Photovoltaik: Nachhaltige Stromspeicher

Salzwasser, Eisen, Wasserstoff: Solarstrom umweltbewusst speichern

Das ist wirklich „grün“: Ein nachhaltiger Stromspeicher ergänzt die umweltfreundliche Solarenergie. Die Materialien heißen Salzwasser, Eisen und Wasserstoff. Salzwasserspeicher arbeiten ganz ähnlich wie die bekannten Lithium-Ionen-Speicher. Eisen ist das Basismaterial für eine spezielle Redox-Flow-Batterie. Und Wasserstoff zu gewinnen ist eh ein Kinderspiel (ihn zu speichern allerdings nicht ganz ohne). In diesem Beitrag erfahren Sie alles über die Nachhaltigkeit neuartiger Stromspeicher. Lernen Sie deren Vor- und Nachteile kennen – und wie sie funktionieren.

Nachhaltige Speicherung von Photovoltaik-Strom

Bei der Speicherung von Solarstrom werden ständig Fortschritte gemacht, sei es bei der Technik oder bei der Preisgestaltung. So haben zum Beispiel die Lithium-Ionen-Batterien die sehr umweltbelastenden und wenig effizienten Blei-Säure-Akkus in den letzten Jahren nahezu abgelöst. Trotzdem: Stromspeicher auf Lithiumbasis enthalten kritische Materialien. Diese müssen allesamt importiert werden und belasten spätestens beim Entsorgen die Umwelt. Angesichts des hohen Bedarfs im Bereich der Elektromobilität setzen die Forschungslabore beim Speichern von Solarenergie momentan auf umweltfreundlichere Stoffe.

Als aussichtsreichste Innovationen konnten wir folgende ausmachen:

• Salzwasserspeicher
• Eisen-Redox-Flow-Batterie
• Wasserstoffspeicher

Salzwasserspeicher: Natrium statt Lithium

Salzspeicher, Salzbatteriespeicher, Salzwasserbatterie, Natriumbatterie, Natrium-Ionen-Batterie, Natrium-Ionen-Akkumulator. Es gibt viele Namen für ein und dieselbe Speichertechnologie. Natrium-Ionen-Batterien beruhen auf denselben Wirkmechanismen wie Lithium-Ionen-Batterien. Sie sind nur wesentlich preiswerter und durch den Einsatz organischer Elektrolyte auch nachhaltiger. Nach dem kurzen Einblick in die Funktionsweise listen wir alle Vorteile (und Nachteile) der hoffnungs­vollen Konkurrenten herkömmlicher elektrochemischer Speicherbatterien auf.

Funktionsweise einer Salzwasserbatterie

Natrium-Ionen-Batterien enthalten Lithium-Mangan-Oxid (LMO), Aktivkohle, Baumwolle und Salzwasser. Wie bei jeder Batterie wird der Strom durch einen Elektronenfluss produziert, wie bei jeder wiederaufladbaren Batterie muss dies in zwei Richtungen funktionieren. Dafür benötigt der Akku zwei Elektroden: die Kathode für den Pluspol und die Anode für den Minuspol. Beide sind von einer Flüssigkeit umgeben, dem Elektrolyt aus Salzwasser auf Basis von Natriumsulfat. Nun kommt die Baumwolle ins Spiel: Eine Membran teilt die Elektrolyseflüssigkeit in zwei Hälften und separiert damit die beiden Pole, daher der Name Separator. Die Ionen können jedoch hindurchfließen. Bei jedem Schließen des Kreislaufs findet ein Elektronenfluss statt: Beim Anschluss eines Verbrauchers von der Anode (Aktivkohle) zur Kathode (Manganoxid), beim Aufladen des Batterie in umgekehrter Richtung.

Vorteile der Natrium-Ionen-Technologie

• Natrium ist ein heimischer Rohstoff und bedeutet Unabhängigkeit von strategischen, oftmals kritischen Importen.
• Natrium ist tatsächlich unbegrenzt und damit kostengünstig verfügbar.
• Da die Wirkprinzipien ähnlich wie in einem Akku aus Lithium sind, handelt es sich um eine gut bekannte Chemie. Auch dies wirkt sich kostensenkend aus.
• Im Osten Deutschlands (Thüringen, Sachsen) ist die technologische Infrastruktur vorhanden.
• Das Recycling ist wesentlich einfacher als bei Lithium-Batterien, da die Zellen kein Kupfer und Kobalt enthalten. Recycelt werden müssen also nur wenige Elemente wie Eisen und Aluminium.
• Setzt sich die Technologie weiter durch, fallen die Preise für PV-Speicher.
• Durch den Ersatz des teuren Lithiums werden Elektro-Fahrzeuge billiger.
• Da die Nachfrage an Lithium weltweit steigt, sind in Zukunft noch höhere Preisdifferenzen zu erwarten.
• Laut Herstellerangaben beträgt die Entladetiefe bis zu 100 Prozent. Das heißt, auch bei einer vollständigen Entleerung nimmt die Batterie keinen Schaden.
• Natrium-Ionen-Batterien sind unbrennbar und damit sicherer.

