Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Energie – Erzeugung, Handel und Transport (18)
In den folgenden Ausführungen über Energiespeichersysteme geht es zunächst um die Speicherung chemiegebundener Energie in Lithium-Ionen-Batterien, um die Speicherung elektrischer Energie in Doppelschicht-Kondensatoren und supraleitenden Magnetspulen sowie um die Speicherung thermischer Energie in Wasser- und Aquiferspeichern. Der Beitrag endet mit Ausführungen zu Speichermöglichktein von Energie in Wasserstoff und Methan.
Chemische Speicher
Der Fachverband Batterien im ZVEI [1], einer der wichtigsten Industrieverbände Deutschlands, unterscheidet zwischen Primär- und Sekundärbatterien, wobei Primärbatterien sich nur einmal entladen, aber danach nicht wieder aufladen lassen. Sekundärbatterien hingegen sind wieder aufladbar, sie werden in Deutschland häufig als Akkumulatoren bezeichnet. Da jedoch auch im Deutschen, vor allem unter Forschern und anderen Fachleuten eine Anpassung an den englischen Begriff battery zu beobachten ist, soll hier die Bezeichnung Batterie beziehungsweise wiederaufladbare Batterie verwendet werden. Das Bild zeigt den grundlegenden Aufbau einer wiederaufladbaren Batterie mit internem Speicherelement.
Lithium-Ionen-Batterie
In den letzten Jahren ist mit der Lithium-Ionen-Batterie (Li-Ion-Batterie) ein chemischer Speicher in den Vordergrund gerückt, der hohe Erwartungen erweckt. Zwar sorgten bei dessen erster Generation Brände und Explosionen, verursacht durch Kurzschlüsse oder Überladen, für negative Schlagzeilen. Doch moderne Zellabsicherungen können dies mittlerweile sicher verhindern, sodass Li-Ion-Batterien schon einen großen Teil des Consumer-Bereichs erschlossen haben: Sie sind heute in nahezu allen Geräten des täglichen Gebrauchs zu finden, zum Beispiel in Uhren, Smartphones, Laptops, Haushaltsgeräten und Elektrowerkzeugen. Darüber hinaus sind sie in wachsender Zahl unter anderem in Photovoltaikanlagen aller Größen, in Notstromanlagen, in Last- und Personenkraftwagen sowie in Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Militäranwendungen die dominierende Technologie. In höheren Netzebenen dienen sie dazu, Strom zu speichern, Stromspitzen zu glätten und Netzfrequenzen auf einen vorgegebenen Wert einzugrenzen.
Um einmal die möglichen Dimensionen von Speicherkraftwerken aufzuzeigen: Mit Abstand auf Platz 1 im Ranking der größten Li-Ion-Batterien-Anlagen der Welt landet die Moss Landing Energy Storage Facility in kalifornischen Monterey County. Sie erreicht eine Spitzenleistung von 300 MW bei einer bisher unübertroffenen Kapazität von 1 200 MWh; und das ist erst Phase 1 des Ausbaus. In dieser Region gibt es laut Betreiber genügend Potential und Abnehmer für bis zu 6 000 MWh. In Phase 1 wurden bisher 4 500 Racks mit jeweils 22 Batterie-Modulen installiert [2].
Die ersten Lithium-Ionen-Batterien kamen zwischen 1970 und 1980 auf den Markt [3]. Seitdem wurden Zellvarianten mit vielen verschiedenen Elektroden-Materialien entwickelt. Eine häufige Kombination ist der Einsatz von Lithiumcobaltdioxid (LiCoO2) als Aktivmaterial für die positive Elektrode und Graphit für die negative Elektrode.
Der große Vorteil von Li-Ion-Batterien ist ihre hohe Energiedichte, die sich durch geschickte Kombination von Aktivmaterialien in Zukunft vermutlich noch über den Wert von aktuell etwa 200 Wh/kg hinaus steigern lässt. Ein weiterer Pluspunkt: Li-Ion-Batterien kennen im Gegensatz zur anderen Speicherarten keinen oder nur einen geringen Memory-Effekt, ihre Selbstentladerate ist niedrig, der Wirkungsgrad liegt aufgrund der hohen Beweglichkeit der Lithiumionen und des dadurch bedingten niedrigen Innenwiderstands bei etwa 95 %. Die Lebensdauer ist mit etwa 500 – 800 Ladezyklen relativ hoch. Und last but not least: Eine konventionelle Li-Ion-Batterie liefert eine Nennspannung von 3,6 V, die damit rund dreimal so hoch ist wie die einer NiMH-Batterie.