Peter Moser und Wolfgang Moll

In diesem Beitrag werden die wichtigsten elektrochemischen Speichertechnologien anhand der großtechnischen Anwendungen im Energiesektor vorgestellt. Gegenüber den Energiespeichern in unseren alltäglichen elektronischen Kleingeräten, die höchstens wenige Wattstunden speichern können, handelt es sich hier um wahre Speichergiganten.

Ausfälle der Stromversorgung im Kleinen, z. B. durch Defekt der Autobatterie oder des Akkus von Handy und Digitalkamera, sind zumindest ärgerlich; im Großen können sie jedoch den Ablauf des öffentlichen Lebens weitestgehend lahmlegen und gefährden gegebenenfalls sogar Menschenleben und ganze Produktionsstandorte. Energiespeichertechniken helfen tragen bereits seit langem zu hoher Zuverlässigkeit und Qualität der Stromversorgung bei. Im einfachsten Fall überbrücken sie beim Abnehmer vor Ort den Zeitraum bis zum Anspringen einer Ersatzstromquelle oder puffern kurze Schwankungen ab. Sie sind aber weit mehr als nur Notstromaggregate, die für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sorgen. In der großtechnischen Anwendung entnehmen zentrale Energiespeicher dem Versorgungsnetz nachts - wenn die Nachfrage gering ist - Elektrizität und geben die gespeicherte Energie am Tage - wenn ein hoher Strombedarf besteht - oder bei einem plötzlichen Kraftwerksausfall wieder in das Netzes ab. Die Speicherung von elektrischer Energie dient also der zeitlichen und räumlichen Entkopplung von Stromerzeugung und -abnahme und ihrer Vergleichmäßigung. Dadurch kann einerseits die Übertragungskapazität des Stromnetzes entlastet werden und darüber hinaus der Betrieb der Kraftwerke, die den Strom in das Netz einspeisen, optimiert werden.
Die mittlerweile sehr hohe installierte Leistung der Windkraftanlagen und ihre je nach Wetterlage bzw. Windgeschwindigkeit stark schwankende Stromeinspeisung ins Netz, stellen hohe Herausforderung sowohl an das Versorgungsnetz selbst, als auch an das Management von Stromerzeugung und -abnahme (sogenanntes Lastmanagement). Deshalb wird zukünftig mit dem Zubau weiterer Windparks auch der Bedarf an Energiespeichertechniken und damit mehr Flexibilität im Lastmanagement deutlich zunehmen.

Abbildung 1 zeigt die Klassifizierung der Energiespeichertechniken nach dem zugrundeliegenden chemisch-physikalischen Prinzip. Die hier interessierenden elektrochemischen Energiespeicher konkurrieren im Bereich der großtechnischen Energieversorgung insbesondere mit den mechanischen Speichern. Die Bandbreite der Anwendungen ist groß und die geforderte Leistungsabgabe reicht über sechs Größenordnungen von 1 kW (Notstromversorgung) bis mehr als 1 GW (Lastmanagement). Die nötigen Entladungszeiten erstrecken sich von wenigen Sekunden bis hin zu vielen Stunden. Wichtige Kennzahlen sind:

• die Leistungsgröße,
• die Speicherkapazität,
• die Speicherdichte bzw. die Baugröße des Speichers,
• der Wirkungsgrad als Verhältnis von entladener zu geladener Energie,
• die Lebensdauer bzw. die Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen und
• die Kosten für Anschaffung und Wartung.

Abbildung 1: Klassifizierung der Energiespeichertechniken

Elektrochemische Energiespeicher zeichnen sich generell durch mittlere bis hohe Wirkungsgrade aus. Durch den möglichen modularen Aufbau lassen sich prinzipiell sehr große Leistungen und Speicherkapazitäten erzielen, wobei die beiden Zielgrößen durch entsprechende Anordnung der Module nahezu unabhängig voneinander variiert werden können. Ihre Anwendungen umfassen bisher vor allem die unterbrechungsfreie Stromversorgung und den Schutz vor Spannungsschwankungen, aber auch die Netzstabilisierungen von kleinen isolierten Versorgungsbereichen. Für die Umwandlung des in den Übertragungsnetzen üblichen Wechselstroms in den für die elektrochemische Speicherung generell nötigen Gleichstrom benötigt man neben dem eigentlichen Speicher immer auch eine Gleichrichter-/Wechselrichtertechnik.

