SERIE: Energiespeicher, das Missing Link der Energiewende

Strom, in wattierten Kuverts
Nach der PC-, die Handy- und nun die Batterie-Revolution

Die erste Revolution hat den Chipmarkt explodieren lassen, erst dadurch wurden kleine Handtelefone möglich, was die Frage nach deren Stromversorgung in Gang gebracht hatte.

Die Dimension, die effiziente und leistungsfähige Stromspeicher für unser Leben bedeuten, übersteigt jedoch bei Weitem den Bereich des modernen Smartphones. Einige Beispiele:

Elektrisch mobil

Da wäre einmal der TESLA S, das Elektroauto mit einer Reichweite von über 300 km. Es gehört zum Premiumsegment und verkauft sich in Kalifornien besser als seine Klassenkonkurrenten wie etwa der Mercedes S. Warum ist einfach: Wer einmal das leise, geruchlose E-Fahren ohne Schaltvorgänge erlebt hat, das immer auch mit einer deutlich besseren Beschleunigung gepaart ist, möchte es nie mehr missen.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/65/Tesla_Model_S_Indoors.jpg/1280px-Tesla_Model_S_Indoors.jpg?uselang=de ©: Steve Jurvetson, Wikimedia Commons
Die Lithium-Ionen-Batterie des TESLA S findet sich im Unterboden und wiegt 544 kg. Das Fahrzeug wiegt 2.100 kg. Die 700 PS der gewichtigen Limousine mit je einem Kofferraum vorne und hinten würden die meisten Sportwagen bei einem Ampelstart alt aussehen lassen. (©: Steve Jurvetson, Wikimedia Commons)

Leichtere und auch billigere Batterien werden folglich, dazu muss nicht ein Orakel befragt werden, den Verbrennungsmotor verdrängen. Zur technisch und ökonomisch brillanten Batteriezukunft weiter unten. Zuerst noch weitere Kernanwendungen für Batterien.

Stromautonom

Die Energiewende beim Strom besteht aus vielen kleinen und dezentralen Anlagen, wie etwa einem Windpark oder einer Solarstromanlage auf einem Hausdach. Vom Dach geernteter Strom kann jedoch laut Praxistests nur zu ca. 20 % bis 30 % im Einfamilienhaus genutzt werden. Der Rest wandert ins öffentliche Netz. Nachts, wenn auch die Sonne schläft, wird in den eigenen vier Wänden weiterhin Strom benötigt. Zu Mittag Stromspitzen für die Nacht zu speichern, wäre die Lösung. Eine Batterie muss her. Doch die ist noch teuer, Betonung auf noch. Wiewohl sich zugleich die kommende Stromautonomie im Smart Home bzw. in einer smarten Fabrik abzuzeichnen beginnt. Dank Förderungen, in der BRD national, in Österreich in einigen Bundesländern sind bereits einige tausend Systeme im Einsatz.

Das sind die Komponenten für die Stromautonomie: Ein Lithium-Ionen-Stromspeicher gepaart mit einer Solarstromanlage für ein Einfamilienhaus. Das Video erläutert in ca. 3 Minuten die Funktionsweise, darin enthalten eine Notstromversorgung bei Stromausfall.

Spannender Netzausgleich

Für ein spezielles, aber wesentliches Problem der Energiewende sind Speicher ebenfalls das Missing Link: Wind bläst unterschiedlich heftig und Wolken verdecken die Sonne: Dadurch produzieren Ökostromanlagen unregelmäßig und im Netz schwanken Stromfrequenz und -spannung. Den Ausgleich können an regionalen Netzknoten platzierte Großbatterien im Ausmaß einiger Container bewerkstelligen, wie erste Erfahrungen zeigen. Rechnet sich eine derartige Netzstützung? Mitunter schon heute, ist die erfreuliche Antwort. Denn Netzbetreiber ersparen sich den noch viel teureren Netzausbau, um Strom von sonst woher zu holen – inklusive Leitungsverluste.

