Die Zukunft der Energiespeicherung – Technologie für netzskalige Batterien

Der Stromnetzbedarf an Batterien

Batterien haben sich von einer günstigen Komponente kleiner Elektronik zu einer teuren Schlüsselkomponente der Elektrofahrzeug‑Revolution entwickelt. Aber es gibt einen weiteren Sektor neben der Mobilität, der immer größere Batteriekapazität benötigt: das Stromnetz.

Erneuerbare Energien wachsen als Teil der gesamten Stromerzeugung. Sie sind jedoch intermittierender als fossile Kraftwerke, da sie meist nur Strom erzeugen, wenn die Sonne scheint oder der Wind weht. Das kann nicht mit den Zeiten des Spitzenverbrauchs zusammenfallen, die oft am Abend oder im Winter liegen. Das Stromnetz speichert keinen Strom, muss jedoch jederzeit zwischen Erzeugung und Verbrauch ausgeglichen werden.

Je mehr erneuerbare Erzeugung, desto mehr Batterien werden benötigt, um das Stromnetz stabil zu halten. Dies ist ein bedeutender Bereich neuer Energieinvestitionen, wobei Projekte für netzskalige Batterien geplant sind, die die aktuelle Kapazität bis 2025 mehr als zu verdreifachen.

Quelle: EIA

Derzeit verwenden viele dieser Batteriefelder Lithium‑Ionen‑Batterien. Das könnte sich jedoch ändern.

Verschiedene Anforderungen

Derzeit hat sich die Batterienindustrie hauptsächlich darauf ausgerichtet, den Markt für Kleingeräte und Elektrofahrzeuge zu bedienen. Das liegt daran, dass beide ähnliche Anforderungen an die ideale Batterie haben:

• Klein und leicht, also mit hoher Energiedichte gemessen in Wh/kg.
• Im normalen Temperaturbereich funktionieren.
• Nicht extrem preissensibel.
• Sollte mindestens 5–10 Jahre halten, bei etwa einer vollen Ladung pro Tag.

Für dieses spezifische Kriterien‑Set war Lithium‑Ion‑Technologie bisher die beste Batterietechnologie. Das könnte sich bald ändern, mit Möglichkeiten wie Festkörperbatterien, Natrium‑Ion‑ oder Lithium‑Eisenphosphat‑Batterien (LFP) als potenzielle Alternativen. Mehr dazu finden Sie in unserem Artikel: “Die Zukunft der Mobilität – Batterietechnologie”.

Aber Batterien für das Stromnetz / großskalige Anwendungen haben ganz andere Anforderungen.

• Keine harten Gewichtsgrenzen. Batterien werden nicht bewegt, sodass ein Gewicht, das ein Elektrofahrzeug lahmlegen würde, kein Problem darstellt.
• Keine harten Platzbeschränkungen. Batteriefelder werden auf günstigem Land rund um Kraftwerke gebaut. Es muss nicht eng in den Rahmen eines Computers oder eines Elektrofahrzeugs gepackt werden.
• Hohe Temperaturen sind nicht so problematisch. Wenn eine bestimmte Chemie bei 200 °C besser funktioniert, wird das die Passagiere eines Elektrofahrzeugs nicht verbrennen. In den meisten Ländern müssen die Batterien jedoch Kälte standhalten, da das Aufwärmen im Winter sehr kostspielig wäre – etwas, womit Lithium‑Batterien Schwierigkeiten haben können.
• Die Kosten pro Wh sind der wichtigste Faktor.
• Je länger die Batterie hält, desto mehr können ihre Kosten über einen langen Zeitraum amortisiert werden, wobei Versorgungsunternehmen an Investitionen mit einem Zeithorizont von 30–40 Jahren gewöhnt sind.

Angesichts der sehr unterschiedlichen Anforderungen zwischen Elektrofahrzeugen und großskaligen Batterien ist es nicht überraschend, dass neue Technologien und Batteriematerialien entwickelt werden, um kostengünstigere Lösungen für Energieversorger und Netzbetreiber zu bieten.

In der Praxis können wir erwarten, dass mehrere verschiedene Energiespeichertechnologien gemeinsam „gewinnen“, da einige besser für die sofortige Netzbalancierung geeignet sind und andere für unterschiedliche Zeitskalen (Stunden, Wochen, ganze Jahreszeiten).

Quelle: CleanTech

Während dieser Artikel Ihnen einen Überblick über das Thema gibt, möchten Sie vielleicht auch diesen detaillierten Bericht von Ara Ake über stationäre Energiespeichersysteme lesen.

Neue Batteriematerialien für netzskalige Anwendungen

Aus Elektrofahrzeugen abgeleitete neue Chemien

Der Bau von Batterien ist ein Skalierungsspiel. Die größten Produktionschargen mit der tiefsten Lieferkette können Skaleneffekte nutzen und somit günstigere Kosten pro Wh erzielen.

