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Einführung

Batterien und andere Energiespeicher sind Optionen zur technischen und wirtschaftlichen Optimierung eines Energieversorgungssystems und in vielen Fällen unverzichtbar zur Sicherstellung der geforderten Funktionen. Sehr häufig stehen Batterien aber in Konkurrenz zu anderen Technologien, die bzgl. der Entwicklung und Marktchancen von Batterien mitberücksichtigt werden müssen.

Ein Vergleich von Batterien, insbesondere auch mit anderen Energiespeichertechnologien, hat ohne genaue Kenntnis des Anwendungsfalls und Beachtung vergleichbarer Systemgrenzen nur eine geringe Aussagekraft.

Fast alle Batterien basieren auf den gleichen physikalischen und chemischen Grundlagen. Unterschiedliche elektrochemisch aktive Materialien und Bauformen führen zu großen Eigenschaftsunterschieden, unter anderem auch bzgl. der für den sicheren und langlebigen Betrieb notwendigen Zusatzkomponenten.

Übliche Einteilungen für Batterien erfolgen nach der Überbrückungszeit und den Anwendungsbereichen portabel, mobil und stationär.

1.1 Energieversorgung allgemein

Energiespeicher sind eine Option zur technischen und wirtschaftlichen Optimierung eines Energieversorgungssystems, weil sie eine schnelle und effiziente Anpassung der Energieerzeugung1) auf den Energieverbrauch ermöglichen. Ohne Energiespeicher, die Energie sowohl aufnehmen als auch abgeben können, müssten sich Erzeugungs- und Verbrauchseinheiten immer mit sehr hoher zeitlicher Dynamik aneinander anpassen. Dies ist oft nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich. Energiespeicher dienen fernerhin als Energiequelle für technische Systeme, die über keine eigene Energieversorgung aus Primärenergieträgern verfügen, sowie zum Anfahren von Anlagen, die in den meisten Fällen nicht ohne die Bereitstellung elektrischer Energie aus einem Energiespeicher oder dem elektrischen Netz gestartet werden können.

Die Nutzung von Batterien ist in vielen Fällen zur Sicherstellung der geforderten Funktionen unverzichtbar. Im Folgenden soll anhand der Beispiele Elektromobilität und Stromversorgungssystem dargestellt werden, dass bei Abschätzungen und Prognosen über die zukünftige Bedeutung von Batterien immer der technische und wirtschaftliche Gesamtzusammenhang sorgfältig zu beachten ist.

Abbildung 1.1 zeigt die Einbindung von Energiespeichern in das Gesamtsystem der elektrischen Energieversorgung und verdeutlicht insbesondere, dass Energiespeicher2) mit vielen technischen Alternativen zur Sicherstellung der geforderten Funktionen konkurrieren. Neben hochdynamischen Erzeugungseinheiten, die ihre Leistungsabgabe im Gegensatz zu konventionellen thermischen Kraftwerken sehr schnell an die momentane Last anpassen können, sind Alternativen zum schnellen Ausgleich zwischen Stromerzeugung und -verbrauch vor allem Lastmanagementsysteme und zuschaltbare Lasten, insbesondere Wärmeerzeuger (Power-to-Heat). Elektrochemische Energiespeicher stehen dabei auch in technischer und wirtschaftlicher Konkurrenz zu anderen Energiespeichertechnologien, siehe dazu [1].

Abb. 1.1 Elektrochemische Energiespeicher als Teil des Stromversorgungssystems.

1.2 Elektrochemische und nicht-elektrochemische Energiespeichertechnologien

Grundsätzlich kann Energie auf sehr unterschiedliche Arten gespeichert werden, d. h. in unterschiedlichen Formen von Energien, nämlich

1. mechanisch, etwa in Form von potenzieller Energie in Pumpspeicherkraftwerken oder in Form von Rotationsenergie bei Schwungrädern,
2. magnetisch, etwa in Form von supraleitenden Spulen,
3. elektrisch, etwa in Form von Doppelschichtkondensatoren,
4. chemisch, etwa durch Speicherung in Form von Wasserstoff,
5. thermisch, etwa in Form von Warmwasserspeichern oder in Dampfkesseln,
6. elektrochemisch, d. h. durch Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie.

Die Tab. 1.1 fasst diese Technologien und die grundlegenden physikalischen Formeln für Sie zusammen.

