Batteriespeicher Technologie: Lithium-Ionen-Batterien vs. Redox-Flow-Batterien

Ein Systemvergleich

der Batteriespeicher Technologie

Die Batteriespeicher Technologie wird aktuell intensiv diskutiert, da sie ein essenzieller Bestandteil der Energiewende in Deutschland ist. Denn Batteriespeicher dienen vor allem dazu, die volatile Stromerzeugung aus PV- und Windenergieanlagen zwischenzuspeichern, um sie dann bedarfsgerecht wieder zur Verfügung zu stellen. Mit anderen Worten: Die Batteriespeicher Technologie ist für eine erfolgreiche Energiewende ein wichtiger Faktor!

Deshalb wollen wir in diesem Beitrag einige Fragen zur Batteriespeicher Technologie beantworten. Beispielsweise: Welche Batteriespeicher Technologie dominiert aktuell den Markt? Wohin wird sich die Technik der Speicher zukünftig entwickeln? Welche Technologie ist am effektivsten und bringt die beste Wirtschaftlichkeit? Spannende Fragen, die wir nachfolgend diskutieren möchten!

Lithium-Ionen-Batterien

Der aktuelle Stand der Technik

Im Hinblick auf die Batteriespeicher Technologie stellen Lithium-Ionen-Batterien aktuell den bewährten Stand der Technik dar. Sie finden in einer Vielzahl technischer Geräte Anwendung: Ob Smartphone, E-Auto oder gewerbliche Energiespeichersysteme, Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer effizienten und zuverlässigen Leistung in zahlreichen Geräten genutzt.

In den letzten Jahren sind dabei die Preise für Lithium-Ionen-Akkus stetig gesunken, so dass die Beschaffung deutlich attraktiver geworden ist. Hierdurch steigt nicht zuletzt auch die Wirtschaftlichkeit beim Betrieb dieser Batteriespeichersysteme, so dass die Verbreitung dieser Technik, insbesondere bei gewerblichen Anwendungen, rasant zunimmt.

Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien

in der Kurzübersicht

Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus vier Hauptkomponenten: Einer Anode, einer Kathode, einem Elektrolyt sowie einem Separator. Die Vorgänge während des Ladens bzw. Entladens basieren auf elektrochemischen Prinzipien und finden in einzelnen Zellen statt, die jeweils eine positive und eine negative Elektrode enthalten. Die positive Elektrode (Kathode) besteht meist aus Lithium-Kobaltoxid oder Lithium-Eisenphosphat, die negative Elektrode (Anode) in der Regel aus Grafit. Ein wasserfreier Elektrolyt fungiert als Ladungsträger, damit sich die Ionen zwischen den Elektroden bewegen können. Ein Separator trennt die beiden Elektroden voneinander und verhindert so, dass es zum Kurzschluss kommt. Gleichzeitig ist er durchlässig für die Lithium-Ionen und ermöglicht so einen kontrollierten Stromfluss.

Während des Ladevorgangs fließen die Ionen durch einen externen Stromkreis von der Kathode zur Anode und werden dort im Grafit eingelagert. Beim Entladevorgang fließen die Ionen wieder zur Kathode, wobei Elektronen abgegeben werden, die dann den elektrischen Strom erzeugen.

Vorteile von Lithium-Ionen-Systemen

im Überblick

Lithium-Ionen-Batterien sind als Batteriespeicher Technologie weit verbreitet, da sie eine hohe Leistungsfähigkeit und Energiedichte besitzen. Das bedeutet, dass sie zugleich relativ klein und leicht sind, dennoch aber verhältnismäßig viel Energie speichern können. Ihr kompakter Aufbau macht sie deshalb ideal für mobile Anwendungen wie tragbare Geräte oder Elektroautos, aber auch für stationäre Anwendungen in Batteriegroßspeichern spielen sie eine große Rolle.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sie sich im Vergleich zu anderen Batteriespeicher Technologien relativ schnell aufladen lassen. Auch der sogenannte Memory-Effekt, welcher beispielsweise bei Nickel-Cadmium-Akkus vorkommen kann, tritt bei Lithium-Ionen-Batterien nicht auf. Der Memory-Effekt bezeichnet einen Kapazitätsverlust, der auftreten kann, wenn die Batterie vor dem erneuten Aufladen nicht vollständig entladen worden ist. Die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien wird sich auch in Zukunft weiter positiv entwickeln, so dass mit sinkenden Kosten bei steigender Effektivität gerechnet werden kann. Die Vorteile dieser Batteriespeicher Technologie im Überblick:

