So kann Strom wie Benzin oder Heizöl gespeichert werden

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Düsseldorf Ein Leben ohne Lithium-Ionen-Batterien ist in Zeiten von Laptops, Smartphones und Elektroautos kaum vorstellbar. Viele sehen auch die Lösung für das Speicherproblem erneuerbarer Energien in Lithium-Ionen-Batterien (LIB).

Der leistungsstarke Allrounder hat aber auch Nachteile. Beispielsweise wird für die Produktion das umstrittene Metallkobalt benötigt, das in Ländern wie der Demokratischen Republik Kongo häufig unter widrigen Bedingungen abgebaut wird. Und die Produktion von Lithium selbst führt bereits zu Wasserknappheit in den ohnehin trockenen Wüstenregionen Südamerikas. Die Suche nach einem alternativen Großlager ist daher in vollem Gange.

Mitten in Alzenau in Nordbayern ist das Start-up CMBlu überzeugt, diese Alternative gefunden zu haben. Mit der sogenannten Organic Flow Batterie entwickelt das Unternehmen Cleantech gemeinsam mit dem Automobilzulieferer Schaeffler eine Speicherlösung, die mit Naturstoffen arbeiten soll.

“Moleküle sind der perfekte Energiespeicher”, erklärt CEO Peter Geigle im Interview mit dem Handelsblatt. Insbesondere stützt sich CMBlu auf das Ligninmolekül. Eine Substanz, die Teil der Struktur jeder Pflanze ist, ob Baum oder Gras.

„In der Papier- und Zellstoffindustrie fallen große Mengen Lignin als Abfallprodukte an, die größtenteils verbrannt werden. Wir bevorzugen es, das Material mit Bedacht einzusetzen “, sagt Geigle. Für die organische Durchflussbatterie könnten auch unzählige andere Kohlenstoffquellen verwendet werden. Das Ziel der Bayern ist klar: “Wir sind billiger als ein Lithium-Ionen-Akku und trotzdem sparsam”, verspricht der CMBlu-Chef.

Die Technologie hinter der organischen Lagerung ist jedoch nicht ganz neu. Für ihre Erfindung verwenden die Erfinder aus Alzenau das bekannte Verfahren der Redow Flow-Batterie. Im Gegensatz zu einer Lithium-Ionen-Batterie werden in den Batterien flüssige Elektrolyte verwendet, die auch als Flussbatterien bezeichnet werden. In jedem der beiden großen Tanks befinden sich zwei verschiedene Elektrolyte.

Dazwischen befindet sich ein Energiewandler mit einer dünnen Membran. Während des Ladevorgangs geben die Ionen in einer Flüssigkeit Elektronen ab, die dann durch die Membran in die andere wandern. Die Energie wird chemisch gespeichert. Wenn der Strom wieder verwendet wird, wird der Vorgang umgekehrt. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden.

Polstert Lastspitzen im Stromnetz

Während Lithium-Ionen-Speicher innerhalb von Sekundenbruchteilen viel Energie liefern können, sind Redox-Flow-Batterien weniger dynamisch. Bei richtiger Anwendung bieten sie jedoch entscheidende Vorteile: Speichergröße und Leistung können unabhängig voneinander und nahezu wie gewünscht skaliert werden. Außerdem ist eine Flussbatterie nicht brennbar.

“Die Flussbatterie eignet sich besonders zur Speicherung von Energie über mehrere Stunden und kann im Gegensatz zur Lithium-Ionen-Batterie Volllastzyklen ausführen. Damit eignet sie sich perfekt zur Dämpfung von Spitzenlasten im Stromnetz”, erklärt Experte Peter Fischer vom Fraunhofer-Institut für die chemische Technologie.

Dies bedeutet, dass Redox-Flow-Batterien die Lücke zwischen Lithium-Ionen-Batterien für den kurzfristigen Einsatz, beispielsweise in Autos oder kleineren Heimspeichersystemen, und Power-To-X-Projekten füllen, dh der Speicherung von überschüssigem Strom in Form von grünem Wasserstoff für einen Zeitraum von mehreren Tagen und Wochen.

Weil grüne Energiequellen wie Sonne und Wind nicht immer verfügbar sind, wenn Sie sie benötigen, wie z. B. Kohle oder Kernenergie. Um die Gefahr einer sogenannten dunklen Ruhe zu vermeiden, werden Speichertechnologien benötigt, die Strom liefern, auch wenn kein Wind und keine Sonne scheint. Dies können riesige Lithium-Ionen-Batterien sein, wie der 50-Megawatt-Speicher des Kohleunternehmens Leag in der Lausitz.