 

http://images04.futurezone.at/24476965-lithium_tugraz/626x352/24.486.967?.jpg © TU Graz, ICTM
Am Christian-Doppler-Labor für Lithium-Batterien der TU Graz forscht man seit 2013 an der Verbesserung von Batterien, insbesondere um deren Lebensdauer zu verlängern. (© TU Graz, ICTM)
Billig und billiger

Wann also sind Forschung und Entwicklung nun soweit? Die erfreuliche Nachricht lautet, die Fortschritte lassen sowohl technisch als auch ökonomisch Allerbestes erwarten. Eine neue Studie zu den Batteriekosten bilanzierte für die Jahre 2007 bis 2014 einen durchschnittlichen Preisverfall von 14 %, und zwar pro Jahr!

In den kommenden Jahren folglich mit Preissenkungen von zumindest 10 % pro Jahr zu kalkulieren, wäre alles andere als überzogen. Oder noch zu konservativ, wenn man die vor kurzem in „The Korea Times“ nachzulesende Preiszukunft des Batterieherstellers LG Chem Betracht zieht. Präsident Kwon Young-soo meinte nämlich: „Ab nächstes Jahr werden einige unserer in chinesischen LG-Werken produzierten Batterien für Elektroautos bis zur Hälfte preisreduziert werden.“

Boom voraus

Gute Stimmung innerhalb der Batteriebranche verbreitet auch der Umstand, dass zugleich an unterschiedlichsten Ansätzen, Materialien und Produktionsverfahren geforscht wird. Oder anders gesagt: Blickt man in die vergangenen Jahrzehnte, geht in diesem Jahrzehnt die Batterieentwicklung erst gerade richtig los und ihr Markt-Boom steht noch bevor.

Technische Hauptkriterien einer Batterie sind das Gewicht bzw. das Volumen im Verhältnis zur gespeicherten Strommenge. Die Lebensdauer wird vom Be- und Entladen (sogenannte Vollladezyklen ) bestimmt, je häufiger desto kürzer. Wieviel Strom man in einem Moment entnehmen bzw. laden kann, ist ebenfalls wichtig. Steigt man beispielsweise im E-Auto aufs Pedal, aber aus der Batterie ‚tröpfelt‘ es nur heraus, kommt kein Fahrspaß zustande. Oder dauert das Voll’tanken‘ einen halben Tag, werden sich diese Fahrzeuge kaum verkaufen.

Second Life

Wie umweltfreundlich oder –belastend Batterien sind, verdient höchstes Augenmerk. Denn anderenfalls wären die ersehnten Stromspeicher mehr Fluch als Segen. Bis heute bedingen Milliarden von Autos auf der Welt doppelt so viele Starter-Bleibatterien, weil diese nach ca. vier bis fünf Jahren den Geist aufgeben, das Auto jedoch mindestens doppelt so lange lebt. Das Auto-Bleibatterierecycling funktioniert bei uns sehr gut, und anderswo weniger gut.

Lithium-Ionen-Batterien aus E-Autos werden jedenfalls ein 2. Leben haben, kündigten einige Autohersteller wie Nissan und BMW an. Sie eignen sich nämlich nach ihrem anstrengenden automobilen Leben zum entspannten stationären Zwischenspeichern von Strom in Häusern.

http://www.a123systems.com/Collateral/Images/English-US/Photo%20Gallery/A123CellFamily1.jpg ©: A123systems.com
Konventionelle und neue Batteriezellformen. Mit den ‚Kissen‘ genannten Zellen lassen sich Räume besser zum Stromspeichern ausnützen. Zudem sind sie in Schichten aufgebaut die man derart rascher herstellen kann.(©: A123systems.com)
Strom kuvertiert

Nach Blei- kamen Nickel-Cadmium-, dann Metall-Hydrid-Batterien in E-Fahrzeugen. Heute dominieren sowohl in mobilen als auch in stationären Anwendungen Lithium-Ionen-Batterien, aber noch immer nicht als Starterbatterien in konventionellen Autos mit Verbrennungsmotor. Im TESLA S sind es tausende Kleinzylinder, wie sie in Taschenlampen stecken. Inzwischen setzen sich jedoch flache Kissen durch, die wattierten Brief-Kuverts ähneln.

