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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Salzwasserbatterien sind eine echte Alternative

Natrium-Ionen- und Lithium-Ionen-Batterien wurden etwa zeitgleich erfunden, aber nur letztere konnten sich bislang am Markt durchsetzen. Doch die Herstellung von Li-Io-Batterien ist aufgrund des hohen Ressourcenverbrauchs nicht nachhaltig.

Grafische Darstellung des Aufbaus einer Salzwasserbatterie (Quelle: BlueSky Energy/ep)

Zudem schwankt deren Lebensdauer, da sie sich durch den chemischen Prozess innerhalb der Zellen stetig selbst entladen. Eine gute Alternative sind serienreife Natrium-Ionen-Batterien, sogenannte Salzwasserspeicher. Der Beitrag erläutert ihre Stärken und Schwächen.

Salzwasserbatterien ähneln vom Aufbau her einer Bleibatterie – allerdings mit einem wichtigen Unterschied: Bei ihnen kommen nur ungiftige und umweltverträgliche Stoffe zum Einsatz.

Aufbau und besondere Eigenschaften

Die wässrige Natrium-Ionen-Batteriezelle setzt sich aus einer Natrium-Titan-Phosphat-Verbindung als Anode und einer Alkali-Mangan-Oxid-Verbindung als Kathode zusammen. Die Dicke der Elektrodenschichten beträgt bis zu 3 mm. Eine wässrige Lösung aus Natrium-Salzen bildet den Elektrolyt, während der Separator aus Cellulose-Fasern besteht. Stromkollektor und Batteriegehäuse sind aus nachhaltigen Materialien wie Edelstahl, Kohlenstoff oder Titan gefertigt (Bild).

Durch ihren Aufbau und den Salzwasser-Elektrolyt können die Nasszellen der Batterien weder Feuer fangen noch explodieren. Daher entfällt für die Hersteller auch die strenge Zertifizierung nach IEC 62619:2017 bzw. DIN EN 62619 (VDE 0510-39) [1], nach der eine Zelle in einem sogenannten Propagationstest nachweisen muss, dass sie gegen thermisches Durchgehen gesichert ist.

Die mittlere Zellspannung einer Salzwasserbatterie beträgt etwa 1,6 V, wobei der nutzbare Spannungsbereich zwischen 1,25 V und 1,8 V liegt. Die Zellspannung von Lithium-Ionen-Batterien liegt mehr als doppelt so hoch.

Im Gegensatz dazu lassen sich Salzwasserbatterien bis zu einer Entladeschlussspannung von 0 V entladen. Im tiefentladenen Zustand können die Salzwasserbatterien sogar längere Zeit gelagert werden und sind bei einer erneuten Ladung mit Gleichstrom ohne Probleme schwarzstartfähig.

Eine Familie aus dem belgischen Menen setzte bei einem 2019 eingeweihten Neubau auf diese Besonderheit und installierte neben einer spektakulären glasintegrierten Photovoltaikanlage auch einen Salzwasserspeicher mit 20 kWh Kapazität, um vollkommen autark und ohne Netzanschluss zu leben. Mit einer Leistung von maximal 7,2 kW versorgt die Salzwasserbatterie die Familie vor allem in der Nacht mit dem selbst produzierten Solarstrom, ohne dass eine Tiefentladung problematisch wäre.

Noch bestehen Schwächen
bei Energiedichte und Gewicht

Salzwasserbatterien eignen sich nicht für jeden Anwendungsfall. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien sind sie größer und schwerer und weisen eine geringere Energiedichte auf. Sie sind daher für stationäre Anwendungen auf einem stabilen Untergrund vorgesehen. Das erhöhte Gewicht kann bei der Installation vor Ort zu einem Mehraufwand führen, da der Transport nur mit Sackkarren oder bei Gewerbespeichern mithilfe von Staplern möglich ist.

Aufgrund ihrer C-Rate von 0,19 sind Salzwasserbatterien nicht dafür geschaffen, innerhalb kürzester Zeit be- oder entladen zu werden. Mit einer Kapazität von 60 kWh leisten sie beispielsweise lediglich 11,4 kW bei einem Be- oder Entladevorgang. Bedarfsweise ist es sinnvoll, die Kapazität der Speicher weiter zu erhöhen, um eine größere Leistung zu schaffen.

Die Kapazität der Salzwasserspeicher ist auf eine Lebensdauer von über 15 Jahren ausgelegt. Durch Alterungseffekte an den Elektroden sowie wegen der Verdunstung des Elektrolyten kommt es zu einer durchschnittlichen Kapazitätsdegradation von maximal 2,5 % pro Jahr. Die Verdunstung des Elektrolyten setzt bei Temperaturen ab 50 °C ein und fördert eine Gasentwicklung, die der Kapazität des Speichers nachhaltig und irreversibel schadet.

