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Batterietechnologien

Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-(Lion) Batterien haben sich im Bereich portabler Anwendungen wie Laptop oder Handy innerhalb weniger Jahre als wichtigste Speichertechnologie durchgesetzt und dominieren im Moment im Elektrofahrzeug- und stationären Speichermarkt. Ihre im Verhältnis zu Blei- oder NiCd-Batterien sehr hohen Energiedichten stellen insbesondere im mobilen Bereich einen großen Wettbewerbsvorteil dar, so dass auch die bis heute noch hohen spezifischen Kosten durchgesetzt werden können. Bei der Diskussion von Lithium-Batterietechnologien muss darauf hingewiesen werden, dass hier nicht von einem einheitlichen Konzept wie z.B. bei Blei- und NiCd-Batterien ausgegangenen werden kann. Es gibt eine große Anzahl von Elektrolyten und Kombinationen von Elektrodenmaterialen, die jeweils zu unterschiedlichen Eigenschaften, etwa bezüglich der Lebensdauer oder der Sicherheit führen.

Durch die große Zahl der möglichen Materialkombinationen gibt es auch nach wie vor hohe Entwicklungspotenziale und es ist bis heute nicht klar, welches der Konzepte die besten Eigenschaften für den Einsatz im Bereich von großen Speichersystemen haben wird. Die heute noch hohen Kosten und Fragen der Sicherheit stehen einer breiten Einführung in stationären und automobilen Anwendungen zum Teil im Wege. Eine deutliche Absenkung der Kosten in den Bereich von 250 €/kWh ist für stationäre Batterien in den kommenden Jahren zu erwarten und es kann davon ausgegangenen werden, dass die Lithium-Batterietechnologie zusammen mit der Blei-Batterietechnologie die wichtigste Akkumulatortechnologie der nächsten 20 Jahren sein wird.

Lion-Batterien werden in den Produktlinien „Hochenergiebatterie“ für Entladezeiten im Bereich mehrerer Stunden (z.B. für PV-Speichersysteme) und „Hochleistungsbatterie“ für den hochdynamischen Betrieb z.B. in Hybridfahrzeugen hergestellt. Kontrovers diskutiert wird die Frage der Reichweite von Lithium bei einer stark steigenden Nachfrage durch den Verkehrssektor. Geht man von einem Lithiumbedarf von 200 g pro kWh aus (konservative Abschätzung) werden für eine 10 kWh Batterie rund 2 kg Lithium benötigt. Weltweit geht man von etwa 6 Millionen Tonnen Lithium aus, die wirtschaftlich abgebaut werden können. Dies ist zumindest in den nächsten 40 Jahren eine ausreichend große Menge, bedeutet aber auch, dass mittelfristig ein effizientes Recyclingsystem etabliert werden muss, das auch die Rückgewinnung von Lithium beinhaltet. Es ist auch zu beachten, dass sich die Lithium-Vorkommen auf relativ wenige Länder mit Schwerpunkt in Südamerika verteilen. Wichtig ist zudem, dass frühzeitig Planungssicherheit für die Betreiber der Lithium-Minen hergestellt wird, um die Produktionskapazitäten rechtzeitig erweitern zu können und damit u.a. Preisspitzen zu vermeiden.

Bei entsprechender Gestaltung des Batteriespeichersystems ist eine Aufstellung in z.B. Kellerräumen von Wohnhäusern ohne weitere gebäudeseitige Maßnahmen möglich.

Tabelle 1 : Wichtige Charakteristika von Lithium-Ionen-Batterien.