• Hohe Leistungsfähigkeit der Batterien
• Hohe Energiedichte im System
• Schnelles Beladen / Entladen möglich
• Kompakter Aufbau in skalierbaren Containersystemen

Bei Lithium-Ionen-Batterien muss die potenzielle Erhitzung und eine daraus resultierende Brandgefahr im Blick behalten werden. Hierfür sind geeignete Kühl- und Brandschutzsysteme vorzusehen, die im Rahmen des Genehmigungsverfahrens mit einem Brandschutzgutachten nachzuweisen sind. Die Kühlung des Batteriesystems ist letztlich auch für die Standfestigkeit bzw. Haltbarkeit sehr wichtig, da hierüber der Verschließ der Batterien gering gehalten werden kann. In der Regel sind moderne Lithium-Ionen-Batterien mehrere Jahre mit bis zu 10.000 Zyklen lang nutzbar. Nach dieser Zeit muss nicht das ganze System erneuert werden, sondern es kann ein “Repowering” der Batterien erfolgen.

(Vanadium-) Redox Flow Batterien

als alternative Lösung zur Energiespeicherung

Redox-Flow-Batterien sind eine nicht ganz neue Erfindung. Die Technologie stammt bereits aus der Mitte des 20. Jahrhunderts und ist momentan eine vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, gerade was den Aspekt Brandschutz und Sicherheit angeht. Es handelt sich bei dieser Batteriespeicher Technologie um Flüssigbatterien, deren Funktionsweise ebenfalls auf einem elektrochemischen Prinzip beruht.

Die Bezeichnung „Redox“ steht für „Reduktion“ und „Oxidation“. Diese beiden Vorgänge beschreiben die Aufnahme von Elektronen (Reduktion), beziehungsweise die Abgabe von Elektronen (Oxidation) und sind essenziell, um die Funktionsweise dieser Batteriespeicher Technologie zu verstehen. Eine Redox-Flow-Batterie besteht aus zwei Tanks, die jeweils mit einer unterschiedlich hoch konzentrierten Elektrolytlösung gefüllt sind. Diese Lösungen enthalten Metallionen, die in der Lage sind, Elektronen aufzunehmen oder abzugeben. Häufig wird hierfür beispielsweise Vanadium in einem hohen und einem niedrigen Oxidationszustand verwendet.

Die eigentlichen Vorgänge laufen in einer separaten Zelle ab, welche aus zwei Elektroden und einer Membran besteht. Die Membran trennt die beiden Flüssigkeiten in der Mitte der Zelle und verhindert ihre Durchmischung, da nur ein Teil der Ionen hindurch gelangen kann. Beim Laden wird nun elektrischer Strom zugeführt, wodurch sich der Oxidationszustand der Ionen verändert und chemische Energie in der Lösung gespeichert wird. Beim Entladen wird die Redox-Reaktion umgekehrt und die chemische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt.

Die Vorteile von Redox-Flow-Batterien

in der Zusammenstellung

Wie auch jede andere Batteriespeicher Technologie besitzen Redox-Flow-Batterien gewisse Vor- und Nachteile gegenüber den anderen Varianten. Ein großer Pluspunkt dieser Batteriespeicher Technologie besteht in ihrer Langlebigkeit, da sie über eine unbegrenzte Zyklenzahl verfügen und damit eine deutlich höhere Lebensdauer besitzen als Lithium-Ionen-Batterien. Durch die Flüssigkeitsfüllung nutzen sich die Materialien dieser Batteriespeicher Technologie auch weniger stark ab, so dass ein Einsatz bis zu 20 Jahre möglich ist. Die Sicherheit von Redox-Flow-Batterien ist sehr gut, da hier kein erhöhtes Brandrisiko besteht.

Die Batteriespeicher Technologie mit Redox-Flow-Batterien bietet darüber hinaus den Vorteil, dass sie schnell in den Betriebszuständen reagieren kann, was sie z.B. für Peak-Shaving ideal macht. Darüber hinaus speichert diese Batteriespeicher Technologie die Energie über lange Zeiträume, ohne sich dabei selbst zu entladen. Außerdem besitzen Redox-Flow-Batterien eine gute Skalierbarkeit. Dabei können sowohl die die Leistung als auch die Kapazität einfach und unabhängig voneinander durch größere Tanks bzw. Elektroden erweitert werden. Im Hinblick auf die Nachhaltigkeit haben Redox-Flow-Batterien gewissen Vorteile, da für diese Batteriespeicher Technologie weniger seltene Rohstoffe eingesetzt werden müssen.