Bei einigen Energiespeichertechnologien, insbesondere thermischen Speichern, kann die gespeicherte Energie nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand wieder als elektrische Energie dem Gesamtsystem zur Verfügung gestellt werden. Trotz dieser Einschränkung konkurrieren die verschiedenen Energiespeicher bei bestimmten Anwendungen. Strom aus einer Fotovoltaikanlage eines Einfamilienhauses, der nicht unmittelbar verbraucht wird, kann z. B. in einer Batterie gespeichert, über eine elektrisch betriebene Heizpatrone als thermische Energie für die Raumheizung oder Warmwasserversorgung verwendet, durch angebotsabhängiges Zuschalten von Haushaltslasten wie Waschmaschinen oder Kühlschränke genutzt oder in das elektrische Netz für andere Haushalte zur Verfügung gestellt werden. Aus Systemsicht sind diese Alternativen gleichwertig, sodass häufig von speicheräquivalenten Systemen oder funktionalen Speichern gesprochen wird. Bevor in den folgenden Kapiteln elektrochemische Energiespeicher ausführlich besprochen werden, hier einige Kommentare zu nicht-elektrochemischen Energiespeichern.

Tab. 1.1 Verschiedene Energiespeichertechnologien im Vergleich.

a) Erklärung der Symbole: m: Masse, g: Erdbeschleunigung, h: Höhe, p: Druck, V: Volumen, J: Trägheitsmoment, ?: Drehgeschwindigkeit, L: Induktivität, I: Stromstärke, C: Kapazität (in Farad), U: Spannung, n: Stoffmenge, ?rG: freie Reaktionsenthalpie, Ci: Wärmekapazität des Stoffes i, ?T: Temperaturdifferenz, t: Entladungszeit.

Kondensatoren und Ultrakondensatoren

Der Energieinhalt von Kondensatoren ist sehr gering, das gilt selbst für die Gruppe der sog. Ultrakondensatoren oder Superkondensatoren3) (Ultracaps) mit sehr hohen Kapazitäten (Einheit: 1 F = 1 Farad). Bei einer Nennspannung von 2,5 V und z. B. einer Kapazität von 3000 F beträgt der Energieinhalt nur ca. 2,6 Wh, wovon normalerweise nur 75 % technisch entnommen werden können, im Vergleich zu ca. 9 Wh für eine kleine 2,5 Ah Lithium-Ionen-Zelle, die deutlich kompakter, leichter und preisgünstiger ist. Bezogen auf die spezifische Leistung (W/kg) können Ultrakondensatoren aber eine deutlich höhere elektrische Leistung abgeben und werden deshalb in besonderen Anwendungsnischen genutzt.

Ultrakondensatoren haben eine hohe Selbstentladung (sie sind oft innerhalb 24 h komplett entladen) und somit einen hohen Energieverlust im Stand-by-Betrieb. Sie benötigen eine ähnlich aufwendige Ladekontrolle wie Lithium-Ionen-Batterien.

Als Vorteil von Ultrakondensatoren wird ihre sehr hohe Zyklisierbarkeit genannt.

Andere Kondensatortypen wie die klassischen Elektrolytkondensatoren haben eine Kapazität nur im Bereich von Mikro- bzw. Millifarad und weniger und sind daher nicht in der Lage, größere Energiemengen zu speichern, auch wenn ihre Nennspannung sehr hoch ist.

Supraleitende Spulen

Das im Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule vorhandene Magnetfeld speichert nutzbare Energiemengen bei hohem Strom. Nur wenn durch Supraleitung der Widerstand der Spule minimiert wird, sind die Verluste ausreichend gering. Energiespeicher auf Basis der Supraleitung erfordern aber eine aufwendige Kühlung und haben deshalb hohe Stand-by-Verluste. In den 90er-Jahren des 20. Jahrhunderts wurden zur Stabilisierung des Stromnetzes supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) gebaut mit einer Leistung im Bereich von 1 MW für 10 s und einem Energieinhalt von einigen Kilowattstunden.

Schwungräder

Der in Schwungrädern gespeicherte Energieinhalt hängt quadratisch von der Drehzahl ab und ist proportional zum Trägheitsmoment. Langsam drehende Schwungräder (mit bis zu ca. 4000 Umdrehungen/min) sind kommerzielle...