Natrium-Ionen-Systeme – Eigenschaften und Vorteile der Post-Lithium-Batterien

| Autor / Redakteur: Jacqueline Koch* / Benjamin Kirchbeck

Post-Lithium-Batterien: Wartungsfrei, robust und ungefährlich (Symbolbild).
Post-Lithium-Batterien: Wartungsfrei, robust und ungefährlich (Symbolbild). (Bild: Clipdealer)

Batterien für Speicheranwendungen werden fast automatisch mit Lithium-Elektroden verbunden. Deren Nachteile füllen nahezu täglich die Medien. Doch Wissenschaft und Industrie entwickeln bereits mit großem Erfolg eine neue, sichere und umweltfreundliche Alternative, kurz: Post-Lithium-Batterie.

Die neuen Natrium-Ionen-Systeme fassen aktuell am Markt Fuß, und das, obwohl eines der wichtigsten Förderprojekte der EU dieser Entwicklung noch gut zwei Jahre läuft. Aktuelle Netzwerkprojekte zeigen jedoch, dass die Verwendung wässriger Natrium-Ionen der Schlüssel für eine sichere, umweltfreundliche und auch extrem preisgünstige Batterietechnologie sein könnte. Ambitionierte Firmen streben dank diesem Entwicklungserfolg Herstellkosten von etwa 60 Euro pro kWh in den nächsten zwei bis drei Jahren an. Im Moment liegen diese für Lithium-Ionen-Batterien bei ca. 300 Euro/kWh.

Bereits eine Reduzierung um die Hälfte wäre bemerkenswert und eine klare preisliche Konkurrenz zu Lithium. Wie schnell diese Vorhersage eintritt, hängt aber stark von der realisierten Stückzahl ab. „Ich denke, erst ab einer Produktion von etwa einer Gigawattstunde pro Jahr ist dieser anvisierte Preis realistisch. Aber die Technologie ist bereits jetzt eine echte Alternative“, erklärt Dr. Karl-Heinz Pettinger. Er und sein Team agieren als Entwicklungspartner des am Forschungsprojekts „HochNaB„ beteiligten Unternehmens BlueSky Energy. Pettinger ist verantwortlich für die Qualifizierung des Projektes für den europäischen Markt. „Diese neue Technologie bietet auf Grund Ihrer Materialeigenschaften großes Potential für zukünftige stationäre Speicheranwendungen, vom Heimspeichermarkt bis zur elektrifizierten Schifffahrt“, bekräftigt Dr. Karl-Heinz Pettinger.

Der Aufbau einer Salzwasser-Batterie
Der Aufbau einer Salzwasser-Batterie (Bild: BlueSky Energy)

Um zu verstehen warum, muss man sich die Zusammensetzung der neuen Post-Lithium-Batterien genauer ansehen. Die Technologie die dahinter steht ist nicht lösemittel-, feststoff-, sondern wasserbasiert. Es sind wässrige Elektrolyte mit neutralem PH-Wert, die der Lösung den Stempel „umweltfreundlich“ verdankt. Keine Säure oder Lauge, sondern neutraler pH-Wert. Im Fall einer auslaufenden Batterie würde weder der Grundboden aufgelöst, noch eine chemische Verunreinigung des Wassers oder unmittelbare Gesundheitsschäden drohen.

Eine hochinteressante Alternative zu Lithium-Batterien auf elektrisch angetriebenen Schiffen – die Post-Lithium-Batterie erspart dank ihres Gewichts zusätzlichen Ballast und bei einem Leck, Havarie etc. sind keine Naturschäden seitens der Batterie zu befürchten. Es besteht nur ein elektrisches Risiko, kein chemisches. Die Post-Lithium-Zelle ist nicht brennbar und bietet damit eine Batterie, die weder entflammbar noch explosiv und absolut berührungssicher ist. Beim Einbau müssen, außer geringer Belüftung, keine Vorschriften bezüglich des Baus eines Batterieraumes berücksichtigt werden und der Transport obliegt nicht den Auflagen eines Gefahrenguts. Auch in Bezug von Versicherungsumfang wirkt sich dieses Details positiv aus.

Die Diva und das Fußvolk

Diese Batterie nutzt also nicht Lithium als Ionenquelle, sondern das chemische Element Natrium. Im Gegensatz zu Lithium ist Natrium erheblich häufiger auf der Erde vorhanden. Salzbergwerke gibt es viele, die Ozeane sind angefüllt damit und diese sind nicht mit den ethischen Bedenken des derzeitigen Lithium-Abbaus belastet – sei es aus Gründen der Geographie oder der Quantität. Zudem ist Natrium viel leichter zu handhaben als Lithium. Denn Natrium ist ubiquitär, es finden sich überall Spuren davon. So ist zum Beispiel die tägliche Handhabung von Natriumchlorid, unserem häuslichen Kochsalz, völlig problemlos. Während für die Verarbeitung von Lithium-Salzen komplexe Umgebungen nötig sind.

