Lithium-Ionen Batterien im Stack
©PtJ, Mareike Lenzen

Stromspeicher

Ob groß oder klein, mechanisch oder chemisch, unter- oder überirdisch, alle Stromspeichertechnologien folgen demselben Prinzip: Sie entkoppeln Stromerzeugung und Stromverbrauch von Zeit und Ort. Ihre Vielseitigkeit macht sie zu essenziellen Bausteinen eines Energiesystems, das auf Strom aus erneuerbaren Energiequellen setzt. Damit Stromspeicher flächendeckend eingesetzt werden können, müssen sie bezahlbar, effizient und langlebig sein. In den vergangenen Jahren sind zudem die Kriterien Nachhaltigkeit bei der Herstellung sowie die Wiederverwertbarkeit kritischer Rohstoffe wichtiger geworden.

Die förderfähigen Stromspeichertechnologien umfassen elektrochemische, elektrische und mechanische Speicher sowie Hochtemperatur-Wärmespeicher für die Stromspeicherung. Der Entwicklungsstand der Speichertechnologien ist sehr unterschiedlich. Während einige Technologien bereits auf dem Markt etabliert sind und in erster Linie hinsichtlich Effizienz, Kosten und Nachhaltigkeit optimiert werden müssen, stecken andere Speicherkonzepte noch in den Kinderschuhen.

Der Fokus der angewandten Energieforschung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie liegt auf der Förderung stationärer Stromspeicher. Diese umfassen die hier diskutierten direkten Stromspeicher sowie die Umwandlung elektrischer Energie in Wasserstoff, Methan oder Methanol. Diese Technologien werden in den Schwerpunkten  Sektorkopplung und Wasserstofftechnologien gefördert.

Jeder Stromspeicher ist nur so gut wie die Summe seiner Einzelteile. Bereits kleinste Veränderungen in der Zellchemie, dem Elektrodenmaterial oder den Gehäusebestandteilen können die Leistungsfähigkeit und Handhabung sowie die Wirtschaftlichkeit einer Speichertechnologie deutlich verbessern. Eine hohe Zyklenfestigkeit ist besonders entscheidend für die lange Nutzungsdauer. Je nach Anwendung werden hohe Kapazitäten oder hohe Leistungen gefragt. In manchen Anwendungen sind kurze Ladezeiten wichtig.

Auf Zellniveau müssen neue Materialien für Elektroden, Elektrolyten, Separatoren oder Katalysatoren entwickelt sowie bestehende Technologien diesbezüglich optimiert werden. Dazu gehören Verbesserungen des Elektrodenmaterials  etwa bei der (Vanadium) Redox-Flow-Technologie, die Erforschung und Erprobung von Komponenten der sogenannten Post-Lithium oder Lithium-Schwefel- beziehungsweise Lithium-Luft-Technologien sowie die Entwicklung neuer Elektrolytkonzepte, wie der Festkörperakkumulatoren. Hierbei ist der Elektrolyt nicht flüssig, sondern fest, was Sicherheit und Leistungsparameter verbessern kann.

Während mechanische Speicher wie Pumpspeicherkraftwerke bereits technisch ausgefeilt sind, besteht nach wie vor großer Forschungs- und Pilotbedarf bei thermischen Stromspeichern. So kann beispielsweise lokaler Überschussstrom von Windenergie-Anlagen für einige Tage als Wärme in Gestein  gespeichert und bei Bedarf mittels Turbine wieder in Strom umgewandelt werden.

Hier muss die Wärmespeicherung auf viel höherem Temperaturniveau erfolgen als bei klassischen Wärmespeichern für Gebäude und Quartiere.
Materialforschung und Verbesserung von Komponenten sind auch bei Schwungmassenspeichern angesagt, die ebenfalls zu den mechanischen Speichern gehören. Sie finden dort Einsatz, wo kurzzeitig sehr hohe Leistungen gefragt sind, wie beim Anfahren von Systemen.

Die Kosten von Stromspeichern hängen nicht nur mit den Materialien zusammen, die in den Batterien verbaut werden. Auch die Fertigungsprozesse spielen bei der Wirtschaftlichkeit eine große Rolle. Aus diesem Grund werden viele Stromspeicher beziehungsweise Zellen dort hergestellt, wo es die größten Produktionskapazitäten gibt. Hier ist insbesondere China großer Vorreiter. Allerdings sind die Fertigungsprozesse relativ starr und können in der Regel nicht flexibel an veränderte Anforderungen angepasst werden.