1  Für den Batterieumrichter ist ein konservativer Wirkungsgrad von 95% pro Richtung angenommen.

 

Blei-Säure-Batterien

Die bedeutendste Speichertechnologie bezogen auf die weltweit installierte Batteriekapazität ist der Blei-Säure-Akkumulator. Die wichtigsten Eigenschaften der hauptsächlich aus den Materialien Blei, Schwefelsäure und Kunststoff aufgebauten Bleibatterien, sind Energiedichten um etwa 25 Wh/kg bei Wirkungsgraden von 80 – 85%. Stationäre Bleibatterien hoher Qualität erreichen Lebensdauern von 6 – 12 Jahren bei Zyklenlebensdauern um 2.000 Zyklen, in Ausnahmen bis zu 7.000 Zyklen. Die Kosten für die Batterie liegen je nach Qualität und zu erwartender Lebensdauer zwischen 100 und 250 €/kWh. Industriebatterien werden in Europa zu nahezu 100% gesammelt und rezykliert. Aus dem zurückgewonnenen Blei werden wieder Bleibatterien hergestellt.

Eingesetzt werden verschlossene Batterien mit interner Gasrekombination (Gel- oder Vlies-Technologie) und geschlossene Batterien mit flüssigem Elektrolyt. Während die verschlossenen Batterien einen deutlich geringeren Wartungsaufwand aufweisen und durch eine geringere Ausgasung verminderte Anforderungen an die Batterieraumbelüftung stellen (ca. 5-mal kleinerer Lüftungsquerschnitt bei natürlicher Belüftung nach DIN EN 50272-2), werden mit geschlossenen Batterien längere Lebensdauern erreicht. Batteriespeicheranlagen auf Basis von Bleibatterien wurden und werden in der ganzen Welt gebaut, um lokale Probleme in der Energieversorgung zu lösen. Dazu gehören Anlagen zur Stabilisierung von Netzausläufern und zur Aufrechterhaltung von Frequenz und Spannungsstabilität.

Bleibatterien werden von zahlreichen Herstellern weltweit seit vielen Jahren angeboten und weisen demnach eine sehr gute Marktverfügbarkeit auf. Durch die hohe Recyclingquote ist auch in den kommenden Jahren nicht mit Engpässen zu rechnen. Die Technologie bietet noch ein großes Potenzial für Kostensenkungen, da Batterien für den stationären Bereich im Vergleich zu Starterbatterien in kleinen Stückzahlen in nur halbautomatisierten Fertigungsanlagen hergestellt werden. Zudem kann durch gezielte Materialoptimierung eine Verbesserung der Eigenschaften für die Anwendung erzielt werden.

Bei der Aufstellung in Wohnhäusern muss auf eine Belüftung des Batterieraums aufgrund von Batteriegasung geachtet werden. Diese Entlüftung kann durch natürliche Belüftung bereitgestellt werden, was in Gebäuden grundsätzlich bewerkstelligt werden kann.

Tabelle 2: Wichtige Charakteristika von Blei-Säure-Batterien.

 

Hochtemperaturbatterien

Natrium-Nickelchlorid- (NaNiCl2, auch Zebra-Batterie genannt) und Natrium-Schwefel-(NaS)-Batterien zeichnen sich gegenüber den vorstehend beschriebenen Batterietechnologien durch flüssige Aktivmassen und einen festen keramischen Elektrolyten aus. Um eine ausreichende Leistungsfähigkeit zu erreichen und die Aktivmassen in flüssigen Zustand zu versetzen, ist eine Betriebstemperatur im Bereich von 270 bis 350 °C notwendig. Bei Abkühlung der Batterie ist ein Laden oder Entladen nicht mehr möglich und es besteht die Gefahr des Bruchs des keramischen Elektrolyten durch thermisch-mechanische Spannungen. Bei täglicher Nutzung der Batterien kann bei entsprechend dimensionierter Isolierung die Temperatur der Batterien durch die eigene Reaktionswärme aufrechterhalten werden. Dadurch qualifizieren sich diese Batterien für Anwendungen mit regelmäßiger täglicher Zyklisierung. Findet keine Zyklisierung der Batterie statt, muss beispielsweise für eine 16 kWh-Zebrabatterie mit thermischen Verlusten von ca. 100 W gerechnet werden, die aus dem Stromnetz gespeist werden müssen. Dies entspricht einer Selbstentladung von etwa 15 %/Tag. Durch diese hohen Verluste ist ein Einsatz von Hochtemperaturbatterien zur reinen Eigenverbrauchsoptimierung in kleinen Einheiten in Frage zu stellen. Mit größer werdenden Speichereinheiten verringern sich die relativen Verluste durch das für die Wärmeverluste günstigere Volumen- zu Oberflächenverhältnis. Gearbeitet wird an Konzepten, die bei einer deutlich geringeren Temperatur betrieben werden können. Dadurch würden auch die thermischen Verluste und das Sicherheitsrisiko abgesenkt.

