Die unterschiedlichen Arten der Energiespeicherung

Verfasst von am 10.06.2021 - 5 min

Die Frage der Energiespeicherung ist in Zeiten neuer Mobilitätsformen und der Entwicklung erneuerbarer Energiequellen ein wichtiges Thema. Während Lithiumbatterien heute eine der wichtigsten Lösungen für die Energiespeicherung darstellen, werden gleichzeitig neue Methoden untersucht – sei es, um die Energieerzeugung zu erleichtern oder um dem Endverbraucher zu helfen, die Nutzung zu optimieren (dem Fahrer eines Elektroautos zum Beispiel).

Energiespeicher: die Lithium-Ionen-Batterie und ihre Alternativen

Seit Anfang der 1990er Jahre auf dem Markt, hat der Lithium-Ionen-Akku in den letzten Jahrzehnten eine herausragende Stellung auf dem Batteriemarkt eingenommen. Seine Technologie bündelt zahlreiche Vorteile, die ihren Erfolg nicht nur in Elektroautos, sondern auch in anderen Bereichen wie dem Mobiltelefon erklären. Diese Lithium-Ionen-Akkus sindinsbesondere durch ihre Energiedichte (wichtig für die Reichweite)gut für die Bedürfnisse des Automobils geeignet.

Die Antriebsbatterien eines Elektrofahrzeugs müssen sehr strengen Richtlinien folgen: Kosten, nutzbarer Temperaturbereich, Haltbarkeit, Fähigkeit zum schnellen Aufladen, etc. Einige dieser Kriterien sind schwer unter einen Hut zu bringen: Energiedichte und Leistung im Besonderen. Forschungs- und Entwicklungsteams arbeiten ständig daran, das Verhältnis von Reichweite und Leistung zu optimieren und alle Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern. Diese Optimierung ist für eine nachhaltige Mobilität unerlässlich und geht Hand in Hand mit der Suche nach Möglichkeiten, die Umweltbelastung durch Batterien zu reduzieren, insbesondere wenn es darum geht, das Recycling zu erleichtern.

Sind Feststoffbatterien effizienter?

Die Batterieindustrie entwickelt neue Technologien, die vor allem darauf abzielen, das traditionelle Elektrolytverfahren zu ersetzen, das bei der Herstellung herkömmlicher Batterien verwendet wird. Zu diesem Zweck erwägen die Hersteller so genannte Feststoff-Batterien, die einfachere Materialien verwenden, ihre Einsatztemperatur besser verwalten und die Möglichkeit bieten, die Energiedichte der Zellen zu erhöhen. In diese Richtung gehen vor allem die Lithium-Metall-Spezialisten, die eine feste Lithium-Oberfläche als Minuspol in der Batterie verwenden.

Auch von Hybridbatterien ist die Rede, mit verschiedenen festen oder halbfesten Batterien als zukünftige Alternative zu herkömmlichen Modellen. Doch all diese Theorien haben noch einen langen Weg vor sich: Mit dem Einsatz in Elektroautos ist erst in einigen Jahren oder gar Jahrzehnten zu rechnen.

Die Renault-Nissan-Mitsubishi-Allianz hat deshalb in das amerikanische Start-up-Unternehmen Ionic Materials investiert, das sich auf die Feststoff-Batterie spezialisiert hat. Dabei wird der derzeit in Batterien verwendete flüssige Elektrolyt durch ein festes Material wie zum Beispiel ein Polymer ersetzt. Diese vielversprechende Technologie muss noch erhebliche Fortschritte machen, bevor sie als Alternative zu den heutigen Batterien, vor allem für Elektrofahrzeuge, angeboten werden kann!

Andere Wege zur elektrochemischen Speicherung

Reduktions-Oxidations (“Redox”)-Flussbatterien verwenden zwei Tanks, die elektroaktive Elemente und eine leitfähige ionische Membran enthalten. Ihr Vorteil liegt in der Trennung des “Energie”- und des “Leistungs”-Teils. Für den Einsatz im Auto ist ihre Energiedichte jedoch zu gering. Die Technologie kann aber in der stationären Energiespeicherung eingesetzt werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Natrium als Ersatz für Lithium – beide gehören zur gleichen chemischen Familie der Alkalien -, um eine so genannte “Natrium-Ionen”-Batterie herzustellen. Natrium ist ein häufiger vorkommendes Element als Lithium, und seine Eigenschaften bieten ein größeres Energiepotenzial. Doch diese Technologie befindet sich noch in der Entwicklung: Während Natrium in stationären Energiespeichern (bei hohen Temperaturen) zu finden ist, wird seine Anwendung in Fahrzeugbatterien derzeit nur von einer Handvoll Start-ups erforscht, die versuchen, den Prozess zu industrialisieren.

