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Welche Technologie setzt sich durch? - Speichertechnologien im Vergleich – Von Blei-Säure über Lithium-Ionen-Akkus bis zu Redox-Flow-Batterien

Aktuell finden sich auf dem Markt der elektrischen Speicher nur wenige, teilweise sehr unterschiedliche Speicherlösungen wieder. Von intensiv erforschten Zellsystemen bis zu neuen, viel versprechenden Systemen mit hoher Marktreife. Die technischen wie chemischen Eckdaten sind nur schwer zu erfassen, aber mithilfe ausgewählter Parameter können die interessantesten Technologien aussagekräftig miteinander verglichen werden. Es lässt sich so auch ein passendes Nutzungsprofil für potenzielle Käufer und zukünftige Projekte erstellen.

Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger mit einer Lithium-Ionen Batterie im Labor des Technologiezentrum Energie.

Aufbau und Prinzip einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie.

Bild einer Blei-Säure-Batterie.

 

Zu den wichtigsten Eckdaten zählen der Wirkungsgrad, die Zyklenlebensdauer, der Aufwand für Wartung und Reparatur und natürlich die Systemkosten, anhand dieser sich die Kosten pro installierte Kilowattstunde Speicherkapazität ableiten lassen. Diese Kosten gelten als Hauptgrund für den nur langsam wachsenden Einsatz von Stromspeichern im Home-Storage wie im gewerblichen Bereich. Der relativ hohe Speicherpreis sowie die unsicheren politischen Rahmenbedingungen drosseln aktuell die Vermarktung. Beide Faktoren werden sich allerdings zugunsten von Stromspeichern entwickeln.
Zum einen werden die EEG-Einspeisevergütungen stetig minimiert und planbar ganz wegfallen, zum anderen sprechen Prognosen von einer Steigerung der aktuellen Strompreise auf 80 Cent pro kWh bis zum Jahr 2050. Für effiziente regenerative Energieerzeugung- und Nutzung rückt der Stromspeicher damit immer weiter in den Investitionsfokus. Der zweite Faktor und der wahrscheinlich wichtigste Kaufindikator, betrifft die zu erwartende Senkung der Systemkosten.
Die Anschaffung eines Speichers stellt eine einmalige Investition dar, die sich in der Höhe nur minimal verändern lässt. Die Marktpreise liegen größtenteils auf einem angeglichenen Niveau, „Schnäppchen“ sind kaum möglich. Diese kurzfristigen Kosten, also der Kaufpreis, werden vor allem von den Systemkosten eines Speichers bestimmt; von den Zellen, dem Batteriemanagementsystem und dem Wandler. Wenn es um die Prognosen der Preisentwicklung geht, steht die Zelle im Mittelpunkt. Denn zur Speicherung elektrischer Energie können verschiedene Zellen verwendet werden, wie etwa Natrium/Schwefel-, Redox-Flow-, Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien. Genau hier liegt das Potentzial zur raschen Verbreitung von Stromspeichern in Haushalten, Objektbauten und Großprojekten. Denn die Entwicklung der Zellen – technisch wie wirtschaftlich – wird die Speichernutzung in den nächsten Jahren entscheidend voranbringen. Es ist bereits ein Preisverfall bei Speicherzellen spürbar. Welche der Technologien sich langfristig durchsetzen wird, ist noch nicht entschieden, aber einiges weist auf einen klaren Sieger hin.

Eine bekannte Technologie mit Ecken und Kanten

Seit Jahren etabliert und vor allem für Daueranwendungen ausgelegt sind die sogenannten Bleispeicher oder Blei-Säure-Batterien. Momentan die am preiswertesten herstellbare Batterie am Markt und damit oft genutzt: als Starthilfe für den Pkw, zur unterbrechungsfreien Stromversorgung, als Notstromversorgung oder zur Nutzung von Heimspeichern. Zahlreiche Hersteller bieten dieses System an, da es als sichere Technologie gilt. Das große Problem, die Chemie kann nicht überlis­tet werden; kurz gesagt: Bleispeicher sind nicht hochstromfest. Jede Anwendung erfordert eine enorme Überdimensionierung und damit nicht nur mehr Platz, sondern auch mehr Kosten. Die geringe Lebensdauer sowie das enorme Gewicht gelten ebenfalls als Negativpunkte der Technologie. Zudem unterliegt der Bleispeicher der Batterieraumverordnung, diese verlangt eine Zwangsbelüftung des räumlichen Umfeldes. Speziell für den Einsatz im Home Storage-Bereich ist dieser Zwang kontraproduktiv, denn das Durchbrechen von Außenverbindungen für die Belüftung steht der Energie-Plus–Bauweise klar entgegen. Der relativ hohe Wartungs- und Austauschbedarf ist ein weiteres Hemmnis für den flächendeckenden Einsatz.