Die Power-To-X-Technologie kann aber auch überschüssigen Strom in Form von Gas vorübergehend speichern und bei Bedarf wieder in Strom umwandeln und ins Netz zurückspeisen. Solche großen Speichertechnologien boomt auf der ganzen Welt. Sinkende Produktionskosten, steigende Strompreise und immer mehr Wind- und Solarsysteme sowie die zunehmende Zahl von Elektroautos zählen zu den zentralen Treibern.

Laut Analysten des Marktforschungsunternehmens EuPD Research wird die weltweite Gesamtkapazität allein im Segment der gewerblichen und industriellen Speicher von heute rund zehn Gigawattstunden auf knapp 200 Gigawattstunden im Jahr 2030 steigen. Die akkumulierte Kapazität des Netzwerkspeichers wird a ähnlich starker Anstieg – bis 2030 auf rund 175 Gigawattstunden.

Steigende Nachfrage

Auch die Nachfrage nach Redox-Flow-Batterien wächst. Die bewährte Speichertechnologie hat in anderen Ländern seit langem einen großen Markt besetzt. “Flussbatterien sind in China, Japan, Korea und den USA seit langem auf dem Markt und auch wirtschaftlich”, erklärt Experte Fischer.

Dort laufen die Batterien jedoch üblicherweise auf Basis des Metallvanadiums. Organische Redox-Flow-Batterien müssen sich dagegen noch im Dauereinsatz bewähren.

Neben CMBlu hat das thüringische Unternehmen Jena Batteries auch eine metallfreie Speicherlösung entwickelt. Geschäftsführer Olaf Conrad hat keinen Zweifel am Durchbruch der organischen Redox-Flow-Batterie. Der Chemiker konzentriert sich auf eine ganz bestimmte Lücke.

„Die Lithiumproduktionskapazität wird in den nächsten Jahren nicht ausreichen, um die schnell wachsende Nachfrage zu befriedigen. Wo Platz und Größe keine Rolle spielen, wechseln Sie zu Alternativen “, ist er überzeugt. “Sie können nicht explodieren, benötigen keine Metalle oder Seltenen Erden und haben eine doppelt so lange Lebensdauer wie Lithium-Ionen-Batterien”, argumentiert Conrad.

Redox-Flow-Batterien haben jedoch einen großen Nachteil: Sie zahlen sich in diesem Land nicht aus. Aufgrund der allgemeinen Bedingungen und der hohen Abgaben auf den Strompreis steht die Lithium-Ionen-Alternative vor dem gleichen Hindernis wie Power-To-X: Sie ist einfach zu teuer und kann nicht mit Lithium-Ionen-Speichern mithalten. „Dies liegt daran, dass LIBs seit zwanzig Jahren in Milliardenhöhe hergestellt werden. Redox-Flow-Batterien sind noch nicht da und können daher im Preis nicht mithalten “, muss auch Conrad zugeben.

Was die Zelle für Lithium-Ionen-Batterien ist, sind die Elektrolyte für den Redox-Flow-Speicher. Sie sind das teuerste Element der Batterie. Wenn Sie die billigsten Elektrolyte produzieren, können Sie einen großen Kostenvorteil erzielen. Conrad und Geigle sind fest davon überzeugt, dass die Technologie langfristig wettbewerbsfähig werden kann.

Sowohl CMBlu als auch Jena Batteries starten in diesem Jahr ihre Pilotanlage. Jena Batteries plant bereits 2021 den nächsten Schritt in Richtung Serienproduktion. Die Gespräche mit Anlagenbauern aus der Industrie oder auch öffentlichen Versorgungsunternehmen laufen bereits.

Der Anlagenhersteller Schmid aus Baden-Württemberg ist bereits einen großen Schritt voraus: In diesem Jahr will das süddeutsche Unternehmen seine erste Gigawattfabrik für Redox-Flow-Batterien auf Vanadiumbasis eröffnen. Aber nicht in seinem Heimatland, sondern mit Unterstützung der saudischen Investmentgesellschaft Nusaned Investment und des saudischen Projektentwicklers Riwaq in Saudi-Arabien.

“Deutschland hat eine lebhafte Redox-Flow-Szene, aber wir verschlafen nur die Anwendung”, warnt Experte Fischer. Redox-Flow-Projekte laufen noch, ob auf Metall- oder organischer Basis, in Deutschland jedoch nur auf Modellbasis. Eines ist Fischer sehr klar: “Wir werden diese Energiespeicher brauchen.”

Mehr: Lithium-Ionen-Batterien sind ein Milliardengeschäft – mit einer dunklen Seite.

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