Die Zusammensetzung der verschiedenen Elemente in einer Batterie ändert sich je nach eingeschlagener Richtung. Bei der Metall-Luft-Technologie wird beispielsweise eine Metallelektrode verwendet, die sich während des Lade-/Entladezyklus auflöst und neu formiert, mit einer gegenüberliegenden Elektrode, die Sauerstoff aus der Luft aufnimmt und ihn der chemischen Reaktion hinzufügt, wie in einer Brennstoffzelle. Als Elektroden können z.B. Lithium und Zink verwendet werden. In bestimmten Fällen erfolgt die Aufladung nicht elektrisch, sondern mechanisch: wie bei Aluminium, das in Form von Patronen eingesetzt werden kann. Diese Lösung ist aber noch nicht reif für den anspruchsvollen Energiebedarf eines Automobils.

Schließlich könnten die chemischen Eigenschaften der Metalle einen Weg für die Entwicklung neuer Technologien darstellen. In einer Lithium-Ionen-Batterie zum Beispiel wird der Strom (unter anderem) durch die Bewegung von Lithium-Ionen erzeugt. Jedes Lithium-Ion trägt eine Ladung. Wäre ein chemisches Element in der Lage, diese Ladung zu verdoppeln, würde sich die Batteriekapazität erhöhen. Theoretisch ist dies bei Metallen wie Kalzium und Magnesium der Fall, die diese so genannte doppelte Wertigkeit oder “zweiwertige” Eigenschaft haben. Da sich dieses Konzept hauptsächlich auf die Forschung in Universitätslabors beschränkt, sind noch erhebliche Fortschritte notwendig, um die Haltbarkeit der anderen Komponenten in der Zelle zu gewährleisten.

Effiziente mechanische Energiespeicherung

Energiespeicherung in Form von Strom ist nicht die einzige Lösung, die es in diesem Bereich gibt. Auch mechanische Energie spielt eine Rolle, wie das Beispiel der Pumpspeicherung zeigt. Dabei wird durch das Steigen und Fallen des Wassers in einem Stausee eine Turbine in Bewegung gesetzt, die die Energie speichert und dann wieder abgibt, nach dem gleichen Prinzip wie bei einem Staudamm. Die dabei entstehende Elektrizität ist in der Lage, Luft in riesigen Kammern zu komprimieren und Energie so zu speichern, bis sie durch Dekompression und mit Hilfe einer Turbine “freigesetzt” wird. 

Heutzutage hört man sogar von “Beton”-Batterien: hängende Betonblöcke, die beim plötzlichen Fallenlassen Energie abgeben. Dies alles sind Beispiele für die vielen Möglichkeiten der mechanischen Speicherung, die vor allem eine Möglichkeit zur stationären Energiespeicherung bleibt. 

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Round table - Battery for energy storage - #RenaultEWAYS

Energy storage

Batterien für autarke Städte

Nach einigen Jahren und zahlreichen Ladezyklen beginnt die Kapazität einer Elektroauto-Batterie zu sinken. Hersteller wie Renault geben diesen Batterien ein „zweites Leben“ und verwenden sie beispielsweise in stationären Stromspeichern. Diese Technologie kann genutzt werden, um ein Gebäude oder sogar einen Stadtteil mit Strom zu versorgen – beispielsweise bei Stromausfällen – und um die Nutzung von kohlenstoffarmer Energie zu optimieren, die von Solarkraftwerken und Windturbinen erzeugt wird.

Es steht viel auf dem Spiel, denn im Rahmen einer nachhaltigen Entwicklung ändern sich sowohl die Methoden der Energieerzeugung, die dank Sonnenkollektoren direkt in den Städten stattfinden kann, als auch die Optimierung des Stromnetzes im kleinen oder großen Maßstab, um immer mehr energieautarke Zonen zu schaffen. Ein Plus für die Sicherheit und Kontinuität der Stromversorgung!

Eine weitere mögliche Richtung ist die Vehicle-to-Grid (V2G)-Technologie, die von Mobilize in den Niederlanden getestet wird und bei der der kohlenstoffarme Strom eines Elektroautos direkt in das Netz eingespeist wird. Die Batterie eines Renault ZOE kann dabei als Energiespeicher dienen, solange das Fahrzeug an einen Ladepunkt angeschlossen ist. Diese innovative Technologie geht Hand in Hand mit der Einführung von Smart Charging im Fahrzeug selbst. Dies zeigt, wie die Hersteller nicht nur alternative Lösungen in Betracht ziehen, sondern auch die heutigen Anwendungen optimieren, um den CO2-Fußabdruck der Stromerzeugung und -verteilung zu reduzieren.

 

Copyrights : malp (Adobe Stock), Renault Communication

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