Eine Technologie unter Preisdruck
Das zweite am Markt befindliche Speichersystem ist der Lithium-Ionen-Speicher. Ein chemisches Speichersystem mit hoher Energiedichte und einem sehr hohen (90 – 95%) Wirkungsgrad. Eigentlich für mobile Anwendungen entwickelt, deckt es mittlerweile einen sehr breiten Markt ab. Von der Handy-Anwendung bis zur Pufferung von Wohnquartieren. So baut die Younicos AG aus Berlin momentan einen fünf MW großen Lithium-Speicher als Pufferknotenversorgung für den Norden Deutschlands. Die immense Reaktionsfähigkeit von Lithium-Ionen prädestinieren diese Zellen für Großprojekte. Denn der Entwicklungsgedanke sieht Lithium-Ionen als Hochleistungsbatterien.
Dank des sehr hohen Verhältnisses von Leistung zu Energie eignet sich diese Technologie besonders als Kurzzeitspeicher über Minuten oder Stunden. Große internationale Hersteller garantieren zudem eine Batterieleistung von bis zu 20 Jahren. Kombiniert mit der fast hundertprozentigen Wartungsfreiheit sind die Lithium-Eckdaten äußerst interessant. Die Systemnachteile finden sich hier im Kosten- wie auch Sicherheitsbereich. Vor allem die relativ hohen Zellkosten von etwa 500 – 1000 Euro pro kWh schaden dieser Technologie.
 Der Grund für diese enormen Kosten ist in der Materialbasis zu finden. Denn für die Speichermassen werden bestimmte Edelmetalle benötigt, wie beispielsweise Nickel und Kobalt. Diese sogenannten Buntmetalle unterliegen dem Spot-Markt und gelten damit als Spekulationsmetalle. Spekulationen auf diese begrenzten Weltvorräte führten in der Vergangenheit immer wieder zu drastischen Preiserhöhungen. Ein künstliches Problem, das weder plan- noch steuerbar ist und zudem eine grundlegende, gesellschaftliche Problematik reflektiert, die sich in absehbarer Zeit kaum verändern wird.
Dieser Kostenfaktor kann allerdings über einen anderen Parameter gedrosselt werden, nicht in der Herstellung, sondern in der Verwertung. Staatliche Forschungseinrichtungen arbeiten bereits am Second-Life von Lithium-Ionen-Zellen, um beispielsweise eine Wiederverwendung gebrauchter Automobilbatterien für den Heimbereich zu ermöglichen. Ähnlich wie die jüngeren Geschwister, die die Kleider der älteren nutzen. Denn Automobilbatterien werden sehr günstig hergestellt, güns­tiger als beispielsweise Heimspeicherbatterien. Werden diese dann nochmals gebraucht auf dem Markt angeboten, sinkt der ursprüngliche Preis drastisch. Wobei die Margen bei Heimspeichern um einiges größer sind als der Zielpreis von Autobatterien.
Wenn der Staat, die Industrie und der Handel bei der Wiederverwertung langfristig an einem Strang ziehen, wird enormes Potenzial für Preissenkungen freigesetzt. Momentan gelten Lithium-Batterien im Home-Storage-Bereich aber noch als Preistreiber. Genau deshalb richtet sich das Interesse des Marktes auf die dritte, relativ neue Technologie am Speichermarkt: die Redox-Flow-Batterien.  

