Elektrochemische Speichertechnologien (Akkus) als Teil der Energiewende

Überblick und wichtige Aspekte

1.10.2022

Im Zuge der im Anrollen befindlichen Energie- und Mobilitätswende kristallisiert sich allmählich heraus, dass vor allem eine Energieform auf noch breiterer Front als bisher bestimmend sein wird: die Elektrizität. Schon heute prägt sie unser Leben in einer Selbstverständlichkeit, wie es noch in der Nachkriegszeit keineswegs absehbar war. Eine Wärmekraftmaschine setzt in der Praxis nie mehr als 60% ihrer hineingesteckten Energie in Arbeit um, meist sind es 25-40%, eine gute Elektromaschine hingegen erreicht Effizienzgrade von 90-97%. Warum sich die Elektrifizierung bisher noch nicht auf so breiter Front durchgesetzt hat, wie sie es künftig muss (denn ohne diese Energiewende wird der menschenverursachte Klimawandel weiterhin ungebremst voranschreiten), hängt mit dem Thema Elektrizitätsspeicherung zusammen.

Elektrische Speichersysteme gehören zu den wichtigsten Elementen der Energiewende. Unten stehende Tabelle gibt eine Übersicht über verschiedene Speichertechnologien und ermöglicht auch einen raschen Vergleich in ihren verschiedenen Aspekten.

Im Zuge der im Anrollen befindlichen Energie- und Mobilitätswende kristallisiert sich allmählich heraus, dass vor allem eine Energieform auf noch breiterer Front als bisher bestimmend sein wird: die Elektrizität. Schon heute prägt sie unser Leben in einer Selbstverständlichkeit, wie es noch in der Nachkriegszeit keineswegs absehbar war. Nicht nur wurden unsere Beleuchtung und die Eisenbahn sehr konsequent elektrifiziert, vor allem die digitale Revolution mit der explosiven Entwicklung der Computertechnologie wäre ohne diese Naturkraft nicht möglich gewesen.

Nun zeichnet sich mehr und mehr ab, dass unserem Individualverkehr das Gleiche blüht, wie einst der Eisenbahn: die Umstellung von Wärmekraftmaschine auf direkte Stromproduktion (Stichwort erneuerbare Energien) und direkten Stromverbrauch. Dieser Vorgang ist am effizientesten, es geht dabei am wenigsten Energie verloren. Eine Wärmekraftmaschine setzt in der Praxis nie mehr als 60% ihrer hineingesteckten Energie in Arbeit um, meist sind es 25-40%, eine gute Elektromaschine hingegen erreicht Effizienzgrade von 90-97%.

Warum sich die Elektrifizierung bisher noch nicht auf so breiter Front durchgesetzt hat, wie sie es künftig muss (denn ohne diese Energiewende wird der menschenverursachte Klimawandel weiterhin ungebremst voranschreiten), hängt mit dem Thema Elektrizitätsspeicherung zusammen.

Um das breite Feld etwas einzugrenzen, wird dieser Beitrag zunächst einmal verschiedene Methoden der elektrochemischen Speicherung zusammenfassen, also verschiedene Akkus (Akkumulatoren, wiederaufladbare Batterien), die existieren und entwickelt werden. Es gibt weitere Arten der Speicherung von Elektrizität wie Brennstoffzellen, Kondensatoren und mechanische Speicherungsarten, die in weiteren Artikeln behandelt werden.

Um die vorgestellten Speichertechnologien miteinander vergleichen zu können, werden vor allem zwei Eigenschaften immer wieder erwähnt: die Speicherdichte und die Ladezyklenzahl (einfach Zyklenzahl genannt). Die Speicherdichte wird dabei traditionell in Wattstunden (Wh) pro Kilogramm angegeben, oder kurz Wh/Kg. Wenn ein Staubsauger mit einer Leistung von 1500 Watt eine Stunde benützt wird, so hat er z.B. 1500 Wh verbraucht.

Die Zyklenzahl gibt an, wie oft ein Akku vollständig aufgeladen und entladen werden kann, bevor seine Leistungsfähigkeit zu stark absinkt. Akkus speichern Elektrizität auf chemischen Lösungen, die sich naturgemäß über die Jahre verändern, worunter die Speicherfähigkeit leidet. Je mehr Ladezyklen ein Akku überstehen kann, umso stabiler, robuster und langlebiger ist er. Für Elektrofahrzeuge, die auf eine hohe Energiedichte ihrer Akkus angewiesen sind, ist dieser Wert besonders wichtig.

Hier also ein Überblick über die gängigen Akkumodelle der heutigen Zeit:

Bleiakkumulatoren:

Wiederaufladbare Akkus auf der Basis von Säure und Blei existieren seit Mitte des 19. Jahrhunderts. Die Technik ist also längst ausgereift und zuverlässig. Die Energiedichte von Bleiakkus ist mit 30-40 Wh/kg recht gering, sie war mit ein Grund, warum sich Elektroautos zu Anfang des 20. Jahrhunderts noch nicht durchsetzen konnten. Die Zyklenfestigkeit wird mit ca. 300-600 angegeben, die Lebensdauer zwischen 4 und 10 Jahren. Bleiakkus sind recht günstig, der Kilowattstundenpreis liegt bei ca. 100 €/KWh. Ihr Haupteinsatzgebiet sind Autobatterien und stationäre Speicher für Photovoltaikanlagen bis hin zu ganzen Speicherkraftwerken.