 

von Paj.meister (Newscientist) [Public domain], via Wikimedia Commons https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/ae/Vanadium_battery.svg/640px-Vanadium_battery.svg.png?uselang=de
Das Funktionsschema einer Vanadium-Flüssig- oder Redox-Flow-Batterie. Durch Pumpen werden zwei flüssige Schwefelsäure-Elektrolyte, getrennt von einer Membran, bewegt und das darin enthaltene Vanadium verursacht den Elektronenfluss. Vorteil: Leistung und Energie sind voneinander unabhängig. Nachteil: geringe Energiedichte erfordert große Flüssigkeitsmengen. (©: wikimedia.org)
Flüssigstrom, auch salzig

In der Großspeichertechnologie beginnen Redox-Flow-Batterien Fuß zu fassen. Der Strom wird in einer Flüssigkeit gespeichert und durch Umpumpen entladen.

Definitiv ausgesprochen ökologisch kann die heuer auf der Intersolar Messe in München vorgestellte stationäre Salzwasserelektrolyt-Batterie der Fa. Aquion bezeichnet werden (Cradle to Cradle-Zertifikat „C“), die mit immerhin 5.000 Vollladezyklen aufwarten kann. Überdies benötigt sie kein Thermomanagement, weil keine höheren Temperaturen im System entstehen. Gedacht sind die aus schuhschachtelartigen Plastikbehältern aufgebauten Batterien (rund 30 x 30 x 50 cm für 1 kWh) beispielsweise für private Solarstromüberschüsse. Der Preis allerdings wird erst mit der Massenfertigung unter jenen von Lithium-Ionen-Batterien sinken – in ein bis zwei Jahren? Die reinen Materialkosten von in der Masse hergestellten Aquion-Speicher müssten jedenfalls unter geschätzten 50 €/kWh liegen.

http://www.bluesky-energy.eu/wp-content/uploads/2014/11/Aquion_s10-008f_700x260-01.png © bluesky-energy.eu
Dieser kleine Turm von Kunststoffschachtel, in denen Salzwasser fließt, ist tatsächlich eine stationäre Batterie. Die ‚Auquion S-20‘ kann 2,4 kWh Strom speichern, z.B. Überschüsse aus der Photovoltaikanlage am Hausdach, die dann nachts genutzt werden. (© bluesky-energy.eu)
Die Handy-Steinzeit, vor 20 Jahren

Was dieser zugegebenermaßen kurze Streifzug durch die Batteriewelt unter Verzicht auf chemische und physikalische Einzelheiten vermittelt, ist klar. Es tut sich enorm viel und die Chancen steigen stetig, bald unter umweltverträglichen, preisgünstigen Stromspeichern für die unterschiedlichsten Anwendungen auswählen zu können.

Am allerklarsten wird das Bild der Batteriezukunft, wenn man sich ein 20 Jahre altes ‚Steinzeit‘-Handy vorstellt und mit dem Smartphone vergleicht, das viele von uns heute in der Hand halten. Dazwischen liegen Welten – Lassen Sie uns 2035 weiterdiskutieren.

 

Titelbild: Wie ernsthaft sogar die Luftfahrt an Batteriespeichern interessiert ist, zeigt das rein elektrische Kleinflugzeug namens ‚E-Fan‘ vom Airbus-Konzern. Es überquerte im Juli in 37 Minuten auf einer Strecke von 74 km den Ärmelkanal, Flughöhe 1.000 m. (© Airbusgroup.com)

Eine Antwort zu “SERIE: Energiespeicher, das Missing Link der Energiewende”

  1. Unter der Überschrift „Damit das Richtige wächst“ geht es hier doch so ziemlich um das Gegenteil. Für einen kleineren Teil der Menschheit könnte sich der beschriebene Traum erfüllen lassen, der „Rest“ wird leider wie eh und je ausgeschlossen bleiben müssen. Wer wettet dagegen?

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