Bislang kaum Richtlinien oder 
Normen für Salzwasserbatterien

Im Vertrieb rücken diese Nachteile in den Hintergrund. Vertriebsingenieur Nico Knodel vom österreichischen Hersteller BlueSky Energy geht im Gespräch mit Installateuren und Endkunden offen mit den Schwachstellen der Natrium-Ionen-Akkus um: „Meistens erwähne ich sie als Allererstes und sage dem Kunden offen, dass er sich für einen großen, schweren und trägen Energiespeicher interessiert.“

Doch die Vorteile der Technologie weiß er ebenso klar darzustellen. So fallen die baurechtlichen Vorschriften für Salzwasserspeicher weit weniger streng aus als für Lithium-Ionen-Batterien. Während diese in separaten Brandschutzräumen untergebracht werden, lässt sich ein Salzwasserspeicher in einem Hauswirtschaftsraum zusammen mit anderen Geräten wie Trocknern oder Waschmaschinen aufstellen. Dort kann man sowohl auf eine Lüftungs- oder Klimaanlage als auch auf eine Säureabscheidewanne verzichten. Platzsparende Möglichkeiten unter Treppen oder in frostfrei gehaltenen Garagen sind besonders beliebt.

Da Salzwasserspeicher nicht korrodieren und vollkommen wartungsfrei sind, ist ein uneingeschränkter Zugang während des Betriebs nicht zwingend erforderlich. Somit spart der Kunde bei den Bau- oder Sanierungskosten, weshalb sich Salzwasserspeicher wie das Modell Greenrock von BlueSky Energy in der Regel bereits innerhalb von zehn Jahren amortisieren.

Zudem gibt es für die umweltschonenden Salzwasserspeicher vielfältige Förderprogramme. Die energetische Sanierung eines Pflegeheims im belgischen Halen inklusive der Installation einer Salzwasserbatterie unterstützte die flämische Regierung Anfang 2019 mit einer einmaligen Sonderförderung in Höhe von rund 52 000 Euro. Auch in einigen Regionen Deutschlands werden Salzwasserspeicher besser gefördert als Lithium-Batterien. Bei den Elektrizitätswerken Schönau liegt die Förderung beispielsweise 25 % höher.

Installateure profitieren von 
Nachhaltigkeitsanforderungen

Nico Knodel bemerkt inzwischen bei vielen Endkunden ein Umdenken. Nicht nur, dass sie mithilfe von Solaranlagen und Speichern auf einen möglichst hohen Eigenverbrauch ihrer sauberen Energie setzen. Sie fragen inzwischen nach nachhaltigen Systemen als Alternative zu Lithium-Batterien. Das macht die Salzwassertechnologie für immer mehr Installateure interessant.

„Einige Elektroinstallateure überlegen schon den grundsätzlichen Wechsel weg von Lithium-Ionen-Batterien hin zu nachhaltigeren Technologien. Dabei spielt auch der Sicherheitsgedanke eine immer größere Rolle, da sie keine hochentzündlichen Speicher mehr verkaufen wollen“, erklärt Knodel. Salzwasserspeicher sind hingegen schon beim Transport als harmloses Gut deklariert und ersparen den Installateuren somit viel Aufwand bei der Transportsicherung. Lithium-Ionen-Akkus beispielsweise dürfen laut der Verordnung UN 38.3 [2] nur originalverpackt und speziell gesichert transportiert werden.

Installation und Inbetriebnahme vor Ort können dank moderner Plug-&-Play-Systeme bereits in drei Stunden erledigt werden. Die unkompliziert aufgebauten Salzwasserbatterien lassen sich zudem von jedem Meister oder Gesellen in Betrieb nehmen, der eine entsprechende Schulung absolviert hat. Es ist nicht notwendig, dass der Hersteller mit einem Spezialisten bei Kunden anrückt. „Für uns als Hersteller ist der zweistufige Vertrieb ideal. In Schulungen lernen die Installateure neben den technischen Details auch viel über die optimale Auslegung der Salzwasserbatterien“, erläutert Vertriebsingenieur Knodel.

Seit dem Start seines Zertifizierungsprogramms im März 2019 hat BlueSky Energy mehr als 200 kleine und mittelständische Elektrofachbetriebe aus der DACH-Region geschult. Die Elektrotechniker erfahren dabei, wie sie dem Endkunden die Kostenvorteile im Vergleich zu anderen Systemen klar gegenüberstellen.

Gerade die Anschaffungskosten und die infrastrukturellen Nebenkosten fallen laut Knodel bei Salzwasserbatterien nämlich vergleichsweise niedrig aus.

Autor: H. Mayer

Literatur:

[1] IEC 62619:2017-02: Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes – Safety requirements for secondary lithium cells and batteries, for use in industrial applications. DIN EN 62619 (VDE 0510-39):2017-11: Akkumulatoren und Batterien mit alkalischen oder anderen nicht säurehaltigen Elektrolyten – Sicherheitsanforderungen für Lithium-Akkumulatoren und -Batterien für die Verwendung in industriellen Anwendungen (IEC 62619:2017).

[2] United Nations Recommendations on the Transport of Dangerous Goods. Deutsch: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM): Empfehlungen für die Beförderung gefährlicher Güter –Handbuch über Prüfungen und Kriterien. Berlin, 6. Auflage/1. Änderung 2019.

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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