Elektrochemische Energiespeicher als Schlüsseltechnologie zur Erreichung der Klimaschutzziele B E R N H A R D R I E G E L Die Loslösung von fossilen Energieträgern zur Reduzierung des CO 2 -Ausstoßes sowohl in stationären als auch mobilen Anwendungen ist ohne Speicherung elektrischer Energie technologisch nicht realisierbar. Bei der Energiespeicherung zeichnet sich aus heutiger Sicht zumindest im Bereich kleiner bis mittlerer Leistungen und Energiemengen ein Vorteil der elektrischen Speicherung gegenüber den meisten anderen physikalischen Speichern ab, da mit ihr die Wirkungsgradverluste bei der Energietransformation am niedrigsten sind. Die Erreichung der Klimaschutzziele, wird vor allem von der Weiterentwicklung der Batterietechnik bestimmt. Neben der Erhöhung der Energiedichte spielen insbesondere Gewicht, Lebensdauer und Kosten eine Rolle. N e u e A n w e n d u n g s g e b i e t e f ü r e le k t ro c h e m i s c h e E n e rg i e - s p e i c h e r Zu den traditionellen Anwendungsgebieten für elektrochemische Energiespeicher im Industriebereich zählen die Energiebereitstellung und -absicherung, die Telekom-, IT- und Bahntechnik, die Notfall- und Sicherheitstechnik, die Medizintechnik sowie der Logistikbereich. Elektrochemische Energiespeicher sind eine Schlüsseltechnologie. Das gilt nicht nur für die Elektromobilität, sondern auch für die Integration der Erneuerbaren Energien. Wichtiges Element der Klimaschutz- und Energiepolitik der Bundesregierung ist der ökologische und ökonomische Ausbau der erneuerbaren Energien um die Energiesicherheit nachhaltig zu gewährleisten. Stromspeicher unterstützen die Integration erneuerbarer Energien, indem sie nicht integrierbare Erzeugungsleistung aufnehmen, zur Residuallastglättung beitragen und flexibel Regelenergie bereitstellen können. In diesem Sinn wird sich in Zukunft die Bedeutung von Speichern bei der Integration erneuerbarer Energien noch verstärken. Energiespeicher werden die Zukunft der Energieversorgung wesentlich prägen. Große Batterien sollen Schwankungen bei Einspeisung und Nachfrage ausgleichen und helfen, Stromnetze zuverlässiger und wirtschaftlicher zu betreiben. Dadurch lassen sich auch erneuerbare Energien wie Sonne und Wind breiter nutzen. Autonome Energieversorgungszentren können ebenso entstehen wie dezentrale Versorgungssysteme, die auf Energiespeicherung angewiesen sind. Insbesondere netzgekoppelte Photovoltaikanlagen im Kontext des Erneuerbaren-Energie-Gesetz (EEG) stellen eine interessante Anwendung für elektrochemische Energiespeicher dar. Dabei werden Batterien als Energiespeicher zur Förderung von Photovoltaik-Eigenverbrauch im Smart Grid der Zukunft genutzt. Zukünftige Herausforderung an Privathaushalten wird die Energieautonomie darstellen. Dies bedeutet die Erzeugung und Nutzung der eigen produzierten Elektrizität. Die Auf- 10 SOLARZEITALTER 1 2011
gabe des Energiespeichers besteht dann darin, die überschüssige Photovoltaik-Energie solange zu speichern, bis sie benötigt wird. Die tagsüber mit einer Leistungsspitze am Mittag produzierte Photovoltaik-Energie muss zu allen Zeiten nach Bedarf zur Verfügung stehen. Dadurch wird sowohl der lokale Verbrauch maximiert als auch die Effizienz der Photovoltaik-Anlage erhöht. Nur überschüssige Energie wird dann in das Netz eingespeist, die dem Besitzer der Photovoltaik-Anlage unter Umständen während der Zeiträume mit Spitzenverbrauch mit einem höheren Tarif vergütet werden kann. D e r E n e rg i e s p e i c h e r a l s S c h l ü s - s e l t e c h n o lo g i e f ü r d i e E le k t ro - m o b i l i t ä t In den letzten Jahren rückt der Umweltschutz und somit die Reduktion der Emissionen, besonders im Personentransferverkehr und im Schwerlastverkehr, in den Vordergrund der Entwicklungen. Besonders die