Batterietechnologien für stationäre Energiespeichersysteme

Batterietechnologien für stationäre Energiespeichersysteme

Stationäre Energiespeichersysteme spielen eine zunehmend bedeutende Rolle in der Energiewende. Durch die flexible Zwischenspeicherung von elektrischer Energie ermöglichen sie die langfristige Integration von erneuerbaren Energien, während die Stabilität und Leistungsfähigkeit des Stromnetzes erhalten bleibt. Batteriebasierte Energiespeichersysteme, bzw. sogenannte „Battery Energy Storage Systems“ (BESS), sind für diese Anwendungen besonders gut geeignet und stehen daher im Fokus der Aktivitäten von Kyon Energy. Den Kern solcher stationärer Energiespeichersysteme bilden die Batteriezellen. Wie diese funktionieren und welche Technologien in Frage kommen, beleuchten wir in diesem Blogartikel.

Batterien sind aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken und gelten als eine der disruptivsten Technologien der Menschheitsgeschichte: sie begegnen uns – natürlich neben stationären Energiespeichersystemen - in Smartphones und Laptops, sowie bei den zunehmenden Elektroautos im Straßenverkehr. All diese Anwendungen arbeiten mit wiederaufladbaren Batterien, sogenannten „Sekundärzellen“ oder Akkumulatoren, kurz „Akku“. Diese sind abzugrenzen von den Einwegbatterien, sogenannten „Primärzellen“, welche weiterhin in Fernbedienungen oder Taschenlampen Verwendung finden. Im weiteren Verlauf dieses Artikels soll der Einfachheit halber „Batterie“ synonym für wiederaufladbare Batterien gelten. In BESS kommen normalerweise Batteriemodule zum Einsatz, welche aus einzelnen seriell und parallel verschalteten Batteriezellen bestehen.  

Der technologische Durchbruch der Batterietechnologie gelang vor über 30 Jahren mit der Entwicklung der heute weithin bekannten Lithium-Ionen-Batterie (LIB), welche 1991 durch Sony kommerzialisiert wurde. Für ihren fundamentalen Beitrag zu dieser Entwicklung wurden die Forscher J. B. Goodenough, M. S. Whittingham and A. Yoshino im Jahr 2019 mit dem Nobel Preis in Chemie geehrt. Seither hat sich die Lithium-Ionen-Zelle zur dominierenden Batterietechnologie am Markt mit einem jährlichen Volumen von ca. 700 Gigawattstunden (GWh) und 80 Milliarden Euro entwickelt. Bis 2030 prognostiziert das Fraunhofer ISI einen jährlichen, globalen Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien von über 3 Terrawattstunden (TWh).  

Allgemeine Funktionsweise einer Batteriezelle

Die Energiespeicherung und Energiebereitstellung in Batterien wird über die umkehrbare Umwandlung von elektrischer und chemischer Energie erreicht. Hierbei spielen Redox-Reaktionen, also die Elektronenübertragung zwischen zwei Stoffen, von denen einer oxidiert, der andere reduziert wird, eine wichtige Rolle. Der allgemeine Aufbau einer Batterie ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt und besteht aus zwei verschiedenen Elektroden, welche in ein Elektrolyt eintauchen und über einen externen stromleitenden Kreislauf verbunden sind. Ein Separator trennt und isoliert die Elektroden voneinander, um einen inneren elektrischen Kurzschluss in der Zelle zu verhindern.  

Hierbei enthalten die Elektroden redox-aktive und elektronenleitende Materialien, während das Elektrolyt ein ionenleitendes Medium darstellt, zum Beispiel eine flüssige Salzlösung. An der Grenzfläche zwischen Elektroden und Elektrolyt laufen elektrochemische Reaktionen ab, also räumlich voneinander getrennte Redox-Reaktionen, welche von einem Ionenstrom durch das Elektrolyt begleitet werden. Per Definition wird die Elektrode, bei der während der Entladung die Oxidation (Elektronenabgabe) stattfindet als „Anode“ bezeichnet, während die Elektrode, bei der während der Entladung die Reduktion (Elektronenaufnahme) stattfindet, als „Kathode“ bezeichnet wird. Der Elektronenausgleich zwischen den Elektroden geschieht durch den externen Kreislauf, welcher im Fall der Batterieentladung eine Last betreibt oder im Fall der Batterieaufladung eine Strom-/Spannungsquelle enthält. Die verwendeten Materialien für die Elektroden und das Elektrolyt sind charakteristisch für die verschiedenen Batterietechnologien.  

