalten, wenn niemand drin ist.

 

Wer heute bereits Solarzellen auf dem Dach hat und seine elektrischen Geräte mit der Kraft der Sonne betreibt, ist in solchen Fällen ganz schön aufgeschmissen. Strom gibt es praktisch nur, wenn die Sonne zufällig gerade auch scheint. Auf den Strom aus dem Atomkraftwerk kann aus diesem Grund bis jetzt kaum verzichtet werden. Aber wie kann man Sonnen- oder Windenergie auch bei Nacht und Windstille verwenden?

Ionen wandern hin und her

Stationäre Energiespeicher funktionieren ähnlich wie ein Handyakku

Einer von zahlreichen Ansätzen kam vor gar nicht allzu langer Zeit auf den Markt: der „stationäre Energiespeicher“. Das sind Lithium-Ionen-Akkus und ist nichts anderes, als das, was auch in Handys und anderen modernen elektronischen Geräten eingebaut ist.

Bevor wir uns nun weiter um die stationären Energiespeicher kümmern, schauen wir uns erst einmal diese Lithium-Ionen-Akkus genauer an. Wie funktioniert so ein Akku eigentlich?

Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus vielen kleineren Batterien, sogenannten Zellen. Sie bestehen aus verschiedenen Schichten aus elektrisch leitfähigem Material. Außerdem haben sie wie eine herkömmliche Batterie, einen positiven Pol (+) und einen negativen Pol (-). Beide Pole sind durch einen sogenannten Separator voneinander getrennt. Bei der Auf- und Entladung der Zelle wandern Lithium-Ionen zwischen den Polen hin und her. Für sie ist der Separator durchlässig. Damit die Lithium-Ionen allerdings wandern können, müssen sie sich in einer wasserfreien Substanz bewegen. Die Zwischenräume der Schichten sind daher mit einem wasserfreien Elektrolyt gefüllt. Wenn der Akku nun aufgeladen wird, wandern die Ionen vom Plus-Pol zum Minus-Pol und lagern sich dort ein. Wenn der Akku entladen wird, wandern sie in die andere Richtung zurück.

Energie abspeichern

Mit einem solchen Lithium-Ionen-Akku ist es möglich, die Energie, die von Solarzellen produziert, aber nicht verwendet wurde, zu erhalten. Um sie zu einem anderen Zeitpunkt abzurufen, wird sie in elektrische Energie umgewandelt und abgespeichert. In Zukunft könnte man so die Sonnenenergie immer dann verwenden, wenn man sie braucht. Und das unabhängig davon, ob die Sonne scheint oder nicht.

Stationäre Energiespeicher
Daimler stellt stationäre Energiespeicher für elektrische Autos, Industriebetriebe und Haushalte her / Foto: Daimler AG

Vom Auto nach Hause

Der Autobauer Daimler hat diese Technologie bei den elektrischen Autos umgesetzt. Auch hier werden Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt, die die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln, um das Auto zum Laufen zu bringen. Und die Technologie hat einen großen Vorteil: Sie ist sehr sicher. Deshalb entwickelt der Autobauer auch zusätzlich stationäre Energiespeicher für Industriebetriebe und Haushalte, die man bereits kaufen kann.

Beitragsbild: www.shutterstock.com /  geniusksy

Riesiges Potential

Solarstraßen
In Zukunft sollen Solarzellen nicht mehr nur auf Dächern zu finden sein 

Die Grundidee klingt eigentlich erstmal ziemlich unkompliziert: Man baut Solarzellen, die du bestimmt von vielen Hausdächern kennst, einfach in Straßen ein. Das wären kilometerweite Strecken, die in vielen Fällen sogar direkt der Sonne ausgesetzt sind. Würde man beispielsweise in den Amerika alle vorhandenen Straßen durch Solarzellen ersetzen, könnte man allein dadurch drei Mal so viel Strom erzeugen, wie aktuell im Land verbraucht wird. Auch in Deutschland gibt es insgesamt etwa 18.000 Quadratkilometer an Straßen und anderen Verkehrsflächen, die fast fünf Prozent der Gesamtfläche der Bundesrepublik ausmacht. Entsprechend viel Energie könnte also auch hier erzeugt werden.