Belastungen in Städten sollen verringert werden. Die Hybridtechnologie zeigt, dass die Elektrifizierung des Antriebsstranges eine gute Option auf dem Weg zur Minimierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen darstellt. Das Anwendungsfeld erstreckt sich von Startergeneratoren über Mild- und Full-Hybrids bis zur Reichweitenvergrößerung, gefolgt von Brennstoffzellen- bzw. Elektrofahrzeugen. Welcher Grad der Elektrifizierung sich letztendlich durchsetzt, wird vor allem von der Weiterentwicklung der Batterietechnik bestimmt. Neben der Erhöhung der Energiedichte spielen insbesondere Gewicht, Lebensdauer und Kosten eine Rolle. Dabei können sich durch Fortschritte auf dem Gebiet der Batterietechnologie in Zukunft durchaus Verschiebungen zugunsten der reinen batteriebetriebenen Elektroautos ergeben. Vergleich von Energiespeichersystemen Tabelle 1: Vergleich unterschiedlicher elektrochemischer Speicher SOLARZEITALTER 1 2011 11
Die mit Strom betriebenen Fahrzeuge liefern vor allem dann einen Beitrag zum Thema Klimawandel und verknappender Ressourcen, wenn sie vorwiegend mit regenerativ erzeugtem Strom fahren. Im Bereich der Elektromobilität stellen somit die EV (Electrical Vehicle) und PHEV (Plug In Hybrid Electrical Vehicle) eine Schlüsselfunktion dar. Diese Batteriesysteme sind mit dem elektrischen Netz direkt verbunden und können in Zukunft als virtuelles Kraftwerk genutzt werden und stellen somit ein hohes Potential dar, stochastische Energieerzeuger wie Wind und Photovoltaik in das Netz zu integrieren. Die für diese Antriebskonzepte benötigten Energiespeicher zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte (HE, High Energy) aus und werden zyklisch durch nahezu vollständiger Kapazitätsentnahme belastet. K o m m e r z i e l l v e r f ü g b a re e le k t ro - c h e m i s c h e E n e rg i e s p e i c h e r Die wichtigsten industriellen elektrochemischen Energiespeichersysteme die kommerziell verfügbar sind, stellen derzeit die Blei-Säure-Batterie, die alkalischen Batterien NiCd (Nickelcadmium), NiMH (Nickelmetallhydrid) sowie Lithium-Ionen Batterien dar. Für den Einsatz in stationären Anwendungen haben sich insbesondere Blei-Säure-Batterien sowie Nickelcadmiumbatterien bewährt. Für den Einsatz im Bereich der Elektromobilität verschiebt sich derzeit die für Hybridfahrzeuge verwendete NiMH-Technologie zugunsten der Lithium-Ionen Technologie, welche die höchste Energie- und Leistungsdichte aufweist. Ein Vergleich der unterschiedlichsten Eigenschaften der elektrochemischen Speicher ist in Tabelle 1 aufgeführt. Abbildung 1: Gitter und Elektrode einer positiven zyklenfesten Panzer-Elektrode (OPzV). Bei den Blei-Säure-Batterien unterscheidet man zwei Typen von Systemen, geschlossene und verschlossene Batterien. Bei den geschlossenen Bleibatterien liegt der Elektrolyt (Schwefelsäure) in flüssiger Form vor. Das Batteriesystem ist ein offenes Design und steht unmittelbar mit der Atmosphäre in direktem Austausch. Diese Art von Bleibatterien werden als wartungsarm bezeichnet, wobei in regelmäßigen Abständen Wasser nachgefüllt werden muss. Vorteile dieser Batterien sind eine hohe Zyklenlebensdauer und ein robustes Design. Bei verschlossenen Bleibatterien ist der Elektrolyt (Schwefelsäure) entweder in einem Vlies oder in einem Gel fixiert. Die Batterie steht über ein Überdruckventil mit der Atmosphäre im Austausch. Die Vorteile dieses Typs liegen in der Wartungsfreiheit, der hohen Energiedichte sowie der geringeren Belüftungsanforderung für den Aufstellungsraum. Der Wasserverlust bei diesem Batterietyp beeinflusst jedoch direkt die Lebensdauer. Die derzeit für Solaranwendung bevorzuge Bleibatterie stellt die OPzV Blei-Säure-Batterie dar (ortsfeste, Panzerplatte, verschlossen). Dabei handelt es sich um eine wartungsfreie Bleibatterie, bei der der Elektrolyt im Gel fixiert ist, und welche aufgrund der positiven Elektrode (Panzerplatte, Abb. 1) eine hohe Zyklenlebensdauer aufweist. 12 SOLARZEITALTER 1 2011