Nickelakkumulatoren:

Der Nickel-Cadmium Akku (NiCd) wurde Ende des 19. Jahrhunderts entwickelt und war gewissermaßen der Nachfolger des Blei-Säure Akkus, da er eine höhere Energiedichte von bis zu 70 Wh/kg aufweist. Das bezahlte er allerdings mit einer höheren Empfindlichkeit bei Überladung. Außerdem enthält er das giftige Schwermetall Cadmium, was schließlich zu einem EU-weiten Verbot führte.

Sein Nachfolger, der Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH), der Anfang der 1980er Jahre zur Serienreife entwickelt wurde, umging diese Problematik und hatte eine noch höhere Speicherdichte von ca. 80-120 Wh/kg. Er ist allerdings noch empfindlicher als der NiCd-Akku, neigt zu hoher Selbstentladung und muss sorgfältig behandelt werden, um eine Zyklenfestigkeit von ca. 500 bei einer Lebensdauer von 10 Jahren zu erreichen. Spezielle NiMH-Akkus mit geringer Selbstentladung kamen seit 2006 auf den Markt und erreichen eine Zyklenfestigkeit von bis zu 3000.

Lithiumakkumulatoren:

Lithiumakkus in verschiedensten Ausführungen sind der heutige Stand der Technik. Sie sind seit Anfang der 1990er Jahre kommerziell verfügbar und haben den Elektromarkt nach einem zögerlichen Beginn seit den 2000er Jahren im Sturm erobert. Ihre Vorteile liegen auf der Hand: die Energiedichte liegt bei 90-200 Wh/kg (je nach Bauart), die Zyklenfestigkeit von Lithium-Eisenphosphat-Akkus etwa kann 10000 überschreiten. Allerdings reagieren auch Lithiumakkus empfindlich auf Über- und Tiefenentladung, daher brauchen sie ein Batteriemanagementsystem (BMS). Problematisch wird auch der Einsatz des giftigen Schwermetalls Kobalt in Lithium-Ionen Akkus gesehen, das teilweise unter menschenunwürdigen Bedingungen etwa im Kongo abgebaut wird. Ihr Einsatz ist heute breit gestreut, von Handyakkus, Fahrradakkus, E-Auto-Akkus bis hin zu riesigen Speicherkraftwerken von über 100 MWh.

Derzeit wird eifrig daran geforscht, die Energiedichte bei gleichbleibender Zyklenfestigkeit weiter zu steigern, um auch Anwendungen z.B. im Flugverkehr zu erschließen. Intensiv werden Lithium-Schwefel-Akkus untersucht, sowie Festkörperakkumulatoren, die keinen flüssigen, sondern festen Elektrolyten besitzen. Beide Konzepte haben das Potential, mehr als 400 Wh/kg zu erreichen, womit sich etwa die Akkukapazität von E-Autos verdoppeln ließe. Noch ist ihre Zyklenfestigkeit aber zu gering.

Aluminiumakkumulatoren:

Akkumulatoren auf Aluminiumbasis erreichen theoretische Energiedichten von bis zu über 1000 Wh/kg, womit in gewisser Weise eine Art Schallmauer der elektrochemischen Speichertechnik durchbrochen wäre. Verschiedene Universitäten in den USA und China forschen intensiv an diesem Akkumulatortyp und meldeten teilweise euphorisch klingende Leistungsdaten, wie 1060 Wh/kg und kurze Wiederaufladzeiten im Minutenbereich. Derart leistungsfähige Akkus hätten das Potential, fossile Energieträger endgültig obsolet zu machen.

Redox-Flow-Akkumulatoren (Flussbatterie):

In dieser Art von Akkumulatoren zirkulieren zwei flüssige Elektrolyten in galvanischen Zellen. Der Ionenaustausch, der für den elektrischen Strom sorgt, erfolgt mittels einer Membran. Die beiden Flüssigkeiten können in beliebig großen Tanks gespeichert werden, was besonders für stationäre Elektrizitätsspeicher einen enormen Vorteil darstellt. Die Größe und Anzahl der galvanischen Zellen bestimmt wiederum die Leistungsfähigkeit des Stromflusses.

Interessant ist bei dieser Speicherform, dass die Elektrolytflüssigkeiten auch organischer Natur und damit besonders umweltfreundlich sein können (eine Kochsalzlösung reicht aus). Redox-Flow-Akkus können ohne weiteres zu 100% entladen werden und besitzen eine Zyklenfestigkeit von ca. 20000. Sie besitzen allerdings zwei Nachteile: die Elektrolytkreisläufe brauchen mindestens zwei Pumpen, was ihren Wirkungsgrad mit ca. 75% etwas herabsetzt. Außerdem liegt die Energiedichte mit 20-80 Wh/kg eher im unteren Bereich, teilweise noch unter der von Bleiakkus. Sie werden daher momentan hauptsächlich als große stationäre Speicherkraftwerke eingesetzt.

Quellen:

· https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromotor

· https://de.wikipedia.org/wiki/Energiedichte

· https://www.energie-lexikon.info/batterie.html

· https://www.energie-lexikon.info/akkumulator.html?s=ak

· https://de.wikipedia.org/wiki/Bleiakkumulator

· http://www.akku-abc.de/akku-lebensdauer.php

· https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_von_Batterie-Speicherkraftwerken

· https://de.wikipedia.org/wiki/Nickel-Cadmium-Akkumulator

· https://de.wikipedia.org/wiki/Nickel-Metallhydrid-Akkumulator

· https://de.wikipedia.org/wiki/NiMH-Akkumulator_mit_geringer_Selbstentladung

· https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator