Salzwasserbatterie als Alternative zum Lithium-Ionen-Speicher
Eine wachsende Anzahl von Kinos speichern den Strom, der mit einer Photovoltaik-Anlage auf dem Dach erzeugt wird, mit Hilfe eines Batteriespeichers. Die Investition in einen Stromspeicher wird von der FFA im Rahmen der Kinoförderung unterstützt. Die dabei mit Abstand am häufigsten gewählte Technologie sind Lithium-Ionen-Akkus, die inzwischen zum Standard gehören. Das könnte sich in Zukunft jedoch ändern, da mit dem Abbau Transport und der Entsorgung von Lithium erhebliche Umweltbelastungen einhergehen. Hinzu kommt, dass die verfügbaren Rohstoffe begrenzt sind.
Eine Alternative zur Speicherung von regenerativ erzeugtem Strom sind Natrium-Ionen-Batterien. Natrium liegt in der Natur als Natriumchlorid (Kochsalz) vor und ist somit leicht verfügbar. Ein auf Natrium-Ionen-Zellen basierender Akkupack ist identisch aufgebaut wie eine Batterie mit Lithiumzellen. Wie in allen wiederaufladbaren Batterien werden in einer Akkuzelle eine Anode und eine Kathode sowie ein Separator und ein flüssiger Elektrolyt verbaut. Sobald ein Stromabnehmer angeschlossen ist, fließen zwischen dem Plus- und Minuspol Elektronen durch den Elektrolyten und der Akku wird entladen. Beim Aufladen des Akkus wird der Vorgang umgekehrt. Wird die Zelle geladen, wird eine äußere Spannung angelegt. Die positiv geladenen Ionen werden aus der Festkörperstruktur herausgelöst und in den Elektrolyten abgegeben. Dabei bewegen sie sich im Inneren der Zelle von der Kathode zur Anode.
Nach diesem elektrochemischen Prinzip arbeiten alle Ionen-Akkus. Die Eigenschaften eines Akkus sind von den Materialien der Elektroden, der Art der Ionen sowie dem Elektrolyt abhängig, denn dadurch werden die Spannung, Energiedichte, Effizienz, das Temperaturverhalten sowie die Sicherheit und Lebensdauer bestimmt. Bei Salzwasserbatterien dient Salzwasser als Elektrolyt. Konkret handelt es sich dabei um in Wasser gelöstes Natriumsulfat (Glaubersalz), das in großen Mengen weltweit verfügbar ist und sich weitestgehend umweltverträglich gewinnen lässt.
Ein großer Vorteil gegenüber Lithium-Ionen-Akkus ist die hohe Sicherheit. Da es bei Salzwasserbatterien nicht zu einer Überhitzung durch einen Kurzschluss kommen kann, besteht keine Brand- oder Explosionsgefahr. Aus diesem Grunde werden Salzwasser-Akkus nicht als Gefahrgut klassifiziert. An den Aufstellungsort werden keine besonderen Sicherheitsanforderungen wie Klimatisierung oder Feuerfestigkeit gestellt. Zudem punkten Salzwasserbatterien mit einer hohen Stabilität bei Extremtemperaturen, denn die Zellen können im Winter sogar bis -20°C laden, ohne dass ihre Haltbarkeit darunter leidet.
Ein Nachteil von Natrium-Ionen-Akkus ist, dass diese eine deutlich geringere Energiedichte besitzen. Im Vergleich zum Lithium-Ionen-Speicher ist eine Salzwasserbatterie mit gleicher Kapazität wesentlich größer und schwerer. Da sie mit etwa 56 kg pro Kilowattstunde (kWh) Speicherkapazität rund das Dreifache wiegt wie ein Lithium-Ionen-Akku mit etwa 18 kg pro Kilowattstunde (kWh) ist diese Technologie nicht für den Einsatz in Elektrofahrzeugen geeignet.
In stationären Stromspeichern, die zur Speicherung von Solarstrom installiert werden, sind das Volumen und Gewicht hingegen weniger relevant. Ein Salzwasserbatteriespeicher mit einer Kapazität von 7,5 kWh ist etwa einen Meter breit, einen Meter hoch und rund 40 cm tief. Ein weiterer Pluspunkt ist, dass eine Salzwasserbatterie problemlos komplett entladen werden kann, ohne dass ihre Kapazität darunter leidet.
Bei Lithium-Ionen besteht die Kathode aus einem Lithium-Metalloxid wie beispielsweise NMC (Nickel-Mangan-Cobalt) oder LPF (Lithium-Eisenphosphat), aus dem sich die Lithium-Ionen leicht heraustrennen lassen. Für die Anode wird als aktives Material Graphit eingesetzt, das auf eine Kupferfolie aufgetragen wird. In Natrium-Ionen-Zellen werden statt der Lithium-Mangan-Kobalt-Materialien Natrium, Eisenoxid sowie mitunter Kupfer verwendet. Die in Lithium-Akkus eingesetzte Kupferfolie kann in Salzwasserbatterien durch eine Aluminiumfolie ersetzt werden.
Salzwasserbatterien eröffnen die Chance, die Wertschöpfung dieser Schlüsseltechnologie nach Europa zu verlagern. Da Batterien in der Vergangenheit als ein günstiges Zulieferbauteil betrachtet wurden, haben die europäischen Länder die Batterieproduktion nach Asien verlagert, um Kosten zu sparen. Inzwischen besitzt China einen Wissensvorsprung gegenüber Europa, weil die Produktionsprozesse dort in den letzten Jahrzehnten optimiert und weiterentwickelt worden sind. Die besten Natrium-Ionen-Zellen werden bislang in China hergestellt. Chinesische Hersteller wie CATL haben Produktionslinien errichtet, um massentaugliche Natrium-Ionen-Akkus zu produzieren. Aber auch in Europa gibt es Bestrebungen, mit Hilfe der Natriumtechnik eine funktionierende Batterieindustrie aufzubauen.
Natrium-Ionen-Batterien können eine Schlüsselrolle bei der Sicherstellung einer stabilen und nachhaltigen europäischen Energieversorgung spielen.
In Deutschland fördert das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) mit dem Projekt SIB:DE ENTWICKLUNG das bislang größte deutsche Konsortium zur Natrium-Ionen-Batterietechnologie. 25 Partner aus Wissenschaft und Industrie arbeiten gemeinsam an der Entwicklung und Fertigung großformatiger, marktreifer Zellen sowie an der Bewertung der Rezyklierbarkeit. Das Ziel ist der Aufbau eines vollständigen Ökosystems für eine Natrium-Ionen Batteriezellfertigung in Deutschland und Europa. Dabei liegt der Fokus darauf, die beteiligten Industriepartner möglichst schnell zu befähigen, die Batteriezellen im großen Maßstab marktreif und wettbewerbsfähig zu produzieren.
Ein erstes europäisches Unternehmen, das Natrium-Ionen Batterien als kommerzielles Produkt für Photovoltaik- Speicherlösungen anbietet, ist das österreichische Unternehmen Salzstrom. Bei der in Wien ansässigen Firma erhalten Haushalte, Gewerbe und Industrie Energiespeicherlösungen auf Basis der Natrium-Ionen-Technologie. Dazu gehören CE-zertifizierte Natrium-Ionen-Heimspeicher sowie Gewerbespeicher wie „Salt 110“ mit bis zu 110 kWh nutzbarer Kapazität. Der 2,4 t schwere Speicher verfügt über eine Leistung von 100 kVA und besitzt einen Batteriewirkungsgrad von 95 Prozent. Das Gerät verfügt über die Zertifizierungen nach EN IEC 62619, VDE 4105 und EN50549.