Der Energiedurchsatz einer Blei-Säure-Batterie wird bestimmt durch die Summe der entnommenen Energiemenge pro Zyklus (Entladung). Je weniger Energie pro Entladung entnommen wird, desto höher ist die Zyklenzahl die die Batterie über die Lebensdauer erreicht sowie der zu erzielende Energiedurchsatz (Abb. 2). Somit erreicht man einen um ca. 25% höheren Energiedurchsatz bei einer Bleibatterie, bei der Reduzierung der Energieentnahme von 80% auf 20% pro Zyklus, bei 20 C. Aufgrund der Kosten und der Verfügbarkeit stellt die Batterietechnologie im Bereich der Solaranwendungen und stationären Anwendungen derzeit die bevorzugte Technologie dar. Des Weiteren ist eine nahezu 100%ige Wiederverwertung durch einen etablierten Recyclingkreislauf gewährleistet (Abb. 3). Durch Weiterentwicklungen im Bereich innovativer Materialien konnte die Blei-Säure Batterie für solare Anwendungen optimiert werden. Insbesondere durch neuartige Kohlenstoffzusätze in den Aktivmaterialien wurde die Ladbarkeit (Stromaufnahme) sowie die Zyklenlebensdauer in solaren Anwendungen deutlich verbessert. Eine Kostenreduktion für Bleibatterien für solare Anwendungen ist durch Designoptimierungen, abweichend von heutigen DIN Vorgaben und Massenproduktion realisierbar. Die Lithium Batterietechnologie die derzeit vor allem in Consumergeräten (Handy, Laptops) eingesetzt wird, hat bezogen auf Volumen und Energiespeicher das Potential, elektrische und Hybrid- Antriebe marktfähig zu machen. Die spezifische Leistungsdichte von Lithium- Ionen Batterien liegt zwischen 300 bis 2000 W/kg. Die Energiedichte ist etwa doppelt so hoch wie beispielsweise die des Nickel-Cadmium-Akkumulators und viermal so hoch wie Bleiakkumulatoren und liegt bei 100 bis 200 Wh/kg (Tab.1). Ein konventioneller Li-Ionen-Akku liefert eine Nennspannung von 3,6 Volt, die damit rund dreimal so hoch wie die eines Nickel-Metallhydrid-Akkumulators (NiMH-Akku) ist. Die Lade- Abbildung 2: Zyklenzahl in Abhängigkeit von der Entladetiefe SOLARZEITALTER 1 2011 13
Abbildung 3: Batteriekreislauf für Blei-Säure-Batterien. schlussspannung liegt bei 4,2 Volt. Die Entladeschlussspannung beträgt 2,5 Volt. Eine Lithiumzellen besteht aus einer kohlenstoffhaltigen negativen Elektrode und einer positiven Lithium Übergangsmetalloxid-Elektrode. Beim Laden werden Lithium-Ionen von dem positiven Elektrodenmaterial ausgelagert und in das negative Elektrodenmaterial eingelagert und bilden mit dem Kohlenstoff eine Interkalationsverbindung. Beim Entladen findet der umgekehrte Prozess statt (Abb.4). LiCoO 2 LiNiO 2 mixed LiMn 2 O 4 Graphite Hard Carbons LiFe 2 PO 4 Abbildung 4: Elektrochemische Reaktion in einer Lithium-Ionen Zelle 14 SOLARZEITALTER 1 2011
Unterschiedliche Eigenschaften beeinflussen die Wahl und die Eignung des Batteriesystems für eine bestimmte Anwendung. Insbesondere die Lebensdauer, Zuverlässigkeit, Leistung, Verfügbarkeit, Sicherheit und Kosten stellen die Kriterien für die Auswahl des Energiespeichers dar (Abb. 5). Das Lithium-Batteriesystem besticht bereits heute durch seine hohe Energiedichte und Leistungsdichte. Diese kann durch die Vielfalt der möglichen Aktivmaterialien noch weiter gesteigert werden. Gleichzeitig zielen die Entwicklungen auf die Verbesserung der Sicherheit und der Kosten (Life Cycle Cost). Die Kombinationsbreite verschiedener geeigneter Materialien ist bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Neue Kathoden- und Anodenmaterialien sowie Nanokomposite und neue Zellkonzepte bieten Entwicklungspotential für weitere Verbesserungen und neue Anwendungen. Die alkalischen Batteriesysteme