Seltsame Energiespeicherlösungen könnten dazu beitragen, dass das Stromnetz erneuerbar wird

Aug 09, 2023

Wir alle kennen Batterien. Egal, ob es sich um Einweg-AAs in der TV-Fernbedienung oder riesige Anlagen voller wiederaufladbarer Zellen zur Speicherung von Strom für das Stromnetz handelt, sie sind Teil unseres täglichen Lebens und werden gut verstanden.

Für Netzspeicherzwecke sind jedoch neue Technologien zur Energiespeicherung in Sicht, die sich stark von den herkömmlichen Batterien unterscheiden, die wir gewohnt sind. Diese Technologien sind der Schlüssel zur optimalen Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Solar- und Windkraft, die nicht ständig verfügbar sind. Werfen wir einen Blick auf einige dieser Ideen und wie sie das, was wir unter „Batterie“ verstehen, radikal verändern.

Normalerweise bestehen die von uns verwendeten Batterien aus einem Metall- oder Kunststoffgehäuse mit etwas Elektrolyt darin, eingebettet zwischen Elektroden. Normalerweise liegt der Elektrolyt in Pasten- oder Gelform vor und im Grunde genommen betrachten wir Batterien als typischerweise feste Objekte, auch wenn sie innen klebrig sind.

Iron-Flow-Batterien funktionieren auf ganz andere Weise. Sie nutzen flüssigen Elektrolyten, der bei Bedarf in eine Batterie gepumpt wird, um Strom zu erzeugen. Der Elektrolyt besteht aus Eisenionen in Lösung, typischerweise in Form wässriger Lösungen wie Eisenchlorid oder Eisensulfat.

Typische Elektrodenmaterialien sind Kohlenstoff für die positive und negative Seite, wobei die Batterie aus zwei Halbzellen mit einem porösen Separator dazwischen besteht. Beim Laden der Batterie werden die Eisen(II)-Ionen in der positiven Halbzelle unter Abgabe von Elektronen zu Eisen(III)-Ionen oxidiert. In der negativen Halbzelle nehmen die Eisen(II)-Ionen Elektronen auf und werden zu Eisen(0), wobei das metallische Eisen die negative Elektrode selbst überzieht. Wenn die Batterie in eine Last entladen wird, laufen diese Reaktionen umgekehrt ab, wobei das Metall an der negativen Halbzellenelektrode wieder in Lösung geht.

Iron-Flow-Batterien haben den Vorteil, dass sie skalieren. Größere Tanks und größere Zellen können problemlos gebaut werden, was ideal für Netzanwendungen ist, bei denen viele Megawattstunden Energie gespeichert werden sollen. Ein weiterer Vorteil ist die Zyklenlebensdauer einer Eisenflussbatterie, die zwischen 10.000 und 20.000 Zyklen liegt. Das ist eine Größenordnung besser als bei den meisten Lithium-Ionen-Zellen und verleiht Iron-Flow-Batterien eine Lebensdauer in der Größenordnung von 10 bis 20 Jahren oder sogar länger.

Auch die verwendeten Chemikalien sind günstig und leicht verfügbar – Eisen und seine Salze sind fast überall auf der Welt leicht zu beschaffen. Es besteht kaum Bedarf an den begehrten Seltenerdmetallen, die für die Herstellung hochwertiger Lithium-Ionen-Zellen von entscheidender Bedeutung sind. Darüber hinaus sind auch die verwendeten Chemikalien sicher – in einer Iron-Flow-Batterie gibt es eigentlich nichts, was im Gegensatz zu anderen Technologien explodieren oder Feuer fangen kann.

Allerdings bringt die Iron-Flow-Batterie auch einige Nachteile mit sich. Die Technologie verfügt einfach nicht über die Leistungsdichte von Lithium-Ionen-Batterien, daher ist mehr Platz erforderlich, um eine Batterie zu bauen, die die gleiche Leistung liefern kann. Darüber hinaus skaliert die Eisenflussbatterie aufgrund der Plattierungsreaktion an der negativen Elektrode nicht so gut wie einige andere theoretische Designs. Andere Flow-Batterien benötigen lediglich mehr Elektrolyt, um weiterhin Energie zu produzieren, wobei die Größe der Elektroden in diesem Zusammenhang keine Rolle spielt. Darüber hinaus speichert die Technologie zwar elektrische Energie direkt im chemischen Sinne, Eisen-Flow-Batterien sind jedoch in der Regel immer noch weniger effizient als Wasserkraft-Pumpspeicher, sofern geeignetes Land verfügbar ist. Moderne Wasserkraftspeichermethoden können dieser Anforderung jedoch entgegenwirken.

