Heute nehmen wir dich mit auf eine Reise in die Welt der Energie – genauer gesagt, in die Welt der Stromspeicher. Wir werden uns aber nicht nur auf irgendeine Art von Speichern konzentrieren, sondern auf diejenigen, die gänzlich ohne Lithium auskommen.
Du fragst dich vielleicht: „Warum ist das so wichtig?“ Nun, wir leben in einer Zeit, in der die Umstellung auf erneuerbare Energien immer dringender wird, um den Klimawandel zu bekämpfen. Lithium-Ionen-Akkus haben eine entscheidende Rolle in diesem Übergang gespielt, insbesondere im Bereich der Elektromobilität und der PV-Heimspeicher.
Doch auch sie bringen eigene ökologische Folgen mit sich. Darum schauen wir uns heute an, welche Alternativen uns zur Verfügung stehen und wie diese die Zukunft der Energiespeicherung gestalten könnten.
Lithium und seine Herausforderungen
Bevor wir uns in die Welt der alternativen Stromspeicher stürzen, wollen wir einen kurzen Blick auf den Ausgangspunkt unserer Reise werfen: das Lithium. Lithium ist ein silber-weißes Metall, das in einer Vielzahl von Produkten eingesetzt wird, von Medikamenten bis hin zu Feuerwerkskörpern.
Aber es ist wahrscheinlich am bekanntesten für seine Rolle in der Energiespeicherung, insbesondere inLithium-Ionen-Batterien. Diese Batterien haben die Elektromobilität revolutioniert und ermöglichen es uns, unsere Smartphones, Tablets und Elektroautos aufzuladen. Darüber hinaus dominieren diese auch die Energiespeicherung in der Photovoltaikbranche.
Die dunkle Seite von Lithium
Aber wie bei vielen wertvollen Ressourcen hat auch Lithium seine Schattenseiten. Der Abbau von Lithium ist oft mit erheblichen Umweltauswirkungen verbunden. Große Mengen an Wasser werden für den Abbau benötigt, was in den oft trockenen Gebieten, in denen Lithium gefunden wird, ein ernsthaftes Problem darstellt.
Außerdem können beim Abbau giftige Chemikalien freigesetzt werden, die die Luft, den Boden und das Wasser verschmutzen. Die Entsorgung von Lithiumbatterien stellt ebenfalls eine Herausforderung dar.
Während das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien möglich ist, ist es ein komplexer Prozess und wird noch nicht in großem Umfang durchgeführt. Deshalb landen viele alte Lithiumbatterien auf Mülldeponien, wo sie eine Gefahr für die Umwelt darstellen.
Warum brauchen wir Alternativen?
Angesichts dieser Herausforderungen wird deutlich, dass wir Alternativen zu Lithiumbatterien benötigen. Aber das ist nicht nur eine Frage der Umwelt.
Lithium ist eine begrenzte Ressource, und die wachsende Nachfrage könnte zu Versorgungsengpässen führen. Zudem macht die Konzentration der Lithiumvorkommen in wenigen Ländern die Versorgung anfällig für geopolitische Spannungen.
In den nächsten Abschnitten werden wir einige vielversprechende Alternativen zu Lithiumbatterien vorstellen. Freu dich auf eine Entdeckungsreise in die Zukunft der Energiespeicherung, die ebenso aufregend wie nachhaltig ist!
Natrium-Ionen Batterien
Jetzt, da wir die Herausforderungen von Lithium-Batterien angesprochen haben, wird es Zeit, die Alternativen genauer unter die Lupe zu nehmen.
Beginnen wir mit einer Technologie, die auf dem vertrauten Prinzip der Batterie beruht, aber einige einzigartige Alternativen bietet: Die Natrium-basierte Batterie, auch bekannt als Salzwasserbatterie.
Die Funktion hinter der Salzwasserbatterie
Um das Konzept der Salzwasserbatterie zu verstehen, solltest du zuerst wissen, wie eine traditionelle Batterie funktioniert. Eine Batterie erzeugt Energie durch einen Fluss von Elektronen von einem Minuspol (Anode) zu einem Pluspol (Kathode).
Diese Elektroden sind in ein Elektrolyt eingebettet, das den elektrischen Strom leitet, und sie sind durch einen Separator getrennt, der verhindert, dass es zu Kurzschlüssen kommt.
Wenn wir ein Gerät an die Batterie anschließen, wird der Kreislauf geschlossen und der Elektronenfluss kann beginnen, wodurch die Batterie sich entlädt und das Gerät mit Strom versorgt. Wenn die Batterie leer ist, können wir sie wieder aufladen, indem wir sie an das Stromnetz anschließen und den Prozess umkehren.
Die Salzwasserbatterie nutzt genau dieses Prinzip, aber mit einigen wichtigen Unterschieden. Das Elektrolyt in einer Salzwasserbatterie ist eine Natriumchlorid-Lösung (Salzwasser), und die Elektroden bestehen aus unbedenklicheren Materialien wie Manganoxid oder Kohlenstoff-Titan-Phosphat.
Die Vorteile der Salzwasserbatterie
Die Vorteile der Salzwasserbatterie sind beeindruckend. Zum einen basiert sie auf nachhaltigen Rohstoffen, die reichlich vorhanden, leicht abbaubar und recycelbar sind. Dies führt zu niedrigeren Materialkosten, wodurch die Anschaffungskosten für Salzwasserbatterien sinken.
In puncto Sicherheit haben Salzwasserbatterien auch die Nase vorn. Sie stellen keine Explosionsgefahr dar und können auch bei extremen Temperaturen sicher betrieben werden. Darüber hinaus erlauben sie eine höhere Entladetiefe als herkömmliche Batterien und sind wartungsfrei, was die Betriebskosten senkt.
Die Herausforderungen auf dem Weg
Natürlich sind auch Salzwasserbatterien nicht perfekt. Ihre Energiedichte ist geringer als die von Lithium-Ionen-Batterien, was bedeutet, dass sie größer & schwerer sein müssen, um die gleiche Leistung zu erbringen. Dies macht sie für Anwendungen wie die Elektromobilität weniger geeignet.
Darüber hinaus benötigen Salzwasserbatterien länger zum Laden und Entladen. Und obwohl ihre Materialkosten niedriger sind, sind ihre Anschaffungskosten derzeit noch hoch, da es aktuell nur wenige Anbieter, die solche Batteriespeicher anbieten.
Doch wie bei jeder neuen Technologie ist zu erwarten, dass diese Kosten mit der Zeit sinken werden, wenn die Produktion ansteigt und die Technologie reift.
Die Kosten von Salzwasserspeichern
Jetzt fragst du dich sicher: „Was bedeutet das alles für meinen Geldbeutel?“ Eine sehr berechtigte Frage! Lassen uns einen Blick auf die Preise und Betriebskosten von Salzwasserspeichern werfen.
Die Salzwasserspeicher sind zwar eine nachhaltige Alternative, aber die Markteinführung solcher innovativen Technologien geht oft mit höheren Anfangskosten einher. Aktuell liegt der Preis für einen Salzwasserspeicher bei etwa 1.300 € pro Kilowattstunde Leistung.
Das ist im Vergleich zu konventionelleren Batterietypen deutlich mehr. Eine Lithium-Ionen-Batterie beispielsweise ist ab etwa 800 € pro kWh erhältlich, und Blei-Batterien starten sogar bei ca. 500 € pro kWh.
Aber es gibt gute Nachrichten!
Bevor du dich davon abschrecken lässt, hier ist die gute Nachricht: Die Erfahrung zeigt, dass die Kosten für innovative Technologien tendenziell sinken, sobald sie sich etablieren und die Produktionsprozesse optimiert werden. Ein gutes Beispiel hierfür ist der Lithium-Ionen-Speicher, dessen Preis sich seit 2013 halbiert hat.
Der Schlüssel liegt also in der Geduld. Mit der Zeit könnten Salzwasserspeicher durchaus konkurrenzfähig werden und dabei helfen, unsere Energieprobleme auf umweltfreundlichere Weise zu lösen.
Wie bei allen neuen Technologien sind die Anfangskosten hoch, aber mit einer steigenden Akzeptanz und Produktionsmenge könnten wir von einer deutlichen Preissenkung ausgehen.
Sind Salzwasserbatterien zukunftsfähig?
Trotz dieser Herausforderungen zeigen Salzwasserbatterien ein enormes Potenzial. Sie bieten eine nachhaltige, sichere und kosteneffektive Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien und könnten eine entscheidende Rolle bei der Förderung der erneuerbaren Energien spielen. Aufgrund der Kosten fehlt aktuell allerdings die Akzeptanz von Unternehmen und Privathaushalten.
Die wichtigsten Stichpunkte zur Salzwasserbatterie zusammengefasst:
- Sie basieren auf dem Prinzip einer traditionellen Batterie, verwenden aber ein Elektrolyt aus einer Natriumchlorid-Lösung und Elektroden aus unbedenklicheren Materialien wie Manganoxid oder Kohlenstoff-Titan-Phosphat.
- Sie sind nachhaltig, da sie aus reichlich vorhandenen, leicht abbaubaren und recycelbaren Rohstoffen hergestellt werden.
- Sie sind sicherer als andere Batterien, da sie keine Explosionsgefahr darstellen und auch bei extremen Temperaturen sicher betrieben werden können.
- Ihre Energiedichte ist geringer als die von Lithium-Ionen-Batterien, was zu größeren und schwereren Batterien führt. Zudem benötigen sie länger zum Laden und Entladen.
- Ihre Anschaffungskosten sind derzeit hoch, aber es wird erwartet, dass sie mit zunehmender Produktion und Reife der Technologie sinken werden.
Die Redox-Flow-Batterie
Du hast sicher schon von Batterien gehört, die aus flüssigen Elektrolytlösungen Energie gewinnen, nicht wahr? Ja, das sind die Redox-Flow-Batterien, auch als Flussbatterien bezeichnet.
Die Grundlagen der Redox-Flow-Batterie
Die besondere Eigenschaft einer Redox-Flow-Batterie liegt in ihrer einzigartigen Konstruktion: Die beiden Speicher dieser Batterie sind räumlich voneinander getrennt. Sie enthalten Elektrolytflüssigkeiten unterschiedlicher Konzentration und sind mit einem Energiewandler verbunden, der aus einer Membran und zwei Elektroden besteht.
Es entsteht eine Art nachhaltiger Kreisprozess: Durch eine chemische Reaktion erzeugen die Zellen nützliche elektrische Energie aus der Elektrolytflüssigkeit. Und das Schöne ist, dass diese Reaktion umkehrbar ist.
Mit Hilfe von elektrischer Energie, etwa aus erneuerbaren Quellen, kann die Elektrolytflüssigkeit wieder ihre ursprüngliche Ausgangskonzentration erreichen und so erneut elektrische Energie bereitstellen. Faszinierend, nicht wahr?
Wie funktioniert das Ganze?
Redox steht für Reduktion und Oxidation. Die Reduktion bedeutet Elektronenaufnahme, Oxidation bedeutet Elektronenabgabe. Die Redox-Flow-Batterie besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten.
Die erste Komponente ist die Zelle, die ähnlich wie bei Brennstoffzellen aus einer Membran und zwei Elektroden besteht. Die beiden anderen Komponenten sind Tanks zur Speicherung der Elektrolytflüssigkeiten.
Die beiden Elektrolytflüssigkeiten mit unterschiedlicher Konzentration werden jeweils über eine Pumpe in getrennten Kreisläufen zu jeweils einer Elektrode geführt.
An jeder Elektrode reagiert eine der Elektrolytflüssigkeiten und Ionen werden freigesetzt. Diese gelangen durch die teildurchlässige Membran und werden von der anderen Elektrolytflüssigkeit wieder aufgenommen.
Welche Arten Redox-Flow-Batterien gibt es?
Es gibt eine beeindruckende Vielfalt an Redox-Flow-Batterien – mehr als 50 Varianten sind in der Literatur beschrieben. Sie unterscheiden sich hauptsächlich in der Zusammensetzung der Elektrolyten und der Lösungsmittel. Die Zusammensetzung bestimmt die Zellspannung und damit die Energiedichte.
Systeme auf Vanadium-Redox-Basis sind derzeit die fortschrittlichsten und hauptsächlich für stationäre Energiespeicherung im Markt erhältlich. In Japan wurden zum Beispiel bemerkenswerte Einheiten mit einer Kapazität von 15 MW und 60 MWh erfolgreich implementiert.
Wo werden Redox-Flow-Batterien bereits eingesetzt?
Redox-Flow-Batterien finden vorrangig in stationären Anwendungen ihren Einsatz, sei es zur Deckung von Spitzenlasten, Lastenausgleich oder zur Gewährleistung einer kontinuierlichen Energieversorgung.
Sie finden vorrangig Anwendung in der Kopplung mit Windkraft- und Photovoltaikanlagen zur Nutzung als Stromspeicher.
Die Langlebigkeit dieser Technologie ist ein großer Pluspunkt: Mit einer Lebenszeit von rund 20 Jahren und unbeschränkter Zyklenzahl zeigt sich die Redox-Flow-Batterie im täglichen Betrieb besonders anpassungsfähig.