Aus diesem Grund setzen einige Unternehmen für netzskalige Batterien auf kostengünstige Batteriematerialien, die bereits in Elektrofahrzeugen verwendet werden, um die lithium‑ion‑basierte Speicherung zu ersetzen.

LFP‑Batterien

Eine Option ist LFP (Lithium‑Eisenphosphat), ein guter Kandidat für kostengünstige EV‑Batterien und eine Batteriematerialie, die nicht auf teures Kobalt und Nickel angewiesen ist. Sie sind zudem langlebiger als Lithium‑Ion‑Batterien, was sie langfristig noch wirtschaftlicher macht. Dies ist bereits in fertigen, netzskaligen Lösungen verfügbar, unter anderem von Branchenführern wie CATL oder BYD.

Natrium‑Ion‑Batterien

Neben Kobalt und Nickel kann Lithium selbst zeitweise sehr teuer sein, abhängig von den Preisschwankungen. Der Ersatz durch das reichlich vorhandene Natrium kann die Preise weiter senken. Es ist etwas weniger energiedicht (Wh/kg) als LFPs, aber auch günstiger, sodass es ein noch besserer Kandidat für ein Batteriematerial sein könnte, das sowohl in EVs als auch im Stromnetz funktioniert.

Redox‑Flussbatterien

Diese Batteriekategorien basieren auf dem chemischen Prozess der Oxidation und Reduktion von Metall. Für Redox‑Flussbatterien können verschiedene Metalle sowie andere Arten von Ionenflüssen verwendet werden.

Quelle: CellCube

Eisen‑Luft‑Batterien

Diese Batterien funktionieren, indem sie die Oxidation von Eisen (gemeinhin als Rost bekannt) nutzen. Die Batterien erzeugen Strom durch Oxidation von Eisen und kehren den Prozess um, indem sie Strom verbrauchen.

Der Hauptvorteil besteht darin, dass durch die Nutzung extrem günstiger Materialien diese Batterien äußerst kosteneffizient sein könnten. Befürworter dieser Technologie behaupten, dass Eisen‑Luft‑Batterien zehnmal günstiger, leistungsfähiger und siebzehnmal langlebiger seien. Der Nachteil, dass die Batterien groß, schwer und langsam beim Laden oder Entladen sind, sollte für großskalige Anwendungen kein Problem darstellen. Unternehmen wie Form Energy bauen bereits Anlagen, um diese Batterien in Massenproduktion herzustellen.

Zink‑Batterien

Durch die Verwendung eines weiteren günstigen Metalls umfassen diese Batterien mehrere Optionen wie Zink‑Brom, Zink‑Mangan oder Zink‑Luft‑Chemien. Der Hauptvorteil dieser Technologie ist ihre sehr lange Speicherkapazität bei minimalen Verlusten/Entladungen. Das könnte sie zu einem guten Kandidaten für die Speicherung von Windenergie machen, da windlose Tage manchmal mehrere Wochen dauern können – etwas, wofür Batterietechnologien mit weniger langlebiger Speicherung Schwierigkeiten haben. „Zink‑Batterien werden laut dem Energieanalysten Avicenne Consulting bis 2030 voraussichtlich 10 % des Speichermarktes ausmachen.“ Einige bemerkenswerte Unternehmen in diesem Bereich sind Redflow (Zink‑Brom) und Zinc8 (Zink‑Luft).

Vanadium‑Redox‑Flussbatterien – VRFB

Vanadium ist ein Metall, das heute hauptsächlich bei der Herstellung von Edelstahl verwendet wird. In Batterien könnte es Batterien ermöglichen, die sich ideal für tägliche Zyklen und die Glättung der Produktionskurve erneuerbarer Energien während des Tages eignen, da sie mindestens 10 Lade‑Entlade‑Zyklen pro Tag bewältigen können und zudem eine gute Speicherfähigkeit von bis zu 24 Stunden besitzen. Die Lebensdauer der Batterie kann sehr lang sein, bis zu 20–25 Jahre, und selbst dann müssten nur die Kunststoffrahmenteile ausgetauscht werden, während die Metallkomponenten fast vollständig recycelbar sind.

Der Sektor ist sehr aktiv, wobei Unternehmen wie CellCube, Invinty Energy Systems, Rongke Power und VRB Energy an dieser Technologie arbeiten.

Meersalz‑ / wässrige Salz‑Wasser‑Batterien

Dieses Konzept beruht auf dem Fluss von Salzionen durch eine Membran zur Energiespeicherung. Eine Version dieser Batterie, hergestellt von Salgenx, verwendet überhaupt keine Membran, was Kosten, Komplexität und Wartung reduziert, jedoch mit einem speziell angefertigten Elektrolyten, der nicht mit Wasser vermischt.