Unternehmen entwickeln heute die Technologie für reale Anwendungen. Flussbatterien in Schiffscontainergröße von Unternehmen wie ESS sind mit Kapazitäten von bis zu 500 kWh erhältlich, wobei die Leistung hoch genug ist, um Dutzende Häuser über einen Zeitraum von 12 Stunden mit Strom zu versorgen. Durch das Stapeln mehrerer Einheiten in einer einzigen Installation lässt sich die Kapazität je nach Bedarf skalieren. Sie zielen auf den sogenannten „Langzeitspeichermarkt“ für die Speicherung von Energie in der Größenordnung von 4 bis 24 Stunden ab. Dies macht sie ideal für Anwendungsfälle wie die Speicherung von Energie während der täglichen Sonnenspitzen zur Nutzung in den dunklen Nachtstunden.

Kohlendioxid ist überall um uns herum und ein wichtiger Bestandteil der Atmosphäre. Außerdem ist es ein Gas, das bei Umgebungstemperatur problemlos als Flüssigkeit gelagert werden kann, solange man es unter ausreichenden Druck setzt. In dieser Form nimmt es deutlich weniger Platz ein und auch beim Phasenübergang kann Energie gewonnen werden. Energy Dome ist ein Unternehmen, das erkannt hat, dass dieses Grundstück nützlich sein könnte, und ein Speichersystem entwickelt hat, das auf dem vorherrschenden Gas basiert.

Um die Kohlendioxid-„Batterie“ aufzuladen, wird Energie aufgewendet, um das gasförmige CO2 in eine Flüssigkeit zu verdichten. Die beim Kompressionsprozess entstehende Wärme wird in einem thermischen Energiespeichersystem gespeichert. Um Strom zu gewinnen, wird das flüssige CO2 aus der zuvor gespeicherten Wärme erwärmt und durch eine Turbine expandiert, wodurch Strom erzeugt wird. Das Design nutzt CO2 in einem geschlossenen System. Die Energie wird im auf das CO2 ausgeübten Druck und im Phasenwechsel gespeichert und nicht in einer chemischen Reaktion. Es handelt sich also nicht wirklich um eine „Batterie“ an sich, ebenso wenig wie um einen Wasserkraft-Pumpspeicher, sondern um ein Energiespeichersystem.

Das System hat den Vorteil, dass es auf einfacher, gut verstandener und bereits verfügbarer Ausrüstung aufgebaut ist. Es ist schließlich nichts Radikales daran, Gase zu komprimieren oder sie durch Turbinen auszudehnen. Außerdem sind keine teuren Seltenerdmaterialien oder gar große Mengen an Kupferkabeln erforderlich, wie bei Lithium-Ionen-Batteriespeicherlösungen.

Energy Dome plant bereits einen kommerziellen Einsatz in den USA bis 2024. Es wurden bereits Tests im Maßstab von mehreren Megawatt durchgeführt, was das Grundprinzip der Technologie verdeutlicht. Das Unternehmen hat außerdem eine Vereinbarung zum Bau einer Anlage für das italienische Energieunternehmen A2A mit einer Kapazität von 200 MWh und einer Stromlieferung von 20 MW erhalten.

Tatsache ist, dass mit der Umstellung der Netze auf der ganzen Welt auf Lösungen für erneuerbare Energien der Bedarf an der Speicherung dieser Energie immer größer wird. Traditionelle Lösungen wie Wasserkraft-Pumpspeicher sind nach wie vor relevant, ebenso wie die großen Installationen von Lithium-Ionen-Batterien, die überall auf der Welt entstehen.

Allerdings führen andere Umstände dazu, dass auch andere Speichertechnologien ihre eigene Nische finden können. Insbesondere diejenigen, die auf billige, leicht verfügbare Materialien angewiesen sind, werden einen Vorteil haben, insbesondere angesichts der geopolitischen und Lieferkettenprobleme, mit denen wir heute konfrontiert sind. Erwarten Sie, dass in diesem Bereich weitere neue Technologien auftauchen, da die Speicherung erneuerbarer Energien in Zukunft ein wichtiger Bestandteil unseres Stromnetzes wird.