NaS-Batterien werden vor allem in Japan intensiv für ihren Einsatz als Speicher in Netzen erforscht und eingesetzt. So wird seit einigen Jahren von der Tokyo Electric Power Company u.a. eine Anlage mit einer Kapazität von 48 MWh und einer Leistung von 6 MW betrieben. Grundsätzlich bietet die Technologie das Potenzial zu geringen Kosten und hohen Zyklenlebensdauern. Technische Herausforderungen bestehen insbesondere bei der Produktion der Festkörperelektrolyte, der Dichtungen und den Sicherheitssystemen. NaS-Batterien stellen demnach für zentrale Speichersysteme, beispielsweise auf Wohnsiedlungsebene, eine gute Alternative dar, insbesondere wenn der Speicher zusätzlich zur Eigenverbrauchsoptimierung auch für andere Netzdienstleistungen eingesetzt wird. Aktuell kämpft der japanische Hersteller von NaS-Batterien, die Firma NGK, auch mit der Suche nach Ursache für zwei Brände in Batterieanlagen.

Problematisch bei beiden Hochtemperatur-Batterietechnologien ist die stark eingeschränkte Anbietersituation. NaS-Batterien werden ausschließlich von der Firma NGK (Japan) und die  Zebra-Batterien nur von den Firmen FZ Sonick (Italien) und General Electric (Durathon Battery) hergestellt. Dadurch hat für diese Technologien noch keine Marktpreisbildung stattgefunden und es besteht eine Abhängigkeit von jeweils einzelnen Herstellern.

NaS und NaNiCl2-Batterien können prinzipiell in den Systemen zur Einspeisebegrenzung eingesetzt werden. Deren Einsatz im Bereich kleinerer Anlagen im Hausbereich ist dabei eher unwahrscheinlich, da die Wirtschaftlichkeit durch die hohen thermischen Verluste der Hochtemperaturbatterien nur schwer darstellbar ist. Für größere Anlagen im Bereich von Mehrfamilienhäusern sowie Gewerbebetrieben und kommunalen Gebäuden könnten derartige Batterien in Frage kommen, allerdings haben diese Batterien auch ihre Stärke bei Energie- zu Leistungsverhältnissen die eher größer als 2 sind, da beide Batterietechnologien relativ hohe Innenwiderstände und damit geringe Leistungsfähigkeiten aufweisen. Insgesamt ist also, wenn überhaupt nur bei einem kleinen Anteil der Anlagen mit einer derartigen Hochtemperaturbatterie zu rechnen. Hier dürfte insbesondere auch die Frage der Versicherung eines Brandrisikos bei Installation in geschlossenen Gebäuden innerhalb kurzer Zeit schwer zu lösen sein.

Tabelle 3 : Wichtige Charakteristika von Natrium-Nickelchlorid-Batterien.

Tabelle 4 : Wichtige Charakteristika von Natrium-Schwefel-Batterien.

