Elektrische und Elektrochemische Energiespeicher

von | Jun 12, 2020 | Infrastruktur und Energiespeicher | 0 Kommentare

Elektrische und Elektrochemische Energiespeicher

Kurzdarstellung

Neben den Anpassungen der wirtschaftlichen Handelsformen sind besonders technische Rahmenbedingungen zu schaffen, welche die vorrangige Einspeisung regenerativer Energie ermöglichen. Die Bundesregierung diskutiert dazu mehrere Optionen, wonach die Glättung der dargebotsabhängigen Die dafür notwendigen Speicheranlagen müssen eine wirtschaftlich relevante Gesamtkapazität sowie mehrere technische Voraussetzungen aufweisen. Indikatoren dafür stellen die Fähigkeit zur ausreichenden Energieveredelung (Umwandlung von Schwachleistung in Spitzenleistung) über kurz- bis mittelfristige Sicht und die Bereitstellung von Systemdienstleistungen in Form von Regelleistungen dar. Weitere Anforderungen an Speichertechnologien sind folgend zusammengefasst.
Anforderung Dimension
Energetische Qualität hohe Energiedichte
hohe Leistungsdichte
wenig Verluste
geringe Selbstentladung
hoher Systemnutzungsgrad
Sicherheit hohe Betriebssicherheit
geringes Schadenspotenzial
Lebensdauer hohe Zyklenlebensdauer
hohe kalendarische Lebensdauer
Umweltverträglichkeit Herstellung
Nutzung
Entsorgung
Wirtschaftlichkeit geringe Investitionskosten
geringe Betriebskosten
Diese Anforderungen lassen sich in folgende Grafik getrennt nach unterschiedlichen Technologien zusammenfassen.
Die aufgeführten Speichertechnologien sind zum einen am Markt etabliert, zum anderen aber auch noch in der Entwicklungsphase. Dabei stellen die aufgeführten Koeffizienten Leistung und Kapazität in einigen Speichertechnologien ein Konfliktpaar dar. Konfliktpaare entstehen dann, wenn eine Erhöhung eines Parameters auf Kosten eines anderen Parameters erfolgt. Dies geschieht beispielsweise durch die zeitliche Ausrichtung eines Speichers hinsichtlich der kalendarischen Lebensdauer oder einer hohen Zyklenzahl innerhalb kürzester Zeit. Ein weiteres Konfliktpaar stellt die Vorhaltung von Regelleistung und dem reinen Stromhandel an der Börse (Energieveredelung) dar. Die Anforderungen der Energiewirtschaft müssen daher auf verschiedene Technologien verteilt werden.
Allgemein werden Speichertechnologien für elektrische Energie in drei Bereiche aufgeteilt. Die Trennung erfolgt dabei über die Art der physikalischen Energiespeicherung.
Um die Speichertechnologien anhand ihrer Ausrichtung und technischen Möglichkeiten besser bewerten zu können, werden sie folgend durch die in Abbildung vorgenommene Aufteilung vorgestellt. Mittels verschiedener Kennwerte werden dabei die Technologien für den Einsatz im Stromnetz charakterisiert
Elektrochemische Speichersysteme
Der Ursprung von elektrochemischen Stromspeichern befindet sich in der galvanischen Zelle. Die galvanische Zelle beschreibt den Umstand, dass zwei unterschiedliche Metalle, in eine Elektrolytlösung getaucht, immer eine Spannung abgeben. Der Zustand des Elektrolyts kann dabei durch eine Umwandlung von elektrischer in chemische Energie begünstigt werden, sodass die eingespeicherte Energie später wieder abgerufen werden kann. Die Zusammensetzung der Elektroden und des Elektrolyts bestimmen dabei die Eigenschaften des Akkumulators. Besondere Beachtung für den Einsatz von Stromspeichern in Stromnetzen finden Blei- und NiCd-Batterien. Immer häufiger werden jedoch Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer hohen Energiedichte eingesetzt. 
Elektrochemische Speichersysteme kategorisieren sich neben den chemischen Reaktionen anhand des räumlichen Aufbewahrungsortes des Elektrolyts. Bei internen Speichern sind die elektrochemischen Energiewandler und der Speicher der Energie räumlich nicht voneinander getrennt. Somit sind Leistung und Energiemenge direkt von der Größe der Speichereinheit abhängig. Bei externen Speicheranlagen hingegen ist die Lagerung von Energie und Energieumwandlung separiert. Die Größe des Energieumwandlers entscheidet folglich über die Leistung der Anlage. Die Energiemenge ist hingegen beliebig erweiterbar und nur durch räumliche Restriktionen begrenzt.
Blei-Säure Akkumulatoren
Blei-Säure Akkumulatoren sind die bisher am häufigsten genutzten chemischen Energiespeichereinheiten, da sie ein gutes Kosten-Speicherkapazität-Verhältnis aufweisen. Zwei Elektroden, bestehend aus porösen Aktivmassen, bilden dabei eine Batteriezelle. Sie können beliebig oft miteinander in Reihe- bzw. Parallelschaltung geschaltet werden. Somit sind der Kapazität und Leistung keine technischen Grenzen gesetzt. Spezifische Eigenschaften von Blei-Säure-Batterien sind eine Energiedichte von ca. 40 kg/kWh bzw. 13 l/kWh und einem Wirkungsgrad von 80 bis 90 Prozent. Batterien, die für den Netzbetrieb konzipiert werden, haben eine Lebensdauer von 6 bis 12 Jahren bei einer Zyklenzahl von 2000. In Sonderfällen können sogar 7000 Zyklen erreicht werden. Je nach Qualität der Batterien