Stromspeicherung: die verschiedenen Methoden

Stromspeicherung: Die Lithium-Ionen-Batterie und ihre Alternativen

Lithium-Ionen-Akkus, die seit Anfang der 1990er Jahre auf dem Markt sind, haben in den letzten Jahrzehnten eine führende Rolle auf dem Batteriemarkt eingenommen. Diese Technologie vereint zahlreiche Vorteile, die ihren Siegeszug sowohl bei der Stromversorgung von Mobiltelefonen als auch von Elektroautos erklären. Diese Lithium-Ionen-Akkus, insbesondere ihre Energiedichte im Hinblick auf die Reichweite, ermöglichen es, die Anforderungen der Automobilindustrie zu erfüllen.

Die Antriebsbatterien eines Elektrofahrzeugs müssen sehr strenge Anforderungen erfüllen: Kosten, nutzbarer Temperaturbereich, Langlebigkeit, Schnellladefähigkeit usw. Einige dieser Kriterien lassen sich nur schwer miteinander vereinbaren, insbesondere die Energiedichte und die Leistung. Die Forschungs- und Entwicklungsteams arbeiten daher kontinuierlich daran, das Verhältnis von Reichweite und Leistung zu optimieren und die Gesamteigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern. Im Sinne einer nachhaltigen Mobilität geht diese Optimierung Hand in Hand mit der Suche nach Verfahren, die die Auswirkungen der Batterien auf die Umwelt verringern, insbesondere um deren Recycling zu erleichtern.

„Festkörper“-Batterien für mehr Effizienz?

Der Bereich der Batterietechnologie entwickelt sich hin zu neuen Technologien, die insbesondere darauf abzielen, das in herkömmlichen Batterien verwendete klassische Verfahren mit flüssigem Elektrolyt zu ersetzen. So denken die Hersteller über sogenannte „Vollfestkörperbatterien“ nach, die eine Vereinfachung der verwendeten Materialien, ein besseres Temperaturmanagement im Betrieb und die Möglichkeit bieten, die Energiedichte der Zellen zu erhöhen. Dies ist insbesondere der Ansatz, den die Spezialisten für „Lithium-Metall“-Batterien verfolgen, bei denen eine feste Lithiumoberfläche als negativer Pol innerhalb der Batterie fungiert.

Man spricht auch von Hybridbatterien mit verschiedenen Feststoffen oder von halbfesten Batterien als nächster Alternative zu herkömmlichen Modellen. Doch all diese Szenarien sind noch Zukunftsmusik: Ihre Markteinführung im Bereich der Elektrofahrzeuge dürfte erst in Jahren oder sogar Jahrzehnten erfolgen.

Die Allianz Renault-Nissan-Mitsubishi hat daher in das amerikanische Start-up Ionic Materials investiert, das sich auf sogenannte „Festkörperbatterien“ spezialisiert hat . Dabei wird der derzeit in Batterien verwendete flüssige Elektrolyt durch ein festes Material, wie beispielsweise ein Polymer, ersetzt . Diese vielversprechende Technologie benötigt noch zahlreiche Weiterentwicklungen, bevor sie sich als Alternative zu den derzeitigen Batterien etablieren kann, insbesondere für Elektrofahrzeuge!

Weitere Ansätze zur elektrochemischen Speicherung

Redox-Flow-Batterien (oder „Redox-Flow-Batterien“) nutzen zwei Behälter, die die Reagenzien enthalten, sowie eine ionenleitende Membran. Ihr Vorteil besteht darin, dass sie den „Energie“-Teil vom „Leistungs“-Teil entkoppeln. Allerdings sind die Energiedichten für den Einsatz in Fahrzeugen zu gering. Anwendungen dieser Technologie finden sich hingegen in der stationären Speicherung.

Eine weitere Option: Natrium. Dieses Element, das zur gleichen Familie wie Lithium gehört – den Alkalimetallen –, kann an dessen Stelle treten, um sogenannte „Natrium-Ionen-Batterien“ herzustellen. Natrium kommt häufiger vor als Lithium, und seine Eigenschaften eignen sich für eine höhere Leistungsfähigkeit. Diese Technologie befindet sich noch in der Entwicklung: Während Natrium bereits im Bereich der stationären Speicherung (bei hohen Temperaturen) zum Einsatz kommt, wird seine großflächige Anwendung in unseren Fahrzeugbatterien derzeit von einigen Start-ups erforscht, die den Prozess industrialisieren wollen.