 

Nickel-Cadmium- / Nickel-Metallhydridbatterien

Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd) sind ein sehr robustes elektrochemisches und mechanisches System. Sie zeichnen sich vor allem durch eine hohe Robustheit gegenüber Tiefentladung und Überladung aus. Sie zeigen eine hohe Kapazitätsausnutzung bei hohen Stromraten sowie hohe Ladeleistungen. Im Vergleich zu anderen Akku-Technologien haben NiCd-Akkus eine akzeptable Leistung auch bei niedrigen Temperaturen von -20 °C bis -40 °C. Darüber hinaus haben sie eine lange Lebensdauer. Der Zykluswirkungsgrad von NiCd-Akkus ist aufgrund der geringen Zellspannung von 1,2 V relativ gering und beträgt nur etwa 70 – 75 %.

Ähnlich wie bei Bleibatterien, sind auch aus NiCd-Batterien aufgebaute Großbatterien in Betrieb. So wurde z. B. in Alaska eine Batteriespeicheranlage von den Unternehmen Saft und ABB in Betrieb genommen (40 MW für 7 min., 26 MW für 15 min.). Gegenüber Bleibatterien werden bei höheren Kosten (Faktor 2 bis 3), geringerem Wirkungsgrad und besserer Tieftemperatureigenschaft längere Zyklenlebensdauern erreicht. Die Verwendung von Cadmium ist kritisch und aus diesem Grund ist die Nutzung dieser Batterietechnologie im Haushaltselektronikbereich EU-weit verboten. Für industrielle Anwendungen dürfen NiCd-Batterien weiter eingesetzt werden. Es stehen eine Reihe von Technologievarianten zur Verfügung, mit denen jeweils die spezifischen Anforderungen (Lebensdauer, Zyklenzahl, Leistungsanforderung) optimiert werden können.

Nickel-Metallhydridbatterien (NiMH) spielen für stationäre Anwendungen so gut wie keine Rolle. Gründe hierfür sind die im Vergleich zu alternativen Technologien hohen Kosten und die relativ geringe Lebensdauer bei hoher Zyklentiefe. Die Hauptmärkte für NiMH-Batterien sind tragbare Geräte und Hybridfahrzeugbatterien.

Bei der Aufstellung von Nickelbatterien ist, ebenso wie bei Bleibatterien, auf eine Belüftung des Batterieraumes zu achten (DIN EN 50272-2).

Nickel-Cadmium- und Nickel-Metall-Hydrid-Batterien kommen aus technischer Sicht prinzipiell für den Einsatz in PV-Speichersystemen in Betracht. Es ist aktuell aber nicht zu erkennen, dass Anbieter von PV-Batterie-Speichersystemen auf diese Technologien setzen. Grundsätzlich gilt für beide Technologien das Kostensenkungspotenzial als nicht ausreichend, um mittelfristig in derartigen Anwendungen wettbewerbsfähig zu sein. Es ist aber nicht auszuschließen, dass es zur Installation von wahrscheinlich wenigen Anlagen mit diesem Batterietyp kommt. Dabei sollte seitens dieses Förderprogramms keine über den aktuellen gesetzlichen Stand hinausgehende Bewertung der Umweltverträglichkeit vorgenommen werden. Insbesondere bei NiCd-Batterien steht das Cadmium in der Diskussion, nach aktuellem Stand wären entsprechende Batterien aber erlaubt, sofern die Batteriesysteme nicht als „Consumer-Anwendung“ sondern als „Industrieanwendung“ klassifiziert werden.

 

Tabelle 5 : Wichtige Charakteristika von Nickel-Cadmium-Batterien.

 

Redox-Flow-Batterien (insbesondere Vanadium-Redox-Flow)