belaufen sich die Kosten auf 100 bis 300 €/kWh. Die Anwendung von Blei-Säure-Batterien ist weltweit verbreitet. Sie können als kurzzeitiger Arbeitslieferant oder zur Netzstabilisierung eingesetzt werden. Die größte Anlage Deutschlands befindet sich mit einer Leistung von 17 MW in Berlin. Sie diente der Frequenz und Netzstabilisierung von Westberlin und wird mit ihrer Gesamtspeicherfähigkeit von 14 MWh zweimal täglich vollständig be- und entladen. Mit einer Leistung von 70 MW und einer Kapazität von 17 MWh ist der Speicher der Golden Valley Electric Assn. in Alaska, USA die leistungsstärkste Anlage. Der Batteriespeicher der Southern California Edison Company in Kalifornien, USA ist mit einer Leistung von 10 MW und einer Kapazität von 40 MWh hingegen die Anlage mit der größten Speicherfähigkeit.
Lithium- Ionen Batterie
Lithium-Ionen-Batterien finden ihre bisher häufigste Anwendung in mobilen Speichereinheiten. Ihr Vorteil liegt besonders in dem Verhältnis zwischen Speicherfähigkeit und Batteriegröße. Lithium-Ionen-Batterie haben keine standardisierten Komponenten, sondern sind je nach Anspruch aus verschiedenen Materialien hergestellt. Bisweilen ist die Herstellung noch sehr kostenintensiv. Ihnen wird in den kommenden Jahren jedoch eine erhebliche Kostenreduktion nachgesagt, sodass sie für den Einsatz in Stromnetzen in Frage kommen könnten. Der heutige Stand der Technik ermöglicht eine Energiedichte von 190 Wh/kg (in Einzelfällen sind 240 Wh/kg möglich). Zudem ist eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren und ein Wirkungsgrad von 90 – 95 % erreichbar.
Redox-Flow-Batterien
In Redox-Flow-Batterien sind Energieumwandler und Aufbewahrungsort der Speichermedien voneinander getrennt. Kapazität und Leistung lassen sich dadurch unabhängig voneinander dimensionieren. Trägermedium sind zwei mit Metallsalzen angereicherte Elektrolyte. Getrennt durch eine Membran, die nur Ionen des Salzes durchlässt, werden die Elektrolyte während des Aufladeprozesses durch die Energieumwandlereinheit geleitet, wodurch die Flüssigkeiten das anliegende Spannungspotential aufnehmen. Beim Entladen werden die Elektrolyte wieder an der Membran vorbeigeleitet, wobei sie ihr Spannungspotential abgeben. Redox-Flow-Batterien besitzen eine geringe Selbstentladungsrate, was sie besonders für Langzeitspeicher qualifiziert. Gegenwärtig sind Anlagen mit einer Leistungspanne von 30 kW bis 10 MW und einer Kapazitätspanne von 5 bis 120 MWh in Betrieb. Sie können demnach als Langzeitspeicher oder als Netzstabilisator eingesetzt werden.
Elektrische Speichertechnologien
Im allgemeinen Sprachgebrauch werden elektrische Speichertechnologien auch „Hochleistungsspeicher“ genannt. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie nur für eine kurze Zeit (<10 sek) Strom mit einer hohen Leistung abgeben können. Die Art der Energiespeicherung kann dabei unterschiedlich erfolgen. Die bekanntesten Möglichkeiten sind der Doppelschichtkondensator und die Schwingspule. Beide können durch individuelle Gestaltung den Anforderungen des Stromnetzes angepasst werden.
Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren
Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (EDSC) vereinen die Vorteile zweier bekannter Speichertechnologien. Zum einen werden die sehr hohen Leistungsabgaben innerhalb kürzester Zeit von Doppelschichtkondensatoren genutzt, zum anderen verhelfen die Eigenschaften von elektrochemischen Batterien zu einer relativ hohen Speicherfähigkeit. Wie in herkömmlichen Doppelplattenkondensatoren befinden sich in EDSCs zwei Elektroden, die von einer Elektrolytflüssigkeit umgeben sind. Die Platten bestehen jedoch aus hochporösem Material und ermöglichen damit eine große Oberfläche. Beim Anlegen einer Spannung sammeln sich freie Ladungsträger an den jeweiligen Elektroden an, wodurch die elektrische Energie in Form des resultierenden Feldes gespeichert wird. Durch den Umstand, dass der Lade- und Entladeprozess ohne einen chemischen Prozess abläuft, ist eine hohe Zyklenzahl von bis zu 500.000 realisierbar. Damit eigenen sie sich besonders gut für Leistungen, die im Millisekundenbereich abgefragt werden und bis zu einer Entladezeit von 10 Sekunden anhalten müssen.
Supraleitende Spulen
In supraleitenden Spulen wird die Energie mit Hilfe eines elektrodynamischen Feldes gespeichert. Bei dem Speichervorgang durchläuft der Strom eine Spule, wodurch ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Dieses elektromagnetische Feld wiederum induziert Strom, wodurch der Kreislauf von vorne beginnt. Damit der dynamische Zustand eine längere Zeit überdauert, muss der Leitungswiderstand sehr gering gehalten werden. Effektiv kann dies nur durch Supraleiter garantiert werden, die jedoch auf einer tiefen Temperatur gehalten müssen. Aufgrund des hohen Eigenenergiebedarfs sind supraleitende Spulen nur für den Bereich der kurzzeitigen Bereitstellung von hohen Leistungen geeignet.