Damit auch in Deutschland die Batteriezellfertigung wieder Fahrt aufnehmen kann, braucht es innovative, flexible und vor allem technologieoffene Produktionssysteme. So kann die Fertigung schnell auf neue Erkenntnisse aus der Forschung reagieren, variable Stückzahlen herstellen und die Prozesse den neuen Anforderungen und Materialien anpassen. Forschungsziel ist es außerdem, Fertigungsprozess und Design der Zellen aufeinander abzustimmen und so die Batteriezellfertigung ganzheitlich zu optimieren.

Forscherinnen und Forscher entwickeln und erproben daher verschiedene Designs bezüglich Leistung, Produktionskosten und Ressourcenverbrauch. Der Fokus liegt auf modularen Systemen bestehend aus flexibel zusammensetzbaren Einzelbestandteilen. Dazu müssen einheitliche Standards entwickelt und definiert werden.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung alternativer, ressourcenschonender Speichertechnologien ist, die Produktionskosten zu reduzieren. Diese hängen allerdings direkt damit zusammen, hohe Stückzahlen bei geringem Aufwand produzieren zu können. Daher arbeiten Forschende und Hersteller intensiv zusammen. 

Insbesondere bei Großspeichern beziehungsweise Batteriesystemen, die sich aus vielen Zellen zusammensetzen, ist ein ausgeklügeltes und zuverlässiges Batteriemanagementsystem entscheidend. Das betrifft vor allem elektrochemische Speicher wie Lithium-Ionen-Batterien, da diese über eine extrem hohe Energiedichte verfügen. Bei falscher Lagerung oder Beschädigung können die Speicher überhitzen und anfangen zu brennen.

Zudem können elektrochemische Ablagerungen an den Elektroden – sogenannte Dendriten – Funktionsstörungen oder sogar Kurzschlüsse auslösen. 

Um dies zu verhindern, entwickeln Wissenschaftsteams und Unternehmen spezielle Batterie-Management-Systeme, die mit Temperatursensoren und Sicherheitsschaltungen ausgestattet sind. Wichtigster Faktor ist hierbei die Überwachung des Batteriezustands und der Alterung des Materials.  Um die Ladung und Entladung sowie die Überwachung der Batteriesysteme effizient zu steuern, braucht es intelligente Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) und zuverlässige Software-Lösungen.

Elektrochemische wie auch Pump- und Schwungmasse-Speicher können das Stromnetz stabilisieren und Systemdienstleistungen erbringen. An einigen Stellen können sie so einen kostspieligen Netzausbau ersetzen und die Abregelung von Windrädern oder Photovoltaik-Anlagen verhindern.

Mit Blick auf den weltweit steigenden Bedarf an schnell ladenden, leichten und gleichzeitig leistungsfähigen Stromspeichern für die Elektromobilität und mobile Anwendungen braucht es Elektrodenmaterialien, die auch in naher Zukunft noch verfügbar und vor allem bezahlbar sind. Das betrifft auch Abbaubedingungen und ökologische Aspekte, weshalb insbesondere zu den in Lithium-Ionen-Akkus verwendeten Elementen Mangan und Kobalt Alternativen erforscht und erprobt werden müssen.

Auch die Wiederverwertung der einzelnen Bestandteile und Chemikalien muss mit Blick auf die rasant wachsenden Produktionsmengen berücksichtigt werden. Dabei geht es nicht nur darum, Methoden zu entwickeln, wie etablierte Batterietechnologien recycelt werden können, sondern bereits bei der Entwicklung eine zukünftige Verwertbarkeit der verbauten Rohstoffe mitzudenken.

Das betrifft nicht nur die teuren Bestandteile, deren Recycling die Wirtschaftlichkeit erhöht, sondern auch Grundbestandteile wie Lithium und Graphit.

Ein weiterer wichtiger Nachhaltigkeitsfaktor neben dem Recycling der einzelnen Komponenten sind die sogenannten Second-Life-Konzepte. So können etwa ausgediente elektrochemische Speicher aus Elektrofahrzeugen in Kombination mit einem intelligenten Energie-Management-System noch viele Jahre stationär verwendet werden.

Oder Standorte von Kraftwerken, die nicht mehr benötigt werden, können als Standort für große Speicheranlagen dienen. Mit Speichern, in denen Strom in Hochtemperatur-Wärme und diese Wärme über einen Dampfkraftprozess wieder in Strom umgewandelt wird, können sogar wesentliche Teile des Kraftwerksstandorts weiter genutzt werden.

Grafische Darstellung der Erde mit Lichtern, Globus
©imaginima/iStock

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