Bei Redox-Flow-Batterien besteht das aktive Material aus in einem Lösungsmittel gelösten Salzen, wobei Lösungsmittel und Salze zusammen auch als Teil des Elektrolytsystems wirken. Der Elektrolyt wird in Tanks gelagert und bei Bedarf einer zentralen Reaktionseinheit für den Lade- oder Entladeprozess mittels Pumpen zugeführt. Da die Löslichkeit der Salze in den Lösungsmitteln typischerweise nicht sehr hoch ist, werden Energiedichten im Bereich der Bleibatterie erreicht. Die zentrale Reaktionseinheit besteht aus Elektroden, Verteilplatten für die Flüssigkeiten und einer Membran. Der Arbeitsprozess ähnelt dem einer Wasserstoffbrennstoffzelle bzw. einem Elektrolyseur. Die Tankgröße bestimmt den Energieinhalt der Batterie und die Größe der Reaktionseinheit die Leistung der Batterie. Wichtige Kombinationen von Salzen, die erprobt werden, sind u.a. Fe/Cr, Br2/Cr, Vanadium/Vanadium und NaBr+Na2S4/Na2S2+NaBr3 (Regenesys®). Dabei ist die Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRF: Vanadium-Redox-Flow) eine besonders interessante Variante, da Vanadium in vier verschiedenen Wertigkeiten stabil ist und in beiden Elektroden verwendet werden kann. Aus diesem Grund kommt es nicht zu einer Verunreinigung durch den Durchtritt von Ionen durch die Membran. Allerdings ist bei Vanadium-Batterien das Grundmaterial relativ teuer. Andere Materialkombinationen eröffnen ein deutlich höheres Kostensenkungspotenzial. Grundsätzlich eignet sich diese Batterietechnologie sehr gut für einen großtechnischen Einsatz, da der Bau großer Tanks sehr einfach und effektiv umgesetzt werden kann. Die Anlieferung des Elektrolyten mit dem gelösten Salz kann einfach und effizient über Tanklastwagen erfolgen. Der gesamte Aufbau der Anlage kann daher frei von Spannung und ohne wesentliches Sicherheitsrisiko erfolgen. Lebensdauern von über 10.000 Zyklen können erreicht werden. Neben einer Reihe von Demonstrationsanlagen beginnt derzeit der kommerzielle Vertrieb von Vanadium-Redox-Flow-Batterien auch außerhalb Japans, wo es schon seit längerem Anlagen dieser Art gibt. Insbesondere bei den Vanadium-Batterien kann der Elektrolyt vollständig durch einen externen Recyclingprozess wieder regeneriert und damit ohne Verluste des Vanadiums wiederverwendet werden.

Vanadium-Batterien werden nur von wenigen Herstellern weltweit in kleinen Stückzahlen angeboten, u.a. von Cellstrom (Österreich), Prudent Energy (USA), V-Fuel (Australien) und Cellennium (Thailand).

Eine Aufstellung von Redox-Flow-Batterien in Einfamilienhäusern ist aus mehreren Gesichtspunkten als kritisch zu betrachten:

  • Wartungsaufwand durch Pumpen, Dichtungen usw. im Batteriesystem
  • Kosteneffizienz nur bei großen Anlagen vorhanden
  • Spezielle Anforderungen an den Batterieraum aufgrund großer Säuremengen

 

Die kleinsten am Markt verfügbaren Redox-Flow-Batteriesysteme liegen derzeit im Bereich von rund 10 kW Leistung. Ein solches Speichersystem kommt also, wenn dann im Wesentlichen für größere Anlagen im Bereich von Mehrfamilienhäusern sowie Gewerbebetrieben und kommunalen Gebäuden in Frage. Allerdings werden wirtschaftliche Speicheranlagen im Rahmen dieses Programmes typischerweise Energie- zu Leistungsverhältnisse im Bereich von 1 bis 2 haben. Redox-Flow Batterien spielen ihre systemischen Vorteile umso besser aus, je größer dieses Verhältnis ist. Insbesondere muss auch geklärt werden, wie das Risiko austretender Schwefelsäure bei Undichtigkeit in Wohnhäusern eingeschätzt wird. Daher gehen wir davon aus, dass der Anteil der Installationen mit Redox-Flow-Batterien für ein Förderprogramm keine wesentliche Rolle spielen wird.

Tabelle 5: Wichtige Charakteristika von Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Für andere Materialien können sich grundsätzlich andere Werte ergeben.

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