Die Energiespeicherung ist das größte Problem der nachhaltig erzeugten Energie. Photovoltaik hift nur bei Sonnenschein und wenn kein Wind weht, drekt sich keine Windkraftanlage. So muss in „guten Zeiten“ für schwache Energielagen vorgesorgt werden. Wie, ergänzt luckx – das magazin den 1. Teil der Betrachtungen.

Speicherlösung

Mit Blick auf die Messe EnergyDecentral in Hannover zeigt sich: Es gibt nicht „die“ eine Speicherlösung, sondern eine Vielzahl von Technologien. Sie ermöglichen die Bedienung der unterschiedlichsten Anwendungsbereiche – vom Leistungsspeicher bis zum Kapazitätsspeicher. Dr.-Ing. Jan Girschik vom Fraunhofer UMSICHT sieht hier Redox-Flow-Batterien im Vorteil. Der Hintergrund: Während Leistung und Speicherkapazität konventioneller Non-Flow-Batterien wie Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Batterien in einem festen Verhältnis zueinanderstehen, lassen sich diese bei Redox-Flow-Batterien unabhängig voneinander skalieren. Die Batterien können bis zu 20.000-mal ohne Leistungsverlust aufgeladen werden und der Elektrolyt ist nicht explosiv oder brennbar. So ist ein Betrieb für 15 bis 20 Jahre möglich, was der Betriebszeit vieler Wind- und Solaranlagen entspricht.

Hoffnungsträger

Es sind vor allem Vanadium-Flow-Batterien, die als Hoffnungsträger bei der Energiewende gelten. Schritt für Schritt werden sie in Richtung Massenmarkt weiterentwickelt. „Sie eignen sich vor allem als stationäre Energiespeicher und wurden mit diesem Ziel in den 1970ern von der NASA entwickelt“, so Girschik, der die Gruppe Batterieentwicklung leitet. Das liege zum einen an den relativ geringen Energiedichten der Elektrolytlösungen, in denen die Energie chemisch gespeichert wird, zum anderen aber auch „an Eigenschaften wie der Tiefentladefestigkeit und der nahezu nicht vorhandenen Selbstentladung, die eine mittel- und langfristige Speicherung großer Energiemengen erst effizient machen.“ Girschik hat die Fluidführung der flüssigen Speichermedien in den Batteriezellen optimiert und designtechnische Anpassungen der Elektroden erarbeitet, die sich mit geringem Umstellungsaufwand der Produktion in bereits kommerzialisierten Flow-Batterien übernehmen lassen. Im Ergebnis konnte er so die Druckverluste bei großformatigen Vanadium-Flow-Batterien um bis zu 70 Prozent reduzieren und materialschädigende Verformungen innerhalb der Batteriezellen verhindern. Dadurch erhofft sich der Wissenschaftler künftig eine wesentlich ressourcen- und kosteneffizientere Bereitstellung von Energiegroßspeichern.

Verbesserte Batterien

Und auch die Forschung an Natrium-Schwefel-Batterien (NAS-Batterien) gewinnt im Zuge der Energiewende an Bedeutung. NAS-Batterien sind stationäre Energiespeichersysteme mit langer Lebensdauer und hohem Energiegehalt. Sie kommen in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz, etwa zur Stabilisierung und Nutzungsoptimierung von erneuerbaren Energien, Kappung von Spitzenlasten und Lastausgleich sowie zur Notstromversorgung. Ein Faktor erschwerte bisher ihren wirtschaftlichen Einsatz: Sie arbeiten nur bei Temperaturen oberhalb von 250 Grad Celsius zufriedenstellend, bei niedrigeren Temperaturen wandern zu wenig Ladungsträger von einem Pol zum anderen. Ein Team um Dr. Frank Tietz am Forschungszentrum Jülich hat jetzt einen Ansatz gefunden, damit auch bei Raumtemperatur genügend Ladungsträger wandern. Die Forscher haben dafür die Dicke des Elektrolyten erheblich verringert. Darüber wurden die Kontaktmöglichkeiten zwischen dem Elektrolyten und den beiden Polen aus Natrium beziehungsweise Schwefel optimiert. „Wir haben jetzt schon eine Energiedichte von rund 46 Wattstunden pro Kilogramm erzielt. Theoretisch wäre bei diesem Zellaufbau ein Wert von rund 280 Wattstunden pro Kilogramm möglich“, sagt Aikai Yang, Doktorand aus China, der den Prototyp entwickelt hat. Zum Vergleich: Aktuelle Lithium-Ionen-Akkus haben eine Energiedichte zwischen 100 und 250 Wattstunden pro Kilogramm.

Wasserstoff zur Langzeitspeicherung

Bei der Frage, wie sich erneuerbare Energien speichern lassen, dreht sich auf dem Messegelände in Hannover aber nicht allein alles um Batterien. Für den Erfolg der Energiewende und ein funktionierendes Gesamtenergiesystem sind weitere Energiespeicherarten nötig. Die Wasserstofftechnologie stellt eine der zentralen Schlüsseltechnologien zur Speicherung von volatilen erneuerbaren Energien sowie zur Dekarbonisierung zahlreicher Sektoren dar, insbesondere in der Wärmeversorgung, im Verkehr und in der Industrie. Mit einem umfangreichen Portfolio liefern die Aussteller auf dem Messegelände in Hannover Lösungen für den Bau und Betrieb von Modulen oder ganzen Anlagen entlang der H2-Wertschöpfungskette. Und auch im Rahmen der Expert Stage diskutieren Branchenexperten und Gäste auf der EnergyDecentral aktuelle Entwicklungen und Trends zum Thema Wasserstoff.

Wasserstoff gilt wegen seiner Vielseitigkeit als wichtiges und zukunftsweisendes Element einer dekarbonisierten Wirtschaft. Nachhaltig ist er aber nur, wenn er aus erneuerbaren Energien gewonnen wird. Mit „grünem“ Wasserstoff kann durch die Zugabe von CO₂ ein klimaneutrales Brenngas (Power-to-Gas) oder ein synthetischer flüssiger Kraftstoff (Power-to-Liquid) produziert werden. Die als Power-to-X (P2X) bezeichneten Technologien gelten daher als wichtiger Baustein für ein Energiesystem, das vollständig auf erneuerbaren Quellen basiert. P2X ergänzt die bisherigen Speichertechnologien und ermöglichen es, große Energiemengen so zu bevorraten, dass sie auch bei einer Dunkelflaute ausreichend Strom und Wärme bereitstellen können.