12.09.2019 | Dazu werden sie eingesetzt – daran tüfteln die Forscher

Die Zukunft der Batterien

Wer heute Batterie sagt, denkt vor allem an Lithium-Ionen-Batterien. Dank ihnen funktionieren Laptops und Mobiltelefone, Rasenmäher und Elektroautos. Sie werden aber auch als stationärer Energiespeicher eingesetzt, um damit Netzschwankungen ausgleichen zu können.

Batteriespeicher sollen ein wichtiger Baustein für die Energiewende sein. Denn Strom aus neuen, erneuerbaren Energiequellen fliesst nicht immer dann, wenn er gebraucht wird, sondern nur wenn die Sonne scheint oder der Wind bläst. Selten stimmen Energiefluss und Energiebedarf überein. Dieser Strom kann ein paar Stunden oder wenige Tage gespeichert werden – dafür gibt es verschiedene Arten von Stromspeichern. Noch fehlen aber die Lösungen, um grössere Mengen Energie aus der Sommerproduktion für den Winter zu speichern.

Batterien werden heutzutage vor allem als Stabilisator für das Stromnetz eingesetzt. So betreibt beispielsweise die Steag, die fünftgrösste deutsche Stromerzeugerin mit Sitz in Essen, an sechs verschiedenen Standorten Batteriesysteme (Lithium-Ionen-Batterien) mit einer Leistung von je 15 MW und einer Gesamtkapazität von 120 MWh. Sie werden zur Erbringung von Primärregelleistung zum Ausgleich des deutschen Stromnetzes eingesetzt (siehe auch hier: Zaubern mit Regelenergie).

Akku-Packs

Geschäft in der Schweiz

Auch hierzulande haben die Energieversorgungsunternehmen die Möglichkeiten von Batteriespeichern erkannt. So haben die EKZ (Elektrizitätswerke des Kantons Zürich) in Volketswil den grössten Batteriespeicher der Schweiz in Betrieb genommen (Details dazu hier). Er hat eine maximale Leistung von 18 MW und eine Speicherkapazität von 7,5 MWh. Das System, das Energie mittels Lithium-Ionen-Technologie speichert, wird ebenfalls für den Bereich Regelenergie eingesetzt.

Axpo hat kürzlich ihren ersten Auftrag für Bau und Betrieb eines Batteriespeichers mit einer Leistung von 2 MW und einer Speicherkapazität von 2,17 MWh vom Elektrizitätswerk Jona-Rapperswil erhalten. Der Speicher wird zur Vermeidung von Leistungsspitzen und im Markt der Primär-Regelleistungen zum Einsatz kommen (Mehr dazu hier und später im Energiedialog Online)

Kommen am häufigsten zum Einsatz: Lithium-Ionen-Batterien
Technologie hat ihr Potential ausgeschöpft

Lithium-Ionen-Batterien wurden vor rund 30 Jahren auf dem Markt eingeführt und haben „seither einen beispiellosen Siegeszug durch viele Anwendungen angetreten“, bilanziert die Frankfurter Allgemeine Zeitung FAZ. Laptops und Mobiltelefone, Rasenmäher und Elektroautos beziehen ihre Energie daraus. Doch die Wissenschaftler sind sich einig, die Lithium-Ionen-Technologie hat ihr Potenzial mehr oder weniger ausgeschöpft - auch weil das für die Kathode verwendete Material aus Lithium-Kobaltoxid besteht. Kobalt ist relativ selten, wird in Kongo oder Sambia zu einem grossen Teil durch Kinderarbeit gewonnen, ist giftig und teuer. Das Element wird zudem für die Produktion von Stahl eingesetzt – das heisst die Nachfrage ist gross. Kobalt wird deshalb in wenigen Jahrzehnten zur unbezahlbaren Mangelware werden (Mehr dazu hier).

Woran Forschende arbeiten

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen arbeiten deshalb bereits an den Akkus der Zukunft. Die Forschung beschäftigt sich mit verschiedensten alternativen Materialien um die brennbaren Lithium-Ionen-Batterien abzulösen. Alle Bestandteile der Batterie werden dabei untersucht: Kathode (+Pol), Anode (-Pol) und der Elektrolyt durch den die Ionen wandern.

Sie setzen dabei auf unkritische Stoffe wie Natrium, Magnesium, Aluminium, Kalzium oder Zink. Auch mit Kobalt und Nickel wird geforscht und US-Forscher glauben, dass auch bei Kupfer und Eisen ein Potenzial für eine Nutzung in Batterien vorhanden ist, wie die Fachzeitung „Nature“ schreibt.

Tüfteln an neuen Materialien: Forschende

Am weitesten entwickelt, sprich kurz vor der Serienreife, sind derzeit Natrium-Ionen-Batterien, rapportiert die Süddeutsche Zeitung. Deren Vorteile sind: Verzicht auf das giftige und teure Kobalt. Natrium ist ein nachhaltiger Rohstoff (aus Kochsalz). Als Nachteile gelten: Die Energiedichte von Lithium wird nicht erreicht, entsprechend wenig eignen sich diese Batterien für Elektroautos. Als grössere Speicherbatterien könnten sie sich aber bewähren.

Etwas länger dauern wird es wohl bei der Magnesium-Batterie; sie gilt aber als neuer Hoffnungsträger unter den wieder aufladbaren Stromspeichern. Die Forschung in diesem Bereich wird auch von der EU unterstützt. Die Ziele der Forscher, unter anderen am deutschen Helmholtz Institut in Ulm sind ambitioniert: Sie wollen Prototypen entwickeln die sicherer und billiger sind und mehr Leistung bringen. Angestrebt werden ein Preis von unter 100 Euro/Kilowattstunde Strom und eine Kapazität von 400 Wattstunden pro Kilogramm. Zum Vergleich: Aktuelle Lithium-Ionen-Batterien liefern bis zu 250 Wattstunden pro Kilogramm und kosten etwa das Doppelte.

Ob die Forscher ihre Ziele mit der Magnesium-Batterie erreichen werden, ist heute noch unklar. Klar dagegen ist, es wird noch dauern, bis es wirklich taugliche Alternativen zur heute marktbeherrschenden Lithium-Ionen-Batterie geben wird.

(Mehr Infos zum Thema Batterien, Energiedichte, Ladezyklen und vieles mehr findet man hier)

EMPA forscht

In der Schweiz beschäftigen sich unter anderen die Eidgenössische Materialprüfungsanstalt EMPA und die ETH mit Batterien. Konkret geht es etwa darum, dass Verhalten der heutigen Lithium-Ionen-Batterien besser zu verstehen und sie dadurch zu verbessern. Weiter konzentriert sich die Forschung an der EMPA darauf, komplett neue Konzepte für Batterien zu entwickeln und deren Potenzial zu erkunden. So bei der Entwicklung von Batterien aus preiswerten Rohstoffen. Als vielversprechend bezeichnen die Forschenden dabei Aluminiumbatterien (Mehr zur Funktionsweise der gängigen Lithium-Ionen-Batterie und zur Batterieforschung an der EMPA findet man hier. Mehr zur Aluminiumbatterie gibt es hier).

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