Mosaik aus Solarzellen

Solarstraße
Das amerikanische Tüftler-Paar Brusaw hat bereits einen Parkplatz mit ihren eigenen Solarmodulen ausgestattet /Bild: Solar Roadways

Bei den Solarstraßen soll die Technik von ganz normalen Solarzellen übertragen werden. Dabei treffen die unzähligen winzigen Energieträger im Sonnenlicht auf eine Zelle aus Silizium und werden durch mehrere Schichten in Strom umgewandelt. Um diese Technologie nun straßentauglich zu machen, gibt es verschiedene Ansätze.

Ein Ansatz stammt von einem Ehepaar aus den USA, das bereits über eine Millionen Dollar an Fördergeldern für die Entwicklung gewinnen konnte. Bei ihren Einzelmodulen in Form von Sechsecken besteht die Oberfläche aus einer Art Glas, das so hart wie Stahl, aber gleichzeitig nicht glatt ist – für die Verwendung im Straßenbau eine enorm wichtige Eigenschaft. Direkt darunter befinden sich die eigentlichen Solarzellen sowie LED-Leuchten und eine Heizung. Darunter folgt eine weitere Schicht, die alles kontrolliert und auch mit den anderen Modulen kommunizieren kann. Die unterste Schicht ist schließlich dafür zuständig, den gewonnenen Strom weiterzuleiten – an Häuser oder Ladesäulen für Elektroautos. Die einzelnen Module lassen sich zu einem kompletten Straßennetz verknüpfen.

Verschiedene Ansätze

Solarstraße
In Frankreich werden bereits Straßen mit besonders dünnen Solarzellen bedeckt /Bild: Wattway, COLAS, Joachim Bertrand

Die Alleskönner aus den USA könnten natürlich alle deine Vorstellungen wahr machen und würden sogar komplett als Asphaltersatz dienen. Doch die Technik ist kompliziert und der Preis hoch. Daher existiert bislang nur ein Parkplatz, der mit den Solarmodulen als Pilotprojekt ausgestattet wurde.

Einen Schritt weiter ist man in Frankreich. Dort wird bereits die erste Solarstraße gebaut – allerdings unter der Verwendung einer deutlich einfacheren Technik. Die Module bestehen hier nur aus den Solarzellen und sind so dünn, dass sie direkt auf den Straßenbelag aufgebracht werden können. Bis 2020 sollen eintausend Straßenkilometer mit ihnen bedeckt werden. Auch in Deutschland arbeitet man bereits an einer eigenen Technologie für Solarstraßen: Die Hochschule Aachen steckt mitten in der Entwicklung eines Prototyps. Ihr Modell orientiert sich jedoch eher an dem der Amerikaner.

SONNIGE AUSSICHTEN?

Die Erfindung der Solarstraße existiert also bereits. Doch noch gibt es einige Herausforderungen zu bewältigen. Vor allem der Aufwand und die extrem hohen Kosten für eine wirklich flächendeckende Verwendung ist den Experten aktuell noch ein Dorn im Auge – auch weil auf vielen Straßen vermutlich gar nicht so viel Strom gewonnen werden kann. Vor allem Autobahnen sind die meiste Zeit von Autos bedeckt. Somit ist die Sonneneinstrahlung entsprechend gering. Daher macht der Einsatz der Module auf weniger befahrenen Landstraßen oder Parkplätzen aktuell mehr Sinn.

Letztlich wird man dem Projekt jedoch ein bisschen Zeit geben müssen. Sind die ersten Pilotprojekte erfolgreich, könnte der Ausbau schon schnell zu einem Selbstläufer werden. Wenn wir zurückdenken, waren auch Solaranlagen mal ein Experiment. Heute sind sie ein wichtiger Energielieferant. In Form von Straßen könnten sie vielleicht schon bald einen extrem positiven Einfluss auf unsere gesamte Umwelt haben.

 

Beitragsbild: Solar Roadways