Kurz gesagt, ist Lithium die Diva unter den Batterietechnologien für echte High-Tech-Anwendungen und das Natrium das seine Aufgaben erfüllende Fußvolk. „Die neue Post-Lithium-Technologie ist eigentlich robust und zudem sicher und schnell. Ein interessanter Gegenpart zur High-Tech-Verliebtheit der aktuellen Debatten“, ergänzt Dr. Karl-Heinz Pettinger. Die Zusammensetzung der verwendeten Rohmaterialien wie Natrium, Kohlenstoff, Titan, Phosphor ist damit ein wesentlicher Grund für den geringen Preis. Ressourcengefährdete Rohstoffe wie Kobalt oder Nickel finden sich nicht in dieser Generation Post-Lithium-Ionen.

Ein weiterer Grund für den zu erwartenden Preissturz ist im Aufbau der neuen Technologie begründet; ähnlich der traditionellen Bleitechnologie. Dank dicker Elektroden ist es eine robuste Technologie. Im Gegensatz zur Lithium-Technik werden die Elektroden mit sehr dicken Schichten versehen. Das macht sie nicht nur robuster, sondern erklärt auch einen Teil des erwarteten Preissturzes. Eine Zelle der Lithium-Technik ist mit etwa 200 Schichten versehen. Eine Post-Lithium-Zelle wird mit nur 15 - 20 Schichten umgeben. Wesentlich weniger Teile also. Eine Tatsache die sich preislich und organisatorisch positiv auf Beschaffung, Logistik und Montage auswirkt. Im Prinzip kann die neue Batterie kurzfristig mit der gut etablierten Blei-Fertigung produziert werden. Der Maschinenpark und die Verarbeitungsprocedere sind alle vorhanden. Man betritt kein neues Fertigungsterrain, sondern verwendet etablierte Technologie – einfach und schnell.

Ohne Allüren

Dank ihrer Robustheit vertragen Post-Lithium-Ionen höhere Toleranzen. Sie müssen nicht auf den Mikrometer genau positioniert werden um die Kurzschlussgefahr zu minimieren. Bei einem Kurzschluss entstehen wesentlich geringer Ströme als bei Lithium-Batterien. Natrium-Ionen sind größer als die sehr kleinen Lithium-Ionen. Auf Grund der verringerten Diffusionsgeschwindigkeit bewegen sich Natrium-Ionen damit langsamer, so entstehen kleinere Kurzstromströme. Die Folge, es entwickelt sich wesentlich weniger Wärme und die benötigten Sicherungsmaßnahmen sind geringer.

„Es ist erstaunlich, wie einfach eine vieldiskutierte Batterietechnologie wirken kann. Die einzelnen Zellen werden zu Türmen montiert, mit einem Stapler an den Ort der Montage gebracht und abgestellt. Dann können sie angeschlossen und sofort genutzt werden“, so Dr. Pettinger. Das Umfeld spielt dabei kaum eine Rolle, denn diese Post-Lithium-Technik ist nicht feuchteempfindlich. Zudem sind diese Batterien überladefest d.h. es ist wesentlich weniger Schutzschaltung als bei Lithium Batterien nötig. Ihre Überladefestigkeit ist mit der eines Blei-Akkus vergleichbar. Beide nutzen das gleiche Ladeverfahren. Der aktuelle Entwicklungsstand fokussiert einen Arbeitstemperaturbereich von plus 5 Grad bis plus 40 Grad. Also typische Kellertemperaturen oder Garagenanwendungen in unserem Breitengrad. Tieftemperaturfest sind sie bisher noch nicht. Die Entwickler sehen die Märkte bei Raumanwendung und Keller & Co. Aber mittelfristig werden auch die angrenzenden Temperaturbereiche folgen.

Alle Speicherausrüster mit dem Ziel der Energiespeicherung sind jetzt und auch in Zukunft attraktiver Kundenkreis. Angefangen beim Heimspeicher über Gewerbebetriebe und Gewerbeparks oder kleinere Anwendungen wie dem klassischen Schrebergarten. Oftmals werden Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, obwohl ihre Eigenschaften für die spezielle Anwendung gar nicht notwendig sind, weil der Leistungsumfang schlichtweg nicht gefordert ist, wie als Back-up in der Telekommunikation. Eine Lithium-Batterie kann in einer viertel Stunde be- und entladen werden, für mobile Anwendungen absolut notwendig, stationäre benötigen dagegen oft einen wesentlich höheren Speicherhorizont. Fällt zum Beispiel bei einem Mobilfunkmast der Strom aus, wird dieser nur selten in einer Viertelstunde repariert werden; mehrere Stunden wären hier wesentlich sinnvoller. Am Technologiezentrum Energie laufen aktuelle Tests zur Be- und Entladung der Post-Lithium-Batterien. Ergebnis: Reibungsloses laden und entladen innerhalb von 4 h bei normaler Raumtemperatur. Prinzipiell gelten aber auch alle Kunden des Redox-Flow-Marktes als mögliche Anwender. Vor allem, da Redox-Flow-Batterien erst ab 100 kWh sinnvoll sind; Post-Lithium-Batterien dagegen bereits ab 2 - 3 kWh.