Klassifizierung von Batterietechnologien

Die Klassifizierung von Batterietechnologien erfolgt typischerweise über folgende technische Key Performance Indicators (KPIs):

-Zellspannung: Potentialdifferenz (Volt, Gleichspannung) zwischen Kathode und Anode. Je höher die Zellspannung, desto mehr Energie und Leistung kann eine Batteriezelle liefern.
-Energiedichte:
speicherbare Energie in Wattstunden pro Gewicht oder Volumen (Wh/kg und Wh/Liter)
-Leistungsdichte:
verfügbare Leistung pro Gewicht oder Volumen (repräsentiert in Form der erreichbaren C-Rate, welche der Kehrwert der Entladedauer ist. Eine Entladedauer von 2 Stunden entspricht damit einer C-Rate von 0.5) '
-Wirkungsgrad: Anteil der geladenen Energie, welche beim Entladen wiedergewonnen werden kann
-Stabilität:
verbleibende Energie über den Betriebszeitraum in Abhängigkeit der Zyklendegradation und kalendarischen Alterung
-Selbstentladung:
verbleibende Energie während Nichtbenutzung  

Neben den inhärenten Spezifika einer bestimmten Batterietechnologie lassen sich die Eigenschaften von Batteriezellen durch gezielte Optimierung des Elektrolyt- und Elektrodendesigns für spezifische Anwendungen optimieren. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Optimierung bestimmter KPIs meist zu Lasten von anderen geht, und das Design einer Batteriezelle an die konkrete Anwendung angepasst werden muss. Bei der Betrachtung der Batterietechnologien im Hinblick auf stationäre Energiespeichersysteme muss zudem berücksichtigt werden, dass diese KPIs stark vom betrachteten Systemlevel abhängen. Sie können sich daher deutlich von der einzelnen Batteriezelle, über die verschiedenen Systemebenen vom Batteriemodul zum Batteriecontainer, bis hin zur gesamten Anlage verändern. Neben den KPIs haben die verschiedenen Batterietechnologien zu berücksichtigende Implikationen auf der Anlagenebene bezüglich Auslegung und Aufbau, sowie einhergehende Maßnahmen für einen sicheren Betrieb. Außerdem spielen die Lebenszykluskosten, Ressourcenverfügbarkeit, resiliente und nachhaltige Lieferketten und Produktionsprozesse, sowie die Recyclebarkeit von ausgedienten Batterien eine immer größere Rolle bei der Bewertung der verschiedenen Technologien.  

Im Folgenden soll eine Auswahl an verschiedenen Batterietechnologien im Hinblick auf die Verwendung für stationäre Energiespeichersysteme vorgestellt werden. Aufgrund deren langer Historie und Marktdurchdringung wird der Fokus auf lithiumbasierten Zellchemien liegen, um allgemeine Prinzipien zu erklären, während einige interessante und innovative, zukünftige Alternativen ebenso vorgestellt werden sollen.

Lithium-NMC

Die Lithium Nickel-Mangan-Cobaltoxid (NMC) Zelle ist eine Weiterentwicklung aus den frühen 2000er Jahren von der ursprünglichen Lithium Cobaltoxid Zelle. Hierbei stellt NMC das Aktivmaterial der Kathode dar, während für die Anode Graphit (eine besondere Form von reinem Kohlenstoff) verwendet wird. Durch die Beigabe der sogenannten „Übergangsmetalle“ Nickel und Mangan konnten die Elektrodeneigenschaften im Gegensatz zu reinen Cobaltoxiden optimiert und zudem der Anteil des teuren und strittigen Cobalts verringert werden. Gängige Zusammensetzungen sind 8-1-1, 6-2-2 und oder 1-1-1, wobei die Zahlen die relativen stöchiometrischen Anteile von Nickel, Mangan und Cobalt angeben. Analog dazu wurden auch Lithium Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid (NCA) Kathoden, sowie weitere Zellchemien mit Übergangsmetalloxid-Kathodenmaterialien entwickelt. Hierbei ist zu erwähnen, dass die weitläufig bekannten Lithium Polymerbatterien keine gesonderte Zellchemie aufweisen, sondern gängige Aktivmaterialien wie NMC verwenden. Im Gegensatz zu „normalen“ LIB setzen diese allerdings auf ein spezielles polymerbasiertes Elektrolyt (statt des normalen Flüssigelektrolyts) und bieten damit einhergehend Freiheitsgrade bezüglich der Zellgeometrie.  