Während sich bei den Batterien im eigentlichen Sinne (Primärelemente, "Trockenbatterie"), die nicht wieder aufgeladen werden können, eine oder beide Elektrodenreaktionen nicht mehr umkehren lassen bzw. eine "aktive Masse" verbraucht wird, laufen die Elektrodenreaktionen in einer wieder aufladbaren Batterie (Sekundärelement, Akkumulator) durch Anlegen einer äußeren Spannung passender Polarität, d. h. während des Ladevorgangs, wieder in umgekehrter Richtung, reversibel ab. Dieser Energiespeichertyp kann nach dem Aufladen also erneut Strom zur Verfügung stellen. Die wichtigsten Vertreter dieses Elementtyps mit praktischer Bedeutung sind der Bleiakkumulator, der Nickel-Cadmium-Akkumulator und die Lithium-Polymer-Batterie.

Als Autobatterie ist der Blei-Akkumulator der häufigste und zugleich einer der ältesten elektrochemischen Energiespeicher. Bei der Stromentnahme wird Bleidioxid zu Bleisulfat reduziert und metallisches Blei (in Form einer Gitterplatte) zu Bleisulfat oxidiert:

Von 1986 bis 1995 war mit einer Leistung von 17 MW und einer Speicherkapazität von 14 MWh einer der größten Batteriespeicher weltweit in Berlin in Betrieb. Die hierbei parallel geschalteten 12 Batterie-Stränge bestanden jeweils aus 590 Zellen. Nach dem Anschluss des Berliner Versorgungsnetzes an das westeuropäische Stromverbundnetz wurde der Speicher jedoch nicht mehr benötigt, um das Netz zu stabilisieren. Außerhalb von Europa sind derzeit drei riesige Bleibatteriespeicher aktiv, in Puerto Rico 20MW/14MWh, in Hawaii 10MW/15MWh und in Kalifornien 10MW/40MWh. Ein Problem des Bleiakkumulators ist die beim Ladevorgang auftretende Wasserstoffentwicklung durch Wasserelektrolyse, die eine Entlüftung und ein Wassernachfüllsystem notwendig machen. Durch Verwendung von Ventilen oder durch Gelieren der Säure kann der Akkumulator auslaufsicher und wartungsfreundlicher gestaltet werden. Durch irreversible Reaktionen treten Alterungserscheinungen auf, die die Lebensdauer begrenzen.

Das "Battery Energy Storage System" in Fairbanks, Alaska kann rekordverdächtige 40MW Leistung abgeben (sogar 46 MW für fünf Minuten) und besteht aus insgesamt 13.760 modularen Zellen. Der Nickel-Cadmium-Akkumulator besteht aus einer Nickelhydroxid-Elektrode, einer Cadmiumhydroxid-Elektrode und einem porösen mit KOH-Lösung getränktem Kunststoffvlies zwischen den Elektroden.

Dieser Batterietyp kann auch geschlossen, d. h. nach außen hin gasdicht verwirklicht werden. Zwar sind Nickel-Cadmium-Akkumulatoren weniger wartungsaufwändig als Bleiakkumulatoren und weisen eine längere Lebensdauer auf. Sie sind aber auch teurer als diese. Um den Einsatz von Cadmium zu vermeiden, wird für Kleinanwendungen im Nickel-Hydrid-Akku die Cadmium-Elektrode durch eine Elektrode aus Titan-Nickel-Legierung ersetzt. Diese Legierung kann große Mengen an Wasserstoff, der beim Ladevorgang entsteht, als Hydrid speichern.