Vor- und Nachteile der Redox-Flow-Batterien
Die Redox-Flow-Batterien kommen mit einer Reihe von Vorteilen daher. Sie haben eine hohe Leistung und Speicherkapazität, die unabhängig voneinander skaliert werden können, und einen ordentlichen Wirkungsgrad von 70 bis 90 %. Zudem sind sie gegen Tiefentladung beständig und zeigen eine geringe Selbstentladung.
Allerdings gibt es auch Herausforderungen. Der Wirkungsgrad ist niedriger als derjenige von Lithiumionenakkus und der Platzbedarf ist verhältnismäßig groß. Dennoch sind Redox-Flow-Batterien eine vielversprechende Energieoption, die intensiv erforscht wird.
Ist die Redox-Flow-Technologie zukunftsfähig?
Die Forschung zu Redox-Flow-Batterien ist aktuell sehr dynamisch und spannend. Sie konzentriert sich auf die Verringerung der Investitionskosten durch automatisierte Fertigungsverfahren und neue, kostengünstigere Materialien. Gleichzeitig wird versucht, die Leistungsdichte zu erhöhen und größere nutzbare Temperaturbereiche zu erschließen.
Die Wissenschaftler arbeiten auch an neuartigen Katalysatoren zur Erhöhung der Austauschstromdichte und damit zur Effizienzsteigerung.
Die wichtigsten Punkte zur Redox-Flow-Batterie zusammengefasst:
- Sie erzeugen durch eine chemische Reaktion nützliche elektrische Energie aus der Elektrolytflüssigkeit, die durch erneuerbare Energiequellen wieder in ihre Ausgangskonzentration zurückgeführt werden kann.
- Sie bieten hohe Leistung und Speicherkapazität, die unabhängig voneinander skaliert werden können, und einen ordentlichen Wirkungsgrad von 70 bis 90 %.
- Ihre Herausforderungen liegen in einem niedrigeren Wirkungsgrad im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus und einem größeren Platzbedarf.
- Forschungen konzentrieren sich darauf, die Investitionskosten zu senken und die Leistungsdichte zu erhöhen.
Blei-Säure Akkus
Kennst du diese handlichen Energiespender, die in Autos als Starterbatterien fungieren? Dabei handelt es sich um Bleiakkus. Neben Starterbatterien sind sie auch oft in Heimspeichersystemen für Photovoltaikanlagen vertreten.
Aber wie funktioniert ein solcher Bleiakku genau?
Aufbau und Funktion eines Bleiakkus
Bleiakkumulatoren bestehen aus einem robusten, säurefesten Gehäuse, das mit Schwefelsäure (Elektrolyt) und zwei Elektroden gefüllt ist – eine aus Blei und die andere ein mit Bleioxid überzogener Bleikern. Beim Anschluss an einen Verbraucher gibt die Bleielektrode Elektronen und ein Bleikation ab.
Diese Reaktion erzeugt elektrischen Strom, der dann genutzt werden kann. Wenn die Sonne scheint und eine Photovoltaikanlage Strom liefert, wird dieser Prozess umgekehrt und der Bleiakku speichert Energie.
Es gibt verschiedene Arten von Bleiakkus, darunter Blei-Säure-, Blei-Gel– und Blei-Vlies-Akkus. Blei-Säure-Akkus sind wegen ihrer niedrigen Herstellungskosten besonders wirtschaftlich, erfordern jedoch Vorsichtsmaßnahmen bei der Aufbewahrung, da die Säure auslaufen oder ausdampfen kann.
Innovative Varianten: Blei-Gel- und Blei-Vlies-Akkus
Blei-Gel- und Blei-Vlies-Akkus bieten eine Lösung für diese Herausforderungen. Bei Blei-Gel-Akkus ist das Elektrolyt an Kieselsäure gebunden, während er bei Vliesakkus in Mikroglasfasermatten vorhanden ist. Diese Varianten sind sicherer und wartungsärmer, aber auch teurer in der Herstellung.
Stärken und Schwächen der Bleiakkumulatoren
Bleiakkus, die als eine der ältesten Formen der wiederaufladbaren Batterien gelten, bringen eine Reihe von Vorteilen mit sich, die sie zu einer immer noch relevanten Wahl machen.
Vorteile der Bleiakkus
- Hohe Stromstärken: Einer der größten Vorteile der Bleiakkus ist ihre Fähigkeit, kurzfristig sehr hohe Stromstärken zu liefern. Dies ist besonders nützlich in Anwendungen wie Starterbatterien in Fahrzeugen, wo ein starker Anlaufstrom benötigt wird, um den Motor zu starten.