In den letzten 20 Jahren wurde die Forschung und Entwicklung von Übergangsmetalloxid-Kathodenmaterialien maßgeblich durch die Anforderungen und Optimierungen für mobile Anwendungen wie batterieelektrische Autos, Smartphones oder Laptops vorangetrieben. Somit weisen traditionelle Lithium-NMC Batterien eine sehr hohe Energiedichte und einen hohen Wirkungsgrad auf. Als marktdominierende Zellchemie fanden diese vor allem zu Beginn auch ihren Weg in stationäre Energiespeichersysteme, verschwinden in diesem Marktsegment aus Kostengründen aber zusehends wieder aus dem Portfolio von Lieferanten und Systemintegratoren.

Aus elektrochemischer Sicht basiert die Energiespeicherung in modernen Lithium-Ionen Batterien auf dem Prozess der sogenannten „Interkalation“, welche die reversible Einlagerung von Ionen aus dem Elektrolyt in die Festkörperstruktur der Elektrode beschreibt. Dies ist beispielhaft in Abbildung 2 für die Graphitelektrode in LIBs dargestellt: während der Aufladung der Zelle werden Lithiumionen aus dem Elektrolyt zwischen den 2D Kohlenstofflagen des Graphits eingelagert, während gleichzeitig eine Elektronenaufnahme aus dem externen Stromkreislauf stattfindet (Reduktion). Beim Entladen wird der Prozess umgekehrt: Elektronen werden an den externen Stromkreislauf abgegeben (Oxidation) und die Lithiumionen werden wieder ins Elektrolyt überführt, was man als Deinterlakation bezeichnet. Ein analoger Prozess läuft an der Kristallstruktur des Aktivmaterials der Kathode (z.B. NMC) ab: Lithium-Deinterkalation und Elektronenabgabe beim Laden, Lithium-Interkalation und Elektronenaufnahme beim Entladen. Die jeweiligen Oxidations- und Reduktionsreaktionen an der Kathode und Anode haben ein spezifisches elektrochemisches Potential. Deren Differenz bildet die Spannung der Batteriezelle und ist damit ein wichtiges Merkmal der verschiedenen Technologien.

Aufgrund der hohen Zellspannung von bis zu 4 Volt kommen bei klassischen lithiumbasierten Zellchemien normalerweise organische (also kohlenstoffbasierte) Verbindungen, wie zum Beispiel Ethylencarbonat, als Lösemittel für das lithiumhaltige Leitsalz im Elektrolyt zum Einsatz. Das liegt daran, dass diese (weitgehend) stabil gegen Zersetzung durch Elektrolyse bei derartig hohen Zellspannungen beziehungsweise den jeweiligen Elektrodenpotentialbereichen sind.  

Die Verwendung von organischen Lösemitteln bringen jedoch auch Herausforderungen mit sich, die spezielle Anforderungen an die Auslegung und das Design von stationären Energiespeichersystemen stellen. So wird beispielsweise dem Risiko der Brennbarkeit durch umfangreiche Branderkennungs- und Brandbekämpfungsmaßnahmen auf den verschiedenen Systemebenen entgegengewirkt. Bei Batterien mit hohen Energiedichten, also auch bei lithiumbasierten Zellchemien, muss sich vor allem mit dem sogenannten "Thermal Runaway" beschäftigt werden. Bei Überschreitung einer kritischen Zelltemperatur setzen irreversible chemische Reaktionsprozesse ein, welche innerhalb kürzester Zeit die in den Zellen gespeicherte Energie in Wärme umsetzen. Technisch stellt die Verhinderung des Thermal Runaway strenge Anforderungen an die Qualität der Zellfertigung und das Batterie Management System (BMS) bezüglich korrekten Lademanagements, sowie ausreichende Wärmeabfuhr durch das Kühlsystem. Dadurch konnte die Technologie in den letzten Jahren immer sicherer gemacht werden. Weitere Anforderungen an die Gehäuse der Batteriemodule sowie bauliche Sicherungsmaßnahmen sorgen dafür, dass keine chemischen Bestandteile der Batteriezelle in die Umwelt austreten können.

Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass Lithium, wenngleich tatsächlich nur geringe Mengen in einer Batteriezelle benötigt werden, keine komplett kritikfreie Ressource ist. Die globale Verfügbarkeit des Rohmaterials konzentriert sich derzeit auf wenige Länder, nämlich Australien, Chile und China. Die Extraktion von Lithium hat einen starken Einfluss auf die lokale Umwelt und es ist fraglich, ob deren Skalierung langfristig mit der wachsenden Nachfrage nach Batterien mithalten kann. Europa hat hierbei derzeit keinen direkten Zugriff auf die Lieferkette. Die weitere Aufbereitung der Rohmaterialien sowie die Zellfertigung geschehen heute fast ausschließlich in Asien, wenngleich wachsende Aktivitäten darauf abzielen, diese Produktion auch nach Europa und insbesondere Nordamerika zu holen. Nichtsdestotrotz besteht bei dieser wichtigen Technologie bisher weitestgehende Abhängigkeit von außereuropäischen Marktteilnehmern. Durch zunehmend strengere Nachhaltigkeitsauflagen seitens der EU wird versucht, die negativen Auswirkungen der Eingriffe weiter zu reduzieren.

LFP

Lithium Eisenphosphat (LFP) ist ein alternatives Aktivmaterial für die Kathode aus der Klasse der Interkalationsmaterialien, während das Anodenmaterial und Elektrolytzusammensetzung, sowie die Funktionsweise, ansonsten im Allgemeinen identisch zu den NMC-basierten LIB ist. Während die im direkten Vergleich zu Lithium-NMC geringere Energiedichte die Reichweite von LFP-basierten Elektroautos limitiert, ist dieser Nachteil bei stationären Energiespeichersystemen deutlich tolerierbarer, weshalb LFP Batterien heutzutage das Portfolio der BESS-Anbieter dominieren. Neben den geringeren Kosten bietet die LFP Technologie weitere signifikante Vorteile im Vergleich zu NMC, nämlich eine geringere Zyklendegradation (nach einem initialen Kapazitätsabfall) und damit längere Lebenszeit, sowie eine geringere Brandgefahr beim Thermal Runaway. Auch beim Einsatz von LFP Batterien sind technische und bauliche Anforderungen und Maßnahmen für einen sicheren Betrieb erforderlich. Aufgrund des Kostenvorteils durch die verwendeten Materialien (Eisen und Phosphat statt Nickel und Cobalt) haben LFP Zellen in den letzten Jahren immer größere Marktanteile von NMC Zellen übernommen.  Nichtsdestotrotz verbleibt auch bei dieser Technologie eine wie bei NMC ebenso starke Abhängigkeit von asiatischen Lieferanten für Europa bestehen.  

Li-ASSB

Lithium-Festkörperbatterien, sogenannte „All-Solid-State-Batteries“ (ASSB), gelten aktuell als der „heilige Gral“ der Batterieforschung. Das dahinterliegende Prinzip besteht darin, das flüssige Elektrolyt in traditionellen LIB durch einen lithium-leitenden Festkörper zu ersetzen und damit die Verwendung von reinem Lithiummetall anstatt von Graphit für die Anode zu ermöglichen. In Flüssigelektrolyten (also wie bei konventionellen Li-NMC oder LFP Zellen) würde die Verwendung von Lithiummetall innerhalb weniger Zyklen zum Wachsen von sogenannten Dendriten, also nadelartigen metallischen Anlagerungen von Lithium an der Anode, führen. Diese können im Kurzschluss der Batteriezelle resultieren, was eine Verwendung von metallischen Anoden somit ausschließt.  Lithiummetallanoden in Festkörperbatterien versprechen wiederum deutliche Verbesserungen der Energiedichte der Batterien, weshalb die Entwicklung und Kommerzialisierung dieser Technologie im Fokus der Automobilindustrie steht. Ein weiterer Vorteil liegt in der höheren Sicherheit, da kein brennbares organisches Flüssigelektrolyt zum Einsatz kommt, sowie in einer potentiell höheren Stabilität. Wenngleich viele Player aus Industrie und Forschung an Festkörperbatterien arbeiten, ist der große Durchbruch aufgrund bestehender technischer Herausforderungen bei den in Frage kommenden Festkörperelektrolyten und den Implikationen auf Design und Herstellung der Batteriezellen bisher ausgeblieben. Ohnehin wird erwartet, dass diese Technologie – sobald verfügbar – aufgrund der erwarteten hohen initialen Kosten tendenziell zunächst eher hochpreisigen Premiummärkten im Automobilbereich vorbehalten sein wird und dabei für stationäre Anwendungen zumindest kurz- und mittelfristig keine Rolle spielt.

