Energiespeicher-Debatte: Weg vom Wunderspeicher

Auf der weltgrößten Speicherkonferenz, der Energy Storage 2015, forderte der CEO des Batteriespezialisten Leclanché, Anil Srivastava, als Keynote-Sprecher eine Neujustierung der Energiespeicher-Debatte. Anstatt sich auf den Wettbewerb zwischen den Speichertechologien zu fokussieren und nach dem alleinigen Wunderspeicher zu suchen, sollte die Branche die Stärken unterschiedlicher Speichertechnologien in gemischten Systemen nutzen.

Die Speichertechnologiebranche hat Grund zum Optimismus: Laut EuPD Research wird sich allein in Europa die kumulierte Photovoltaik (PV)-Speicherkapazität bis zum Jahr 2020 auf knapp 1,9 Gigawattstunden belaufen. Hierzulande erwarten die Analysten jährlich etwa 45.000 Neuinstallationen.

Damit bleibt Deutschland auf absehbare Zeit der führende PV-Speichermarkt in Europa – vor Großbritannien, Italien, Frankreich und den Benelux-Staaten. Dennoch: Diese positiven Erwartungen bilden nur die Spitze des verwirklichbaren Marktpotenzials. Weltweit errechnete die Organisation REmap, dass sich der Anteil der erneuerbaren Energien bis 2030 auf mindestens 40 Prozent verdoppeln muss, um die negativen Auswirkungen des Klimawandels abzuwenden. Dafür seien zusätzliche Speicherkapazitäten von 150 Gigawatt notwendig. Nach Branchen geordnet zeigt die Unternehmensberatung McKinsey, dass allein der weltweite Anteil des elektrischen Transports von zehn Prozent bis 2020 eine Nachfrage von 60 Milliarden Dollar in der Batterieindustrie nach sich ziehen wird. Gestützt wird dieser Trend durch den Ausbau smarter Stromnetze. Hier sehen die Experten ein Potenzial von bis zu 24 Milliarden Dollar, allein fünf Milliarden Dollar entfallen dabei auf Lithium-Ionen-Produkte.

Die Anwendung sucht sich die Batterie

Um diese und andere vielversprechenden Chancen vollständig zu verwirklichen, muss die Speicherindustrie auch künftig ihre Innovationskraft unter Beweis stellen. Es gilt nun mögliche Skaleneffekte zu nutzen, um so Systemkosten und Total Cost of Ownership weiter reduzieren zu können. Im Hinblick auf die historische Entwicklung unterschiedlicher Hersteller und Ideen zeigt sich aber, dass die Energiespeicherdebatte momentan noch sehr stark auf die Vor- und Nachteile einzelner Speichertechnologien ausgerichtet ist. Mehr denn je gilt der Leitsatz: Die Speicheranwendung sucht sich die Batterietechnik.

Unterschiedliche Fähigkeiten nutzen

Je mehr die Komplexität des Nutzungsszenarios steigt, desto wichtiger sind unterschiedliche Fähigkeiten der Systeme. Denn oftmals unterscheiden sich die Anforderungen an die Kapazitäten und die verfügbaren Leistungen teilweise enorm: Manche Anwendungen benötigen eine hohe und schnell verfügbare Leistung.
In anderen Fällen sind günstige Speicher mit langanhaltender Kapazität gefragt. Gegebenenfalls wird eine Fähigkeit nahtlos im Anschluss an die andere benötigt. Solange es keinen Speicher gibt, der alle Anforderungen gleich gut erfüllen kann, werden Batterien nicht entsprechend ihrer Leistungsfähigkeiten eingesetzt. Denn entweder werden eine Überdimensionierung, eine eingeschränkte Lebensdauer oder eine suboptimale Nutzung billigend in Kauf genommen.

Hybridsysteme bieten neue Lösungsansätze

Nicht zuletzt aus Gründen der Effizienz sollte der Einsatz gemischter Hybridsysteme den derzeit vorherrschenden Wettbewerb zwischen den Speichertypen beenden oder zumindest ergänzen. Denn es wird zum Beispiel mehr erreicht, wenn intelligente Software die Stärken unterschiedlicher Speichertechnologien nahtlos verbindet – das gilt für stationäre Anwendungen genauso wie für die Elektromobilität. Das Rezept oder die Zutaten variieren in Abhängigkeit der einzelnen Variablen des jeweiligen Einsatzszenarios, die letztlich die Art und Weise der Ladezyklen definieren.
Dass Lithium als Hauptingredienz inzwischen andere Materialien im Großen und Ganzen in ihre Schranken verwiesen hat, liegt an der vergleichsweisen hohen Energiedichte. Allerdings differiert die Energiedichte von Subtyp zu Subtyp, und von diesen Unterarten gibt es mehrere.