Während die beiden vorgenannten Batterietypen zur Stabilisierung lokaler Netze Anwendung finden, kommt die Lithium-Polymerbatterie auf Grund ihrer (noch) zu hohen Kosten bisher nur als unterbrechungsfreie Notstromversorgung, mit Leistungen im Bereich einiger kW, in Frage. Auf Grund ihrer hohen Speicherdichte, Wartungsfreiheit und niedrigen Selbstentladung hat sie aber ihren Siegeszug bei portablen Anwendungen mit höherem Stromverbrauch, wie Handy, CD-Spieler, Camcorder und Digitalkamera, längst angetreten. Die Anode besteht hier aus einer Einlagerungsverbindung (Intercalationsverbindung) in der Lithiumionen in die Zwischenschichten der Graphitstruktur eingelagert sind. Beim Entladen wandern die Lithiumionen durch einen festen Polymerelektrolyten (Polyacrylnitril) zur Kathode, wo wiederum eine Einlagerung in die Struktur eines Übergangsmetalloxids (Bildung von Li_xCoO₂ oder LixNiO₂ ) stattfindet.

Einen Festelektrolyten, sogenanntes b-Aluminiumoxid, das Na⁺-Ionen leitet, nutzt auch die Natrium-Schwefel-Batterie. Er trennt die Kathode aus geschmolzenem Natrium und die Anode aus geschmolzenem Schwefel.

Die Zelle wird zum Betrieb auf 350°C aufgeheizt. In Japan wurde eine Großanlage mit 9,6 MW/57,6 MWh und eine weitere 6MW-Anlage aus 120.000 Zellen in Betrieb genommen. Damit schickt sich die Natrium-Schwefel-Batterie an, der etablierten Bleibatterie Konkurrenz zu machen, wenn die Produktionskosten mit wachsender Produktionszahl weiter sinken.

Weniger bekannt sind die sogenannten regenerativen Brennstoffzellen (auch Flow Battery oder Redox-Batterie genannt). Den Elektroden wird hier während der Entladung kontinuierlich der umzusetzende gelöste Stoff (Elektrolyt) aus großen Vorratstanks zugeführt und das entstehende Produkt ebenfalls in einen Vorratsbehälter abgeführt. Zum Laden wird die Pumprichtung des Elektrolyten einfach umgedreht. Die beiden Elektrodenräume werden wie bei der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle durch eine Membran, die für H+- bzw. Na+-Ionen durchlässig ist, von einander getrennt. Da die Speicherkapazität im Wesentlichen von der Tankgröße für die Elektrolytlösung bestimmt wird und der Wirkungsgrad bei bis zu 65% liegt, ist dieser Speichertyp ebenfalls interessant für die Großanwendung, auch wenn hierfür noch erhebliche Fortschritte in der Technik erreicht werden müssen. Vier unterschiedliche Typen haben bisher einen mehr oder weniger vorkommerziellen Stand erreicht:

Abbildung 2: Prinzipschema regenerative Brennstoffzelle

Während die drei in der Tabelle unten stehenden Batterietypen für Anwendungen bis 1 MW/5 MWh realisiert wurden, zielte die Entwicklung der Natrium-Polysulfid-Bromid-Batterie (auch als "Regenesys" bekannt) auf eine deutlich größere Leistungsklasse. Zwei weit fortgeschrittene Projekte für 15 MW/120 MWh-Speicher, die jeweils über zwei Speichertanks mit einem Fassungsvermögen von je 1.800 m³ verfügen sollten, wurden allerdings nach dem Verkauf der Rechte an einen Wettbewerber gestoppt.

Über die hier vorgestellten elektrochemischen Energiespeichersysteme hinaus, gibt es weitere Batterietypen bzw. neue Ansätze an denen geforscht wird, wie z. B. die Metall-Luft-Batterie, die zu den Hybridzellen gezählt wird, oder die Wasserstofftechnik. Die Kette Wasserstoffelektrolyse - Speicherung des gebildeten Wasserstoffs - Stromerzeugung durch Umsetzung des Wasserstoffs in Brennstoffzellen, Gasturbinen oder Motoren ist prinzipiell für die Energiespeicherung geeignet. Bisher ist allerdings der Gesamtwirkungsgrad der Kette auf Grund der vielen Umwandlungsschritte viel zu niedrig und die Speicherung des Wasserstoffs in großen Mengen stellt bis heute ein für die Anwendung stark einschränkendes Problem da.

Ob sich die elektrochemische Energiespeicherung für Großanwendungen zukünftig in bestimmten Bereichen gegen ihre bisher insbesondere kostenmäßig überlegenen Konkurrenten aus der Gruppe der mechanischen Speicher durchsetzen wird, bleibt ein spannender technischer Wettlauf.