Natrium-Ionen Batterien  

Natrium-Ionen Batterien erfahren aktuell ein großes (mediales) Interesse und gelten als vielversprechendste mittelfristige Alternative zu Lithium-Ionen Batterien. Natrium kommt nicht nur deutlich häufiger als Lithium auf der Erde vor, sondern ist auch geographisch deutlich mehr verteilt. Die Funktionsweise ist quasi identisch zu der in LIB, mit dem Unterschied, dass Natrium statt Lithium für die elektrochemischen Reaktionen verwendet wird. Dies erfordert Modifizierungen des Elektrolyts sowie eine andere Kohlenstoffvariation, sogenanntes „Hard Carbon“, anstatt Graphit für die Anode, während ähnliche Interkalationsmaterialien für die Kathode verwendet werden können. Hierbei ist vor allem die Materialklasse der „Preußisch-Blau Analoga“, zu nennen, welche auf weltweit verfügbaren Elementen wie Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff basiert. Durch den Aufbau einer lokalen Lieferkette und Produktion ließe sich die aktuelle Abhängigkeit Europas mit dieser Technologie in Zukunft potentiell reduzieren.  
Die KPIs von Natrium-Ionen Batterien sind stark abhängig von der exakten Zellchemie. Bis auf die etwas geringere Energiedichte sind diese größtenteils mit Lithium-Ionen Batterien vergleichbar oder in manchen Dimensionen sogar überlegen. Wenngleich noch Optimierungen der Zellmaterialen notwendig sind, kann größtenteils auf bestehende Produktionsprozesse aus dem Bereich der LIB angeknüpft werden, was Natrium-Ionen Batterien zu einer sogenannten „Drop-In“-Technologie macht. Dies wiederum sollte eine schnelle Skalierung zur Massenproduktion ermöglichen. Aus diesen Gründen könnte wohl eine großflächige Kommerzialisierung der Technologie bevorstehen, welche sowohl von großen etablierten Herstellern, als auch neuen Playern auf dem Markt getrieben wird. Diese Zelltechnologie hat großes Potential als günstigere und umweltfreundlichere Alternative mit einer wesentlichen diversifizierteren Lieferkette und wird vor allem mit LFP-Batterien im Kleinwagenbereich und stationären Energiespeichermarkt in Konkurrenz treten. Generell muss bei Batterietechnologien mit geringer Energiedichte jedoch immer berücksichtigt werden, dass mehr Volumen, Gewicht und dadurch auch insgesamt mehr Material zur Speicherung von derselben Energiemenge benötigt wird, als zum Beispiel bei der Verwendung von Lithium-Ionen Batterien. Dies wiederum wirkt sich unter anderem auf Ressourcen- und Materialverbrauch, Logistikkosten, Produktions- sowie Recyclingaufwand aus. Mit neuen Technologien sollten weitere Optimierungen der Lieferkette und des gesamten Lebenszyklus also ganzheitlich einhergehen.