Definition des Technologiefeldes

Das betrachtete Technologiefeld umfasst die folgenden elektrochemischen Energiespeichertechnologien:

  • Lithium-basierte Technologien (Li-Ion, Li/Luft, Li/S)
  • Natrium-basierte Technologien (NaS, NaNiCl) 
  • Redox-Flow-Technologien (VRF, Fe/Cr, Br/S, V/Br)

Ausgeschlossen werden hier aufgrund der technischen Reife und/oder Toxizität) Blei-Säure Technologien und NiCd & NiMh Batterien. Das Technologiefeld elektrochemische Speicher zeichnet insgesamt eine flexible Skalierbarkeit der Energie und Leistung aus, es reicht von Speichersystemen im Bereich von wenigen kWh/kW (Kleinspeicher wie PV-Heimspeicher) bis hin und zu mehreren MWh/MW (Großspeicher, z. B. für Primärregelleistung).

Aktueller Stand der Technologie

In den letzten 3-5 Jahren ist ein Trend hin zu größeren elektrochemischen Speichersystemen beobachtbar, mit höheren Leistungen und höheren Speicherkapazitäten. Die Anwendungsbereiche elektrochemischer Speicher unterscheiden sich insbesondere auch nach Technologien und stehen in dem jeweiligen Anwendungsbereich in Konkurrenz zu anderen Energiespeicheroptionen. Der Markt der kleineren Speichersysteme im Bereich weniger kWh/kW wurde in den letzten Jahren insbesondere durch die Anwendung von Photovoltaik (PV)-Heimspeichersystemen geprägt, bei denen ein Trend von der Blei-Säure-Technologie hin zur Lithium-Ionen-Technologie erkennbar ist. Insbesondere in den letzten 4-5 Jahren ist eine große Zunahme an Projekten im Bereich elektrochemischer stationärer Speicher zu beobachten.

Unter den verschiedenen Typen der Lithium-Batterien (TRL 4-9) sind die Lithium- Ionen-Batterien eine aktuelle und in der Anwendung befindliche Technologie, deren Entwicklungspotenziale noch nicht ausgeschöpft sind. Die post-Lithium-Ionen Batterien, welche Lithium in metallischer Form beinhalten, können die erwarteten Sprünge in der Energiedichte liefern. Hierfür müssen diese Technologien es von der Forschung in die Anwendung schaffen. Das Funktionsprinzip der Lithium-Ionen- Batterie basiert auf dem Austausch von Lithium zwischen den Aktivmaterialien der Anode und Kathode. Bei der Entladung diffundiert Lithium vom Inneren der Kohlenstoffanode zu dessen Oberfläche. An der Grenzfläche zwischen Anode und Elektrolyt wandelt sich das Lithium in ein Lithium-Ion unter Freisetzung eines Elektrons um. Dieses Lithium-Ion wird über den Elektrolyten zur Kathode transportiert. Auf der Kathodenoberfläche wird ein Elektron aufgenommen, um Lithium zu bilden, das schließlich in das Innere der Kathode diffundiert und dort interkaliert (d. h. eingelagert wird). Der Ladevorgang findet vollständig analog in umgekehrter Richtung statt. Dieses Prinzip teilen alle Lithium-Ionen-Batterien. Grundsätzlich anders funktionieren Batterien, die Lithium in metallischer Form als Anode verwenden. Die Kathode kann beispielsweise eine Gasdiffusionselektrode (Li/Luft) oder eine schwefelhaltige Graphitstruktur sein (Li/S). Aufgrund des metallischen Lithiums ist der potenzielle Energiegehalt dieser Technologien wesentlich höher als bei den Lithium-Ionen- Batterien. Vielfältige F&E-Tätigkeiten im Bereich der post-Lithium-Ionen-Batterien adressieren daher die Leistungsfähigkeit und Stabilität der Technologien.

Natriumbasierte Thermalbatterien (TRL 9) erfordern hohe Temperaturen für die Aufrechterhaltung des flüssigen Zustands (Elektroden und/oder Elektrolyt) und die Ionenleitfähigkeit des Separators. Der Vorteil einer vernachlässigbaren Selbstentladung wird durch die thermischen Verluste und den Energiebedarf der Heizung des Batteriesystems reduziert. Thermalbatterien sind wirtschaftlich anwendbar meist auf Systeme im großen Maßstab beschränkt, um die Oberfläche und damit die thermischen Verluste zu minimieren. Um ihr Potenzial einer sehr niedrigen Entladungsrate, einer hohen Zykluszahl, langer Lebensdauer sowie einer relativ einfachen Produktion voll ausschöpfen zu können, müssen Niedertemperatur-Materialien entwickelt werden. Das kostengünstige und hochverfügbare aktive Material, insbesondere im Vergleich zu Lithium, macht die Thermalbatterie zu einem vielversprechenden Kandidaten für eine langfristige Technologie in der stationären Energiespeicherung.

Redox-Flow-Batterien (RFB) (TRL 9) entsprechen vom Funktionsprinzip wieder aufladbaren Brennstoffzellen. Ein großer Vorteil der Redox-Flow-Batterie gegenüber herkömmlichen Batteriesystemen, insbesondere für die großflächige stationäre Energiespeicherung, ist die Trennung von Leistung und Energie, also Reaktionsort und Lagerung. Auf diese Weise kann eine Erhöhung des Volumens und damit der gespeicherten Energie auf einfache und kostengünstige Weise erfolgen. Die Reaktanten und Produkte sind Konfigurationen derselben Spezies in verschiedenen Oxidationsstufen in jeder Halbzelle. Da die aktiven Materialien in den Elektrolyten aufgelöst werden und der Elektronentransfer zwischen der gelösten aktiven Spezies und der festen Elektrode stattfindet, finden keine (De-)Interkalations- und Festkörper- Diffusionsprozesse statt (ähnlich Brennstoffzellen) und die Elektrodendegradation wird minimiert. Zudem bieten Redox-Flow-Batterien ein schnelles Ansprechverhalten sowie breite Leistungs- und Entladezeitbereiche (breiter Anwendungsbereich), geringe Selbstentladungsraten durch die Lagerung in externen Tanks und ein hohes Maß an Sicherheit durch die durchflussgesteuerte Reaktion. Dennoch machen ihre geringe Leistungsdichte und ihre Energiedichte sie für mobile Anwendungen ungeeignet.

Technologienübergreifend teilen sich aktuelle Kernherausforderungen der F&E auf drei Ebenen auf. Die Materialebene widmet sich auf Zellniveau der Verbesserung und Entwicklung neuer Materialien für Elektroden, Elektrolyten, Separatoren, Katalysatoren etc. Auf der Systemebene werden das thermische und elektrische Management, Sicherheitsfragen, die Batteriezustandserkennung, Korrosion und Batteriefertigung und -design untersucht. Die Integrationsebene behandelt vor allem die Integration der elektrochemischen Speicher in das bestehende Netz (Energiemanagement, Kontrollalgorithmen und Kommunikationsinfrastruktur), wobei jedoch Konzepte wie grid-to-vehicle (G2V), vehicle-to-grid (V2G), second-life und hybride Systeme ebenfalls berücksichtigt werden. Bei einer Gegenüberstellung aller drei Ebenen zeigt sich ein deutliches Ungleichgewicht. Ein Großteil der aktuellen F&E-Projekte widmet sich der Integration elektrochemischer Energiespeicher, nur ein geringer Teil der Materialentwicklung und -verbesserung und ein verschwindend geringer Teil der Systemebene, dem Batteriemanagement und der Sicherheit von Energiespeichern.

Quellen

Viebahn, P.; Zelt, O.; Fischedick, M.; Hildebrand, J.; Heib, S.; Becker, D.; Horst, J.; Wietschel, M.; Hirzel, S. (2018): Technologien für die Energiewende. Politikbericht an das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Wuppertal, Karlsruhe, Saarbrücken.


Grundlage dieser Zusammenfassung: Puchta, M.; Dabrowski, T. (2017): Technologiebericht 3.3a Energiespeicher (elektrisch und elektrochemisch).

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