Die Zusammensetzung der verschiedenen Bestandteile einer Batterie wird sich je nach dem untersuchten Ansatz weiterentwickeln. So besteht die Metall-Luft-Technologie darin, eine Metallelektrode zu verwenden, die sich während der Lade- und Entladezyklen auflöst und wieder bildet, während eine gegenüberliegende Elektrode Sauerstoff aus der Luft aufnimmt, um ihn in die Reaktion einzubeziehen, ähnlich wie bei einer Brennstoffzelle. Als Elektroden können beispielsweise Lithium und Zink verwendet werden. In einigen Fällen erfolgt das Aufladen nicht elektrisch, sondern mechanisch, wie bei Aluminium, bei dem „Kartuschen“ aus diesem Metall eingesetzt werden müssen. Diese Lösung ist jedoch angesichts der hohen Anforderungen im Automobilbereich noch nicht ausgereift.

Schließlich können die chemischen Eigenschaften von Metallen einen Ansatzpunkt für die Erforschung neuer Technologien bieten. In einer Lithium-Ionen-Batterie beispielsweise wird die Stromerzeugung unter anderem durch den Transport von Lithium-Ionen angetrieben. Jedes Lithium-Ion trägt eine Ladung. Wenn ein chemisches Element in der Lage wäre, die doppelte Ladung zu liefern, würde sich die Kapazität der Batterie erhöhen. Theoretisch trifft dies auf Metalle wie Kalzium oder Magnesium zu, die diese Eigenschaft besitzen (sie werden aus diesem Grund als „zweiwertig“ bezeichnet). Da dieses Konzept vor allem im Rahmen von Forschungen an Universitätslabors untersucht wird, sind noch erhebliche Fortschritte erforderlich, um die Langlebigkeit anderer Komponenten der Zelle zu gewährleisten.

Leistungsstarke mechanische Speichersysteme

Die Speicherung von Energie in Form von Strom ist nicht die einzige Möglichkeit in diesem Bereich. Auch mechanische Energie spielt eine Rolle, wie der Einsatz von Pumpspeicherkraftwerken zeigt. Bei diesem Verfahren dient die Kraft einer Turbine, die durch den Anstieg und Abstieg des Wassers in einem Becken angetrieben wird, dazu, Energie zu speichern und wieder freizusetzen – nach dem gleichen Prinzip wie bei einem Wasserkraftwerk. Der so erzeugte Strom kann Luft in riesige Hohlräume komprimieren, und die Energie wird in dieser Form gespeichert, bis sie durch Dekompression und die Wirkung einer Turbine „freigesetzt“ wird.

Heutzutage spricht man sogar von „Betonbatterien“: Hängende Betonblöcke geben Energie ab, wenn sie plötzlich „abgelassen“ werden. All dies sind Beispiele für die vielfältigen Möglichkeiten der mechanischen Speicherung, die in erster Linie eine stationäre Speicher infrastruktur bleibt.

Batterien für energieautarke Städte

Nach einigen Jahren und zahlreichen Ladezyklen nimmt die Kapazität einer Elektroautobatterie ab. Hersteller wie Renault verwenden diese Batterien dann weiter, damit sie zur stationären Speicherung von Strom dienen. Diese Technologie ermöglicht es, ein Gebäude oder ein Stadtviertel während Lastspitzen mit Strom zu versorgen und die von Solar- und Windkraftanlagen gelieferte CO₂-freie Energie optimal zu nutzen.

Dies ist von großer Bedeutung, da der ökologische Wandel sowohl eine Anpassung der Stromerzeugung erfordert – die dank Photovoltaikanlagen direkt in der Stadt erfolgen kann – als auch eine Optimierung des Netzes im kleinen oder großen Maßstab, um immer mehr Gebiete energieautark zu machen. Ein Pluspunkt für die Sicherheit und die Versorgungssicherheit der Stromversorgung!

Ein weiterer Ansatz: das „Vehicle-to-Grid“-Konzept (V2G), das von Mobilize in den Niederlanden getestet wird und darin besteht, den CO₂-armen Strom eines Elektroautos direkt ins Netz zurückzuspeisen. Die Batterie eines Renault ZOÉ dient somit, wenn sie an eine Ladestation angeschlossen ist, der Energiespeicherung. Diese innovative Technologie geht Hand in Hand mit der Einführung des intelligenten Ladens direkt in den Fahrzeugen. Ein Beweis dafür, dass die Industrie nicht nur über alternative Lösungen nachdenkt, sondern auch die derzeitigen Anwendungen optimiert, um eine emissionsärmere Stromerzeugung und -verteilung zu erreichen.