NiMH (Nickelmetallhydrid) und NiCd (Nickelcadmium) weisen einen ähnlichen mechanischen Aufbau auf und liefern pro Zelle je 1,2 V. NiCd-Batterien für industrielle Anwendungen droht ein Verbot für Massenanwendungen durch die Europäischen Gemeinschaft, das immer wieder geplant und dann auch wieder zurückgenommen wird. Nickel-Metall-Hydrid-Batterien sind zunächst vor allem auch als Ersatztechnologie für NiCd-Batterien entwickelt worden. Die Energiedichte einer NiMH-Zelle beträgt etwa 60 bis 80 Wh/kg und weist die meisten der positiven Eigenschaften der NiCd-Batterien bis auf das Tieftemperaturverhalten auf. Abbildung 5: Batterieeigenschaften In den derzeit am Markt verfügbaren Hybridfahrzeugen sind fast ausschließlich NiMH-Batterien eingesetzt, da diese robust sind und ein geringeres Risiko als Lithium-Batterien darstellen. Jedoch ist mit einem vollständigen Ersatz im automobilen Bereich durch Lithium-Ionen bis 2015 zu rechnen. Der Wirkungsgrad liegt auch aufgrund der geringen Zellspannung von nur 1,2 V nur bei etwa 80 % (gegenüber 90 bis 95 % bei Lithium-Ionen-Batterien und 80 bis 90 % bei Blei-Batterien). Die Ladbarkeit der NiMH-Batterien nimmt bei Temperaturen über 45 C erheblich ab und auch die Entladbarkeit bei Temperaturen um -20 C ist für viele Anwendungen nicht mehr ausreichend. Die Kosten liegen über denen der Lithium- Ionen-Batterien, daher ist der zukünftige Einsatz dieser Technologie auf spezielle Anwendungen und Märkte beschränkt. A u s b l i c k Für die stationäre Energiespeicherung mittels elektrochemischer Speicher, stellt zum heutigen Zeitpunkt ausschließlich die Blei-Säure Technologie aufgrund der Verfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit und einem etablierten Recyclingkreislauf die Speichertechnologie der Wahl dar. Die Blei-Säure Batterie kann durch Optimierungen anwendungsspezifisch weiterentwickelt werden. Für die Elektromobilität ist aufgrund der benötigten Energie- und Leistungsdichten, ausschließlich die Lithium- Ionen-Technologie einsetzbar. Durch Skaleneffekte durch Massenproduktion, die mit der Elektromobilität ein her gehen, können Kostenziele SOLARZEITALTER 1 2011 15
erreicht werden, welche einen wirtschaftlichen Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in stationären Anwendungen sinnvoll machen. Mit Kostenzielen von < 300 /kwh für Lithium-Ionen Batteriesysteme, ist jedoch erst infolge der Einführung von einer flächendeckenden Elektromobilität also nicht vor 2020 zu rechnen. Z u s a m m e n f a s s u n g Die Elektrizität wird der wichtigste Energieträger der Zukunft darstellen. Die Verschmelzung der Elektrizitätserzeugung und der Mobilität eröffnet ein gewaltiges technisches und wirtschaftliches Potential. Zur Lithium-Ionen-Batterie als Hochleistungsbatterie mit geringem Gewicht gibt es derzeit keine Alternative im Bereich der Elektromobilität. Besonders die hohe Leistungsdichte, hohe Leistungsaufnahmefähigkeit, die zu erwartende Zuverlässigkeit, der hohe Wirkungsgrad, sowie ihre Wartungsfreiheit sind überzeugende Argumente für ihren Einsatz. Im Bereich der Integration der Erneuerbaren Energien in stationären Anwendungen stellt die Blei- Säure-Technologie als elektrochemische Speicherform die derzeit präferierte Technologie dar. Kostenreduktion der Lithium-Ionen Technologie die von der flächendeckenden Einführung der Elektromobilität erwartet wird, kann dabei zukünftig andere Speicherformen in stationären Anwendungen substituieren. Die Lithium-Ionen Technologie stellt somit eine Schlüsselfunktion im Bereich der Mobilität und der Integration von erneuerbaren Energieerzeuger ins Netz dar. Dr. Bernhard Riegel ist Leiter Forschung und Entwicklung für den HOPPECKE Konzern. Kontakt: bernhard. riegel@ hoppecke. com, www.hoppecke.com 16 SOLARZEITALTER 1 2011