Nachteile der Salzwasserspeicher

Die Nachteile-Liste ist zwar deutlich kürzer, dafür enthält sie leider einige entscheidenden Punkte:

• Die Energiedichte ist geringer als bei Lithium-Ionen-Akkus. Um die gleiche Leistung zu erreichen, sind Natrium-Ionen-Akkus daher schwerer. Pi mal Daumen ist mit 60 kg pro kW zu rechnen.
• Der Wirkungsgrad ist deutlich niedriger als bei Lithium-Ionen Akkus (96%). Mit 80 Prozent entspricht er in etwa den kaum noch angebotenen Blei-Säure-Speichern. Das heißt, es gehen etwa 20 Prozent der erzeugten Energie verloren.
• Die Leistungsfähigkeit ist deutlich niedriger als bei Lithium-Ionen-Speichern. Während diese während des gesamten Entladevorgangs praktisch 100 Prozent Leistung bringt, fällt sie beim Salzwasserspeicher rapide ab. So kann sie bei einer Entladung auf die Hälfte des Energieinhalts meist nur noch 40 Prozent Maximalleistung bieten.
• Durch die schnellere Entladung haben E-Autos eine geringere Reichweite.

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Salzbatterie-Anbieter

Das 2013 gegründete Schweizer Unternehmen innovenergy® wirbt mit einer „hohen Energiedichte“ und einem „Batteriewirkungsgrad von 90%“ seiner Salzbatterie-Speichersysteme. Das engagierte junge Team hat sich die Themen Nachhaltigkeit, Ökologie und Energiewende auf die Fahnen geschrieben und möchte sowohl Gewerbe und Industrie als auch Privathaushalte mit ökologisch unbedenklichen Speichern ausstatten.

In den USA hat das Unternehmen Natron Energy im Herbst 2022 die Markteinführung des Batterieschranks Blue Rack™ bekanntgegeben. Dieser ist in Konfigurationen mit 250 kW und 500 kW erhältlich. Zielgruppe ist bisher noch ausschließlich die energieintensive Industrie, auch bei den Schnellladesystemen für Elektrofahrzeuge.

Neben China arbeiten auch europäische Firmen verstärkt an der Weiterentwicklung der Technologie. Hier sind Tiamat Energy aus Frankreich und Altris aus Schweden zu nennen. Indien zielt ebenfalls auf die Unabhängigkeit von China und hat 2022 die britische Firma Faradion übernommen.

Kosten für Salzwasserspeicher in EFH und Auto

• Heimspeicher: Die Speicher werden für das Eigenheim mit 5 bis 30 Kilowatt­stunden (kWh) Kapazität angeboten. Der Anschaffungspreis liegt momentan bei 800 bis 900 Euro pro Kilowattstunde. Für ein Einfamilienhaus würde ein 9-kWh-Speicher inkl. Zubehör, Elektronik, Wechselrichter und Energie-Management-System mit etwa 15.000 Euro zu Buche schlagen. (Stand: September 1023)
• Elektroauto: Aufgrund der geringen Reichweite (200 bis 300 km) kommen die preiswerten Akkus bisher nur in Kleinwagen in Betracht. Wer fast nur im Stadtverkehr unterwegs ist – wo oft an jeder Tankstelle nachgeladen werden kann – könnte sich durchaus für eine Ersparnis von 2.000 bis 4.000 Euro interessieren. So in etwa wird der Unterschied zu einem E-Auto mit einer Lithium-Ionen-Batterie beziffert.

Eisen-Redox Flow Batterie: Flussbatterie auf Eisenbasis

Gerät Deutschland auf dem Gebiet der Eisen-Redox-Flow-Batterie (IRFB für Iron Redox Flow Battery) ein wenig ins Hintertreffen? Im Herbst 2020 hieß es noch, die Hochschule Landshut forsche im Rahmen des bis Februar 2022 laufenden Projekts „All-lron Redox-Flow Batterie als umweltfreundlicher und kostengünstiger Energiespeicher“ (FERRUM) gemeinsam mit dem Unternehmen VoltStorage an einer neuen Generation von Stromspeichern für Ein- und Zweifamilienhäuser. Ein neuer Stand konnte auf der Website der Hochschule nicht ermittelt werden. VoltStorage informierte solaranlage-ratgeber.de nun jedoch über weiterlaufende Forschungen auf diesem Gebiet. (Stand: September 2023)

Das US-amerikanische Unternehmen ESS Inc. setzt die Technologie bereits seit einigen Jahren ein. Allerdings, das muss dazu gesagt werden, nur im gewerblichen und industriellen Bereich. ESS – Energy Storage Solutions – ist ein Spezialist für Iron Flow Batteries. Eine Besonderheit, so das Unternehmen, sei die integrierte „Protonenpumpe“. Sie verhindere die Ansammlung des Nebenprodukts Wasserstoff und garantiere so eine unbegrenzte Anzahl von Ladezyklen. Ob sich hier auch etwas für den privaten Nutzer tut, bleibt allerdings noch abzuwarten.