Metall-Ionen Batterien mit wasserbasiertem Elektrolyt

An dieser Stelle sollen die wasserbasierten Natrium-Ionen Batterien genannt werden. Hierbei kommt Wasser statt dem organischen Lösemittel im Elektrolyt zum Einsatz, wodurch keine Brandgefahr mehr besteht. Im Prinzip wäre quasi die Verwendung von Meerwasser als Elektrolyt möglich. Potentiell ergeben sich bei dieser Technologie neben der großen Sicherheit weitere Vorteile bezüglich Umweltfreundlichkeit, Produktion, Kosten, Lebensdauer, Tiefenentladung, Leistungsfähigkeit, sowie geringerem Kühlbedarf und damit Schallemission. Die geringe elektrochemische Stabilität von wässrigen Elektrolyten, also die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff, wie in einem Elektrolyseur, limitieren die Zellspannung sowie die Auswahl der Aktivmaterialien allerdings deutlich. Dadurch ist vor allem die Energiedichte extrem verringert. Nichtsdestotrotz könnte diese Technologie ein spannender zukünftiger Kandidat für stationäre Anwendungen werden.  
Ähnliche Konzepte basierend auf wässrigen Elektrolyten sind mit Zink-Ionen möglich, wobei Zink im Gegensatz zu Natrium aufgrund des elektrochemischen Potentialbereichs in metallischer Form als Anode verwendet werden könnte. Dies kann sich positiv auf die Energiedichte auswirken und gemeinsam mit den geringen Kosten und der guten Verfügbarkeit von Zink interessante zukünftige Entwicklungen bereithalten.

Natrium-Schwefel Thermalbatterien

Im Gegensatz zu den Interkalationsmaterialien basiert die Technologie der Metall-Schwefel Batterien auf sogenannten Konversionskathoden. Bei der Entladung wird hierbei an der Kathode reiner Schwefel elektrochemisch reduziert und reagiert mit Metall-Kationen zu Metallsulfiden. An der Anode liegt eben dieses Metall in Reinform vor, wird bei der Entladung oxidiert und die Metallionen wandern von dort aus durch das Elektrolyt zur Kathode.  Verschiedene Ionen wie Lithium, Natrium, Kalium oder Magnesium können für diese Reaktion in Betracht gezogen werden, von denen Natrium als vielversprechendster Kandidat für diese Technologie gesehen wird. Wenngleich auch an Raumtemperatursystemen geforscht wird, konnte die Natrium-Schwefel Technologie bisher lediglich im Design als sogenannte „Thermalbatterie“ mit hohen Betriebstemperaturen von über 300°C einen für die Kommerzialisierung ausreichenden Reifegrad erreichen. In dieser Form liegen alle Aktivmaterialien in flüssiger Form als Schmelze vor: flüssiger Schwefel bzw. Natrium(poly)sulfid an der Kathode und flüssiges Natrium an der Anode. Als Elektrolyt dient eine natriumleitende nicht-flüssige Festkörperkeramik, deren Leitfähigkeitsverhalten die hohe Betriebstemperatur erfordert.  

Natrium-Schwefel Batterien sind bereits seit Jahrzenten auf dem Markt verfügbar und versprechen eine hohe kalendarische Lebenszeit, eine gute Energiedichte, hohe Sicherheit durch lange Erprobung und hohe Ressourcenverfügbarkeit der Kernkomponenten. Gleichzeitig beeinflusst der Energiebedarf für die Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur die Systemeffizienz negativ und bedingt eine gute Gehäuseisolierung sowie ein effektives Wärmemanagement. Zudem lässt diese Batterietechnologie nur geringe Entladeraten zu und ist damit nur für Langzeitspeicher (mehrere Stunden) geeignet. Deren zukünftige Relevanz für stationäre Energiespeichersysteme hängt somit unter anderem von der Entwicklung der Strommärkte und Regulatorik und damit der assoziierten Use-Cases ab (leistungsbasierte Auslegung vs. kapazitätsbasierte Auslegung).

Redox-Flow Batterien

Im Gegensatz zu den anderen hier vorgestellten Technologien befindet sich bei den Redox-Flow Batterien (RFB) das redox-aktive Material nicht in den Elektroden, sondern im Elektrolyt. Eine RFB besteht aus zwei Elektrolyttanks, in welchen jeweils ein Redoxpaar in gelöster Form als Ionen vorliegt. Die beiden Lösungen werden von Pumpen durch die eigentliche elektrochemische Zelle zirkuliert, welche aus zwei von einem Separator getrennten Elektroden besteht. Die Energiespeicherung geschieht über die in den beiden Lösungen enthaltenen Redoxpaare, welche jeweils an einer Elektrodenoberfläche (Kathode und Anode) vorbeigespült und dabei oxidiert beziehungsweise reduziert werden. Die Dimensionierung der Elektrodenflächen bestimmt hierbei die Leistung und das Volumen der Tanks die Energie, wodurch diese Batterietechnologie eine entkoppelte Skalierung erlaubt.  