Hohe Nachfrage am Markt

Ein vergleichbarer Nachteil zu Lithium-Ionen-Batterien ist allerdings die Energiedichte. Im Vergleich ist sie wesentlich kleiner. Für die angedachten stationären Anwendungen spielt dies aber keine Rolle. Ersetzt werden sollen vor allem Lithium-Ionen-Batterien in klassischen Heimspeichern, Notstrompufferungen und andere, stationäre Anwendungen. In einigen Regionen werden Salzwasserspeicher, wie sie zum Beispiel der Hersteller BlueSky Energy herstellt, höher gefördert als Lithium-Batterien. Das System ist ideal für alle Gebäude, in denen Sicherheit eine sehr wichtige Rolle spielt und keinerlei giftige Materialien zum Einsatz kommen dürfen. Insbesondere private Hausbesitzer, Unternehmen, Schulen und landwirtschaftliche Betriebe wollen zudem kein Risiko bezüglich Brand- oder Explosionsgefahr eingehen. Im Augenblick laufen die Forschungen auch im Punkt der Netzstabilisierung auf Hochtouren. Zusammen mit BlueSky Energy werden Anwendungen in größeren Gewerbeeinheiten getestet. Das Ziel: Kleinere Gewerbeparks mit der neuen Technologie und einer Größenordnung von etwa 100 kWh puffern.

Greenrock – Neuer Gewerbespeicher für Industrie- und Agrarbetriebe

BlueSky Energy fungiert seit seiner Gründung 2012 als Komplettanbieter für Energiespeicherlösungen. Das Unternehmen agiert international mit Standorten in Österreich und den USA/Idaho. Die Philosophie basiert auf sicheren und umweltfreundlichen Lösungen. Hohe Entwicklungskompetenz steht im Vordergrund. Deshalb hält das Unternehmen enge Kooperationen mit führenden Universitäten und Forschungseinrichtungen, wie der Hochschule Landshut und dem Entwicklungsteam von Dr. Pettinger.

„BlueSky hat seit seinem Bestehen bereits über 300 Systeme installiert, wobei wir im Jahr 2018 mit Abstand die meisten Speichersysteme verkauft haben. Die Nachfrage nach umweltfreundlichen Salzwasserbatterien ist ungebrochen hoch. Die Sicherheit und die Umweltfreundlichkeit des Systems überzeugen. Wir fertigen die Speicher vollständig aus nachhaltigen Rohstoffen. Auch eine thermische Überhitzung ist nicht möglich und alle genutzten Chemikalien sind ungiftig“, erklärt Helmut Mayer, Geschäftsführer BlueSky Energy. In Österreich hat das Unternehmen in diesem Jahr den neuen Gewerbespeicher GREENROCK Business für Industrie- und Agrarbetriebe eingeführt. Das System ist von 30 bis 270 Kilowattstunden skalierbar. Es wird 2019 in Deutschland verfügbar sein. Es ist modular erweiterbar und skalierbar bis zu mehreren MWh, einphasig und dreiphasig anwendbar und notstrom- wie inselfähig.

Hochentropie-Oxide – Wie Unordnung Batterien stabilisiert

Hochentropie-Oxide – Wie Unordnung Batterien stabilisiert

19.10.18 - Hochentropie-Oxide können die Speicherkapazität und Zyklenfestigkeit von wiederaufladbaren Batterien wesentlich verbessern. Doch welche Rolle spielt dabei die ungeordnete Verteilung und wie wirken sich die Oxide auf elektrochemische Eigenschaften aus? lesen

So findet man die richtige Batterietechnologie

So findet man die richtige Batterietechnologie

09.01.19 - Lithium-Ionen-Akkus sind die leistungsfähigsten Akkus – aber um den richtigen Akku zu finden, gibt es zahlreiche Kriterien zu beachten. Einen Überblick über die Entwicklung, den Bau und die Anwendung von Batterien lesen Sie in unserem Buchtipp „Akkuwelt.“ Hier ein Auszug: lesen

Längere Akku-Laufzeit: Lithium-Ionen-Batterien auf nächste Leistungsstufe gehoben

Längere Akku-Laufzeit: Lithium-Ionen-Batterien auf nächste Leistungsstufe gehoben

17.12.18 - Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus, wie sie in Smartphones und Notebooks zum Einsatz kommen, stoßen zunehmend an Leistungsgrenzen. Forscher haben nun ein neues nanostrukturiertes Material für die Anode von Lithium-Ionen-Akkus entwickelt, das den Batterien mehr Leistung und Lebensdauer bringt. lesen

* Jacqueline Koch ist als freie Journalistin tätig.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
Wir von Bürger speichern Energie eG haben sehr früh den Vorteil dieser Speichertechnologie erkannt...  lesen
posted am 30.01.2019 um 08:38 von Unregistriert


Mitdiskutieren
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 45697563 / Lithium-Ionen-Akkus)