Geschmolzene Metallbatterien

Das Konzept basiert auf der Aluminiumgewinnung, einem sehr stromintensiven Prozess; was wäre, wenn es umgekehrt werden könnte?

Ein großer Teil der Batteriekosten entsteht durch die Fertigungsschwierigkeiten. Anoden und Kathoden müssen perfekt getrennt sein, um Kurzschlüsse zu vermeiden.

In einer geschmolzenen Metallbatterie sind alle drei Hauptkomponenten – Anode, Kathode und Elektrolyt – flüssig. Sie trennen sich aufgrund unterschiedlicher Dichte von selbst. Die Tatsache, dass keine festen Komponenten vorhanden sind, sollte theoretisch die Lebensdauer der Batterie dramatisch erhöhen, sowie ein sehr schnelles Laden und Entladen ermöglichen und vollständig recycelbar sein.

Das Unternehmen Ambri, das eine Calcium‑ und Antimon‑Batterie verwendet, strebt an, bis 2024 in seiner neuen Fabrik 200.000 Batteriezellen pro Jahr zu produzieren, und ist seit 2022 Lieferant für Microsoft.

Quelle: Ambri

Das Unternehmen NGK Insulator arbeitet ebenfalls an einer Natrium‑Schwefel‑Geschmolzsalz‑Batterie, und das Unternehmen FZSoNick arbeitet an einer Natrium‑Nickel‑Chlorid‑Batterie.

Metall‑Wasserstoff‑ / Nickel‑Wasserstoff‑Batterien

Diese Batterien wandeln Wasserstoff in Wasser um und oxidieren anschließend ein Metall. Während Nickel nicht das einzige mögliche Kathodenmetall in dieser Technologie ist (Alternativen können Mangan, Blei oder Eisen sein), ist es die häufigste und energiedichteste Option.

Dies ist die Art von Batterie, die von der NASA auf der ISS (International Space Station) verwendet wird.

Diese Technologie hätte den Vorteil, sehr sicher zu sein, ohne Wartungsaufwand und mit einem breiten Temperaturbereich von -40 bis +60 °C zu funktionieren.

Diese Technologie wird insbesondere von Enervenue gefördert, das 2020 aus dem Stealth‑Modus hervorging und im September 2023 eine neue Version seiner Batterie mit einer Lebensdauer von 30 Jahren und 30.000 Zyklen präsentierte. Wasserstoff‑Mangan‑Batterien werden von RFC Power entwickelt.

CO₂‑Batterien

Steigende CO₂‑Werte sind der Antrieb hinter dem Vorstoß für erneuerbare Energien und Elektrifizierung und damit auch hinter dem wachsenden Batteriebedarf. Es wäre daher etwas ironisch, dass dasselbe Molekül zur Speicherung erneuerbarer Energie verwendet wird.

Die CO₂‑Batterie von Noon Energy spaltet CO₂ in Kohlenstoff und Sauerstoff, um Energie zu speichern. Die Flussbatterie wird bei hohen Drücken und Temperaturen von 50 bis 200 bar und 600 bis 800 °C betrieben. Dieser Batterietyp wurde zuerst für den Mars‑Rover Perseverance entwickelt.

Das sollte nicht mit der „CO₂‑Batterie“ von Energy Dome verwechselt werden, die auf dem Zyklus von Verflüssigung und Verdampfung von CO₂ beruht und somit keine echte Batterie, sondern eher ein komprimiertes Gasenergiespeichersystem ist.

Natrium‑Schwefel‑Batterien

Diese Batterien waren bisher auf Anwendungen beschränkt, bei denen die Batterie bei hohen Temperaturen (300 °C) gehalten wurde. Das könnte für großskalige Anwendungen kein Problem darstellen. Die Technologie ist jedoch noch relativ neu und fehlt derzeit an Skalierung und Massenproduktion. Die Herstellung sehr langlebiger Batterien kann ebenfalls eine technologische Herausforderung sein.

Polymer‑Batterien

Auch als Plastik‑Batterien bezeichnet, verwendet dieses Konzept leitfähige Polymere anstelle von Lithium oder anderen Metallen. Der Hauptvorteil dieses Konzepts liegt darin, dass es auf einfacher Herstellung und leicht verfügbaren Materialien beruht. Die resultierende Batterie wäre zudem sehr langlebig und sicher im Betrieb.

Polyjoule, ein MIT‑Spin‑off, ist einer der Vorreiter dieser Idee. Langfristig könnte es jedoch kein Batterietyp sein, der die Kosten so stark senken kann wie einige andere Alternativen.