- Kosteneffizienz: Im Vergleich zu vielen anderen Arten von Akkumulatoren sind Bleiakkus relativ preiswert in der Herstellung. Diese Kosteneffizienz trägt dazu bei, sie für eine Vielzahl von Anwendungen attraktiv zu machen, von Fahrzeugen über erneuerbare Energiespeicherung bis hin zu Notstromsystemen.
- Bewährte Technologie: Die Bleiakku-Technologie ist eine der am längsten existierenden und am meisten getesteten. Sie ist seit über 150 Jahren auf dem Markt, was sie zu einer bewährten, zuverlässigen Option macht.
- Recyclingfähigkeit: Einer der unterschätzten Vorteile von Bleiakkus ist ihre Fähigkeit zum Recycling. Fast alle Komponenten eines Bleiakkus, einschließlich des Bleis selbst, können recycelt und wiederverwendet werden, was zur Nachhaltigkeit dieser Technologie beiträgt.
Trotz dieser Vorteile haben Bleiakkus auch eine Reihe von Nachteilen, die bei der Entscheidung für eine bestimmte Energiespeicherlösung berücksichtigt werden müssen.
Nachteile der Bleiakkus
- Kurze Lebensdauer: Im Vergleich zu vielen modernen Speichern ist die Lebensdauer von Bleiakkus relativ kurz. Sie haben typischerweise eine Lebensdauer von weniger als zehn Jahren, je nach Nutzung und Wartung.
- Selbstentladung: Bleiakkus sind bekannt für ihre hohe Selbstentladungsrate. Das bedeutet, dass sie Energie verlieren, auch wenn sie nicht genutzt werden. Diese Eigenschaft kann sie für Anwendungen, bei denen eine langfristige Energiespeicherung erforderlich ist, weniger ideal machen.
- Größe und Gewicht: Aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Energiedichte sind Bleiakkus größer und schwerer als viele andere Arten von Akkumulatoren. Dies kann ihre Verwendung in tragbaren Anwendungen oder in Situationen, in denen der Raum knapp ist, einschränken.
Kosten der Bleiakkus für die Photovoltaik
Die Kosten für bleibasierte Stromspeicher variieren je nach Leistung, Speicherkapazität und den übrigen Komponenten des Gesamtsystems. Bei den Zusatzkomponenten handelt es sich um Elemente wie den Batteriewechselrichter oder das integrierte Batteriemanagement.
Für ein modernes Gesamtsystem musst du heutzutage mit Ausgaben zwischen 400 und 500 € pro Kilowattstunde Speicherkapazität rechnen.
Die wichtigsten Stichpunkte zu Blei-Akkus zusammengefasst:
- Sie sind relativ kostengünstig in der Herstellung und daher attraktiv für eine Vielzahl von Anwendungen.
- Die Technologie ist seit über 150 Jahren auf dem Markt und daher bewährt und zuverlässig.
- Fast alle Komponenten eines Bleiakkus können recycelt werden.
- Sie weisen eine geringe Lebensdauer und Energiedichte auf, insbesondere im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien, und sind empfindlich gegenüber Tiefentladung.
Fazit zu Stromspeicher ohne Lithium
Während Lithium-Ionen-Batterien eine dominierende Rolle in unserer aktuellen Energiewirtschaft spielen, gibt es klare Notwendigkeiten und Chancen, alternative Methoden zu erforschen und zu implementieren. Dieser Blogbeitrag hat drei vielversprechende Kandidaten beleuchtet: Salzwasser-, Redox-Flow- und Blei-Säure-Batterien.
Salzwasserbatterien, obwohl noch in den Kinderschuhen, zeigen ein enormes Potenzial, insbesondere aufgrund ihrer Nachhaltigkeit und Sicherheit. Ihre größten Herausforderungen liegen derzeit in der Energiedichte und den Anschaffungskosten und der Marktfähigkeit.
Redox-Flow-Batterien sind bereits etwas weiter entwickelt und werden für stationäre Anwendungen verwendet. Mit ihrer hohen Lebensdauer und einer unbegrenzten Zyklenzahl bieten sie eine attraktive Option für erneuerbare Energiespeicherung. Die Herausforderung besteht jedoch darin, ihren Wirkungsgrad zu verbessern und ihre Größe zu reduzieren.
Schließlich sind Blei-Säure-Batterien eine etablierte Technologie mit einer bewährten Erfolgsbilanz. Sie sind relativ kostengünstig. Die größten Herausforderungen liegen hier in der Selbstentladung und der begrenzten Lebensdauer.
Es besteht kein Zweifel daran, dass wir Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien brauchen – sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer Sicht. Es bleibt abzuwarten, welche Technologien sich am besten etablieren werden.