Die Energiedichte und Effizienz von RFB ist zwar deutlich geringer als bei LIB, dafür weisen sie aber eine sehr hohe Lebenszeit und gute Sicherheit auf. Dadurch ist diese Technologie durchaus ein interessanter Kandidat für stationäre Energiespeichersysteme. Die einfache Skalierbarkeit der Energie des Systems über die Elektrolytvolumina könnte gerade bei Speicherdauern von mehreren Stunden einen Kostenvorteil gegenüber Lithium-Ionen Batterien bringen. In aktuellen RFB Systemen spielen Redoxpaare auf Basis von Vanadium noch eine sehr große Rolle. Die große Preisvolatilität und der geographisch eingeschränkte Zugang zu relevanten Vorkommen dieses Elements  spiegeln sich heutzutage noch in ökonomischen Nachteilen dieser Technologie, weshalb aktiv an alternativen Redoxpaaren geforscht wird. Hierbei sind eisenhaltige und organische Verbindungen aus Nachhaltigkeits- und Ressourcenaspekten besonders interessant.  

Blei-Säure Batterien

Der Vollständigkeit halber seien hier auch die wohlbekannten Blei-Säure Batterien zu erwähnen. Diese Batterietechnologie hat aufgrund der langen Historie als Starterbatterie in Autos einen sehr hohen Skalierungsgrad sowie eine hohe Entwicklungsreife und Zuverlässigkeit, weshalb sie gerade zu Beginn auch in stationären Energiespeichersystemen zum Einsatz kam. Wenngleich ihre niedrige Energiedichte für stationäre Anwendungen ausreichen könnte, ist diese Technologie heutzutage größtenteils aus dem Markt verschwunden. Dies liegt an ihren diversen Nachteilen wie der langen Ladezeit, Umweltgefahr durch Blei und Säure, sowie der kürzeren Lebensdauer. Nichtsdestotrotz hat diese Technologie Vorteile gegenüber klassischen LIBs und daher weiterhin große Relevanz für unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme, welche größtenteils im Standby-Betrieb bei hohen Ladezuständen verbleiben.

Zusammenfassung und Ausblick

Wenngleich alternative Technologien bereits heute in den Startlöchern stehen, wird der Markt für Batteriezellen noch von der Lithium-Ionen Technologie dominiert. Dies liegt vor allem an der bisherigen Entwicklung dieses relativ jungen Marktes, welcher vor allem von den Bedürfnissen der Automobilindustrie für hohe Energiedichten getrieben wird. Der Marktanteil von stationären Batteriespeichern macht heute ca. 10% des Gesamtvolumens aus und war damit historisch zu gering, als dass sich dedizierte alternative Technologien kostenmäßig hätten durchsetzen können. Dadurch kommen bis heute Lithium-Ionen Zellen als „Alleskönner“ in sämtlichen Anwendungen zum Einsatz. Zukünftig ist allerdings eine Diversifizierung des Marktes für Batteriezellen in dedizierte „Spezialisten“ bezüglich mobiler und stationärer Anwendungen zu erwarten, welche perfekt an das jeweilige Anforderungsprofil angepasst sind. Mit deren Marktreife und Skalierung der Massenproduktion sollten sich die Kostenvorteile alternativer Batterietechnologien durch den Fokus auf verfügbare und günstigere Materialien manifestieren und diesen zum Durchbruch verhelfen. Kurzfristig ist am Markt für stationäre Batteriespeicher zu erwarten, dass sich LFP Zellen vollständig gegenüber Li-NMC Zellen durchsetzen werden. Diese könnten allerdings bald Konkurrenz von der Natrium-Ionen Technologie bekommen, welche eine größere Nachhaltigkeit und Ressourcenverfügbarkeit verspricht. Je nach Entwicklung des Strommarktes könnten auch Redox-Flow Batterien und Natrium-Schwefel Thermalbatterien eine zunehmend größere Rolle spielen. Bei Kyon Energy verfolgen wir neue Technologieentwicklungen ganz genau und stehen in ständigen Austausch mit Herstellern und Lieferanten bezüglich der besten Lösungen für unsere Batteriespeicheranlagen.

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