Batteriespeicher

Elektrochemische Speicher (Akkumulatoren)

Diese Speicherformen werden in den letzten Jahren immer wichtiger für Antriebe von Elektrofahrzeugen (Traktionsanwendungen), für größere Anlagen zur Netzstabilisierung und schließlich auch für die private Nutzung in Heimspeichern in Verbindung mit einer Photovoltaikanlage. Typische Heimspeicher haben Leistungen im Bereich von mehreren Kilowatt bei Energiewerten im gleich hohen kWh-Bereich[6][7], konventionelle Anlagen zur Netzstabilisierung liegen im ein bis zweistelligen MW, bzw MWh-Bereich. In jüngerer Zeit werden hier auch Leistungswerte um 100 MW erreicht [3].

In Zukunft dürfte innerhalb eines energetischen Gesamtkonzepts die Vernetzung von Heimspeichern zu einem virtuellen Großspeicher eine immer wichtigere Rolle spielen. Erste solche Anlagen gehen schon in Betrieb [4][5].

 

Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien

Die Speicher für private Nutzung bestehen in der Regel entweder aus Blei-Säure, Blei-Gel oder Lithium-Ionen-Batterien, wobei letztere sich immer mehr durchzusetzen scheinen. Grundsätzlich gilt: Blei-Akkus sind weniger leistungsfähig, aber billiger als Lithium-Ionen-Akkus. Bei Blei-Akkus geht man von einer Lebensdauer von 10 Jahren aus, hofft aber, diese noch steigern zu können. In [1, Seite 108] werden die leistungsspezifischen Kosten auf 1000-2000 €/kW, die energiespezifischen Kosten auf 150-350 €/kWh geschätzt, wobei ein Absinken auf 120€/kWh prognostiziert wird. Der Wirkungsgrad liegt bei 75%-80%, die Selbstentladungsrate bei 0,1% bis 0,4 % pro Tag.

Bei Lithium-Ionen-Akkus wird eine Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren erwartet, einige Anbieter sprechen sogar von 25 Jahren. Dabei ist allerdings ist zu beachten, dass diese Werte in Alterungstests von kurzer Dauer ermittelt wurden. Der Wirkungsgrad dieser Akkus liegt bei 90%- 95%, die Selbstentladungsrate bei etwa 0,2 % pro Tag. Die derzeit noch relativ hohen Kosten von mehr als 1100€/kWh [2] sollen in Zukunft nach [1, Seite 115] auf weniger als ein Drittel fallen.

 

Andere Batteriespeicher

Nickel-Cadmium Batterien

Nickel-Cadmium Batterien sind leichter als Blei-Säure-Akkus. Sie besitzen eine größere Leistungsdichte, eine längere Lebensdauer, eine sehr kurze Ladezeit und sind bis etwa -30°C einsetzbar. Sie erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 70%. Hauptnachteil ist die Toxizität sowohl des Cadmiums als auch die der als Elektrolyt eingesetzten Kalilauge. Beides erhöht die Produktionskosten erheblich. Zudem verbietet eine neuere EU-Richtlinie den Einsatz von Batterien mit mehr als 0,002 Gewichtsprozenten Cadmium. Man geht deshalb dazu über, Nickel-Metallhydrid- oder NiZn-Batterien einzusetzen und verzichtet dabei unter anderem auf den Vorteil des Einsatzes bei extremen Temperaturen.

 

Hochtemperaturbatterien

Diese Batterieform besitzt flüssige Elektroden und feste Elektrolyte. Für die Verflüssigung der Elektroden sind relativ hohe stabile Temperaturen im Bereich von etwa 300 °C erforderlich. Als Elektrodenmaterial kommen z.B. Natrium und Nickelchlorid (sogenannte ZEBRA-Batterien) oder Natrium und Schwefel (NaS-Batterie) zum Einsatz. Die reinen Batterie-Wirkungsgrade liegen bei 91% (ZEBRA) bzw 87% (NaS). ZEBRA-Batterien wurden ursprünglich als Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge gebaut, werden mittlerweile aber auch in Form von Stromspeicherkraftwerken mit Speicherkapazitäten von mehreren MWh genutzt. Eine NaS-Batterie-Speicherwerk in Hitachinaka (Japan) hat sogar eine Kapazität von 57,6 MWh bei einer Leistung von 9,6 MW.

 

 

 

Redox-Flow-Batterien

Diese Batterien bestehen aus einer Zelle mit zwei Elektrolytflüssigkeiten, die durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind. Jede Flüssigkeit hat Kontakt mit einer der beiden Elektroden und ist mit einem Tank verbunden, in den die Elektrolytflüssigkeit nach Aufladen in der Zelle gepumpt und von dem sie nach Entladen wieder zurückgepumpt werden kann.

Größere Anlagen mit Speicherkapazitäten bis zu 120 MWh gibt es in England, Japan, Australien und den USA.




Bild 1: ADS-TEC GmbH 2014, Quartierspeicher "Strombank"

Bild 2: Fraunhofer UMSICHT, Fraunhofer IWES / Metastudie Energiespeicher [31.10.2014) Abb. 3-50 nach Neumann 2008
Bild 3:  Wikimedia Commons nach  Creative Commons CC BY 3.0

Bild 4: Wikimedia Commons nach  Creative Commons CC BY-SA 3.0