Nachfolgend die Vorteile dieser Batteriespeicher Technologie in der kurzen Zusammenfassung

• Langlebigkeit bis zu 20 Jahre
• Gut geeignet für Peak Shaving
• Einfache Skalierbarkeit
• Es kommen weniger seltene Rohstoffe zum Einsatz
• Kein erhöhtes Brandrisiko

Eine Technik mit Potenzial

Im Vergleich mit Lithium-Ionen-Systemen haben die Redox-Flow-Batterien den Nachteil, dass sie eine deutlich geringere Energiedichte besitzen. Dadurch benötigen sie deutlich mehr Platz bzw. Raum, um vergleichbare Speicherkapazitäten zu Lithium-Ionen-Systemen zu erreichen. Für mobile Anwendungen kommen sie deshalb bis jetzt selten zum Einsatz, sondern sind eher in stationären Systemen verbreitet.

Zudem kann es durch innere Widerstände und die Membran zu Energieverlusten kommen, weshalb der Wirkungsgrad von Redox-Flow-Batterien mit ca. 70-80% deutlich unterhalb den Wirkungsgraden von Lithium-Ionen-Batterien liegt. Aktuell sind Redox-Flow-Batterien hinsichtlich der Anschaffungskosten noch relativ teuer. Das liegt zum einen an dem kleineren Marktanteil, dem komplexeren Aufbau und teilweise auch dem Einsatz spezieller Rohstoffe wie Vanadium, welches oftmals großen Preisschwankungen unterliegt. Es kann aber davon ausgegangen werden, dass auch hier Potenziale schlummern, die diese Technik mit der Zeit zunehmend attraktiver machen!

Starkes Beschaffungsnetzwerk

Lithium-Ionen vs. Redox-Flow-Batterien

Welche Batteriespeicher Technologie ist die bessere Wahl?

Welche Batteriespeicher Technologie für ein Projekt in Frage kommt, hängt sicherlich immer vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Momentan werden viele Großbatteriespeicher-Projekte mit Lithium-Ionen-Batterien ausgestattet, da sich hier aktuell sehr gute Wirtschaftlichkeiten erzielen lassen. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Eigenschaften beider Speichertypen noch einmal gegenübergestellt.

Kriterium	Redox-Flow-Batterie	Lithium-Ionen-Batterie
Lebensdauer/ Zyklenfestigkeit	Sehr hoch (bis zu 20 Jahren / ca. 20.000 Zyklen)	Je nach Anwendung bis zu 10.000 Zyklen
Wirkungsgrad	70-80%	85-95%
Kosten	Höher (pro kWh)	Niederiger (pro kWh)
Energiedichte	Eher niedrig, viel Platzbedarf	Hoch, platzsparend
Skalierbarkeit	Gut erweiterbar	Erweiterbar mit Begrenzung
Selbstentladung	Kaum Selbstentladung	Kann sich mit der Zeit selbst entladen
Sicherheit	Geringe Brandgefahr, geringes Risiko der Überhitzung	Leicht entflammbar, schnellere Überhitzung
Nachhaltigkeit	leichter zu recyceln	Seltene Rohstoffe verarbeitet
Anwendungsgebiet	Stationäre Anwendung mit langer Speicherdauer	Stationär als auch mobil

Warum aktuell die Lithium-Ionen-Batterien den Markt der Großbatteriespeicher-Projekte dominieren wird in dieser Gegenüberstellung sehr deutlich. Denn an vielen Standorten sind die Faktoren geringe Kosten, hoher Wirkungsgrad sowie wenig Platzbedarf entscheidende Kriterien für die Auswahl der Batteriespeicher Technologie. In diesen drei Bereichen haben aktuell die Lithium-Ionen-Speicher die Nase vorn!

Entwicklung des Marktes

bei den Speichertechnologien

In Deutschland ist nach wie vor die Lithium-Ionen-Batterie die am häufigsten verwendete Batteriespeicher Technologie. Lithium-Ionen Batteriespeicher arbeiten effizient, zuverlässig und sind, was die Kosten betrifft, sehr erschwinglich. Redox-Flow-Batterien werden zunehmend nachgefragt und werden wohl auch in Zukunft wachsende Marktanteile einnehmen. In einigen asiatischen Ländern sowie den USA sind sie bereits eine etablierte Lösung auf dem Markt und auch rentabel. In Deutschland ist der Markt demgegenüber noch verhältnismäßig klein, wobei das Forschungsinteresse und auch staatliche Förderungen zunehmen. An organischen Lösungen, die vollständig auf Metalle wie Vanadium verzichten und dadurch umweltfreundlicher sind, wird aktuell noch geforscht.

The Future of Energy – mit den Experten von FAVEOS

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