Eine Technologie für die Zukunft?
In den letzten Monaten wurden kleinere Redox-Flow-Systeme, 5 – 50 KWh, für den Heimspeicherbereich angekündigt. Prototypen gibt es bereits seit Längerem, aber der tatsächliche Praxiseinsatz läuft erst an. Dieser Testlauf wird mit viel Interesse beobachtet. Die Redox-Flow-Technologie gilt bereits jetzt als starker Konkurrent des Lithium-Systems, besonders bei Heimspeicher-Anwendungen. Denn trotz der Vorteile von Lithium-Batterien profitieren vor allem die Technologien für Mobilität von den Stärken dieser Primärzelle. Die hohe Energiedichte von Lithiumbatterien ist eigentlich zu schade für den Heimspeicherbereich. Dagegen eignet sich die Redox-Flow-Technologie mit einem Wirkungsgrad von bis zu 80?% hervorragend als Saisonspeicher. Der Energieträger altert oder verschleißt praktisch nicht und ist damit – bei geringem Wartungsaufwand – nahezu unbegrenzt haltbar. So muss ein Bleiakku im Betrieb des Heimspeichers beispielsweise alle fünf bis sieben Jahre ausgetauscht werden, bei Redox-Flow-Batterien wie auch Lithium-Ionen-Akkus erst nach etwa 25 Jahren. Je nach Anforderung können Leistung und Energie getrennt und flexibel skaliert werden. Zudem haben Redox-Flow-Batterien fast keine Selbstentladung. Kurz gesagt: eine robuste Technologie mit hoher Zyklenlebensdauer, die gleichzeitig sehr kostengünstig ist – die perfekte Kombination für Home-Storage-Anwendungen. Der niedrige Zellpreis dieses neuen Batteriesystems erklärt sich über die verwendeten Materialien. So werden bei Redox-Flow-Batterien keine Buntmetalle verwendet, im Gegensatz zu Lithiumzellen. Die Rohmaterialbasis von Redow-Flox-Zellen beinhaltet größtenteils preiswerte Elektroden aus simplen Graphit, ein häufig vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der Elemente. Das Speichermaterial selbst besteht aus Schwefelsäure und Vanadiumsalzen. Die Materialwelt der neuen Redow-Flow-Batterien ist damit wesentlich kostengüns­tiger als aktuelle Konkurrenzprodukte.
„Viele Fachleute gehen inzwischen davon aus, dass die momentane Marktmacht von Lithium-Batterien und den folgenden Blei-Batterien in den nächsten fünf Jahren von der Redow-Flow-Technologie abgelöst wird. Dann werden die Lithium-Zellen auf den zweiten Platz verwiesen und Blei-Batterien werden als dritte Alternative für Heimspeicherbatterien gehandelt“, bestätigt Professor Karl-Heinz Pettinger, wissenschaftlicher Leiter am TZE (dem Technologiezentrum Energie der Hochschule Landshut) und Professor für elektrische Energiespeicher. Als Leiter dieses renommierten Labor-, Forschungs- und Entwicklungsstandorts, der sich als Dienstleistungszentrum für Gewerbetreibende, die Industrie und Kommunen versteht, zählt die konzeptionelle und technische Entwicklung sowie die Qualifizierung und Quantifizierung von Methoden und Systemen zur dezentralen, ressourcenschonenden Energieversorgung zu seinen Hauptaufgaben.

Monetär versus nachhaltig
Um eine nachhaltige Speicherlösung zu erarbeiten, muss jedes Wohn- und Nutzungsszenario individuell betrachtet werden. Kurzfristige finanzielle Vorteile sollten nicht im Vordergrund stehen, sondern die Umsetzung einer nachhaltigen Lösung, die in einem Zeitrahmen von 10 – 20 Jahren greift. So kostet im Augenblick die kWh Strom circa 25 Cent. Mittelfristig wird dieser Preis auf 40 – 80 Cent steigen. Genau dann wird ein Speicher wirklich rentabel. Ein weiteres Szenario wäre das Auslaufen der eigenen EEG-Förderung. Typischerweise kommt an diesem Punkt die Frage auf, warum dann gerade jetzt einen Speicher planen und nicht erst, wenn diese Szenarien eintreten. Die Antwort ist einfach: Weil Speicher bereits jetzt relativ günstig sind und zwar dank staatlicher Förderung. Eine Förderung, die zeitlich begrenzt ist und deshalb jetzt genutzt werden sollte.
Wenn die Entscheidung für einen Speicher sinnvoll ist, gilt es, mit den Geräteanbietern zu verhandeln. Vor allem ordentliche Garantien sind wichtig. Im Idealfall garantiert der Speicheranbieter 10 – 15 Jahre Laufzeit sowie einen kostenlosen Ersatz bei Defekt. Diese Absicherung ist wichtig und sinnvoll und macht den heutigen Speicherkauf umso rentabler. Prinzipiell gilt, dass sich die Rentabilität eines Speichers stark beeinflussen lässt, da sie sich aus der Intensität der Nutzung ergibt. Je öfter der Speicher also be- und entladen wird, desto geringer fallen die Speicherungskos­ten pro genutzter Kilowattstunde Energie aus. Diese Kosten konkurrieren zusammen mit dem Erzeugerpreis regenerativer Energien gegen die Stromkosten aus dem Versorgungsnetz. Die Rentabilität ist damit plan- und steuerbar. Eine grundlegende standort- und nutzungsorientierte Betrachtung gibt schnell die Antwort, ob sich ein Speicher anhand der individuellen Erzeugungs- und Verbrauchssituation mittel- und langfristig rechnet oder nicht.

Autorin: Jacqueline Koch

Bilder: Technologiezentrum Energie, Ruhstorf an der Rott

 


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