Funktionsweise einer Eisen-Redox-Flow-Batterie

Den Begriff, die Funktionsweise sowie die Stärken und Schwächen von Flow-Batterien sind im Beitrag zu den Langzeitspeichern erklärt und aufgeführt. Der Ladezyklus mit seinem Wechsel von Reduktion und Oxidation („Redox“) läuft exakt gleich ab. Nur bildet sich bei der Aufnahme von Elektronen an der Elektrode (Ladephase) eine feste Eisenschicht, die sich bei der Abgabe (Entladephase) wieder auflöst.

Vorteile von Eisen-Flussbatterien

Auch die Stärken und Schwächen entsprechen denen im bereits genannten Artikel. An dieser Stelle möchten wir auf die Vorteile durch den Eisenanteil – im Unterschied zu Vanadium oder Brom – im Elektrolyt eingehen. Bei der Iron-Redox-Flow-Technologie bestehen die Elektrolyte nur aus Eisen, Salz und Wasser. Das Erz kommt in der Natur in praktisch unbegrenzten Mengen vor. Und das Beste:

• Der Rohstoff muss nicht importiert werden. Jedes Land verfügt über eigene Reserven und ist unabhängig von wirtschaftlichen Beziehungen zu und politischen Verhältnissen in den üblichen Förderländern.
• Eisen ist ausgesprochen kostengünstig. Weder der Abbau von Eisenerz noch die Gewinnung des verwendbaren Metalls erfordern eine komplizierte Technik.
• Die Salze enthalten keine giftigen Chemikalien. Dadurch ist eine spätere Entsorgung unproblematisch.
• Anders als die üblichen, auf Vanadium beruhenden Redox-Flow-Batterien enthalten Eisen-Redox-Flow-Batterien keine starken Säuren. Auch dies wirkt sich beim Entsorgen positiv aus.
• Der reduzierte Einsatz wertvoller Rohstoffe erleichtert am Ende der Lebensdauer das Recyceln.
• Dank der umweltfreundlichen Chemie sind die Speicher besonders einfach zu installieren und zu warten.

Wasserstoffspeicher: Solarenergie bis zum Winter speichern

Dass Wasserstoffspeicher derzeit ein großes Thema ist, verwundert nicht: Der „Rohstoff“ ist im Überfluss vorhanden, enthält keine Giftstoffe und kann nachhaltig gewonnen werden. Im Beitrag Photovoltaik Langzeit-Stromspeicher sind folgende Aspekte abgehandelt:

• Funktionsweise eines Wasserstoffspeichers
• Vorteile durch Wasserstoffspeicher
• Nachteile der Speicherung von Wasserstoff
• Kosten und Förderung der H₂-Speicher

Bei den Vorteilen liegt das Hauptgewicht natürlich auf der Langzeitspeicherung. Schließlich ist es ein lang gehegter Traum, die im Sommer gewonnene Photovoltaik-Energie bis zum Winter vorhalten zu können. Dass Wasserstoff ein gewissermaßen unerschöpflicher, ungiftiger Rohstoff ist, der keine Emissionen verursacht, macht einen H₂-Speicher zum wohl nachhaltigsten Energiespeicher überhaupt.

Fazit: Nachhaltige Stromspeicher sind die Zukunft

Trotz aller Vorteile sind die geringere Energiedichte – und der damit größere Platzbedarf – bei Salzwasserspeichern ein deutliches „Kontra“-Kriterium. Dem steht das größte Plus, die Nachhaltigkeit, gegenüber. Mit Letzterem können eisenbasierte Flussbatterien und Wasserstoffspeicher ebenfalls punkten. Alle „Neuen“ sind äußerst interessant für die Energiewende. Wer nur die Kostenersparnis im Auge hat, sollte mit der Investition noch etwas warten. Für alle, die mehr an die Zukunft unserer Kinder und deren Kinder denken, lohnt sich dagegen eine intensivere Beschäftigung mit diesem Thema. Wir sind davon überzeugt, dass sich in den nächsten Jahren auf dem Gebiet der nachhaltigen Stromspeicher noch eine Menge tun wird.

Photovoltaik Langzeit-Stromspeicher

Mit Wasserstoff und Redox Flow den Strom länger speichern Ein Traum wird wahr: Mit einem Langzeitspeicher kann mit der Photovoltaikanlage… weiterlesen

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