Titanat-Technologie und Graphit-Konzepte

Besonders gut ergänzen sich bei Lithium-Ionen-Speichern Mischungen aus unterschiedlichen Anodenmaterialien wie Titanat und Kohlenstoff (Graphit). Titanat-Technologie gilt als besonders sicher und robust. Sie bildet eine hervorragende Basis für energieintensive Anwendungen mit hoher Frequenz. Mit knapp 15.000 Be- und Entladezyklen verfügen die Zellen mit bis zu 20 Jahren über eine sehr hohe Lebensdauer. Ihr Entladungsgrad (Depth of Discharge – DoD) liegt bei bis zu 100 Prozent. Anders als andere Zelltypen lassen sich Lithium-Titanat-Akkus sogar noch großteils wiederbeleben, wenn – etwa durch Anwendungs- oder Regelelektronikfehler – der Ladezustand komplett auf Null gefallen ist. Der Nachteil der etwas niedrigeren Energiedichte von Titanat-Zellen, lässt sich durch Graphit-Konzepte ausgleichen. Graphit-Zellen verfügen über eine höhere Energiedichte und lassen sich besonders gut bei Anwendungen einsetzen, die geringes Gewicht und wenig verbrauchtes Volumen erfordern. Dabei ist die Zelle auf etwa 8000 Be- und Entladezyklen und 80 Prozent DoD begrenzt. IhreLebensdauer entspricht etwa zehn Jahre.

Die Mischung macht den Unterschied

Einsatz und Stärke der chemischen Mischung bestimmt die Anwendung: Im Transportwesen ist zum Beispiel der Einsatz von Hybridsystemen in Elektrobussen sehr vorteilhaft. Speziell in der Beschleunigungsphase wird ein schneller Speicher mit hoher Kapazität benötigt. Gleichzeitig müssen sie in der Lage sein, eine hohe Zahl an Haltestationen zu bewältigen. Weil diese mit vielerlei An-und Abfahrten verbunden sind, sollten sie durch Systeme mit hoher Energiedichte unterstützt werden. Multitechnologische Batteriesysteme, in denen unterschiedliche Batterietypen nahtlos verschiedene Aufgaben übernehmen, sind hier die beste Lösung.
Dieses Einsatzszenario ist auch auf Schienenzüge, Schleppdampfer oder Fährboote übertragbar. Diese legen in der Regel lange Strecken zurück, ohne regelmäßig an Ladestationen halt machen zu können. Auch mobile Lastenkräne oder Industriemaschinen profitieren von gemischten Systemen, die sich mit Dieselaggregaten zur Wiederbeladung der Batterie koppeln lassen.

Direkt an der Quelle ansetzen

Die Frage nach dem besten Systemdesign stellt sich aber nicht nur für Anwendungen in Fahrzeugen. Auch für die Entwicklung einer leistungsfähigen und flexiblen Netzarchitektur, die große Mengen fluktuierender erneuerbarer Energien zu bewältigen hat, müssen intelligente Maßnahmen getroffen werden. Anstatt Schwankungen in der Stromnachfrage durch immer mehr Leitungskapazitäten abzufangen, sollte direkt an der Quelle angesetzt werden. Dabei liegt es an den Strom- und Netzanbietern, Speicher als intelligente Netzwerkressource zu nutzen. Langfristig ist dies wirtschaftlicher, anstatt jeden erneuerbaren Energieerzeuger mit einem eigenen Speicher auszustatten.

Multitechnologie hilft

Um beispielsweise Überkapazitäten von Windfarmen im Rahmen eines Peak Shiftings abzufangen, werden Anwendungen mit hoher Speicherkapazität im Bereich mehrerer Megawattstunden und mittlerer Reaktionszeit zur Ladung benötigt. Gleichwohl müssen diese Systeme während ihrer langjährigen Laufzeit in der Lage sein, hohe Zyklenzahlen zu ermöglichen. Bei der Frequenz- und Spannungsregulierung einer Speicheranlage zum Netzmanagement werden Speicher mit einer etwas geringeren Kapazität benötigt. Allerdings müssen diese Anwendungen über eine schnelle Reaktionszeit zur Entladung sowie über eine hohe Zyklenzahl verfügen, um verlässliche Lastenausgleiche zu garantieren. Auch bei Lastspitzenausgleichen in der Industrie oder Privathaushalten, dem Peak Shaving, variieren die Anforderungen an die Systeme. Dabei kann der Speicherbedarf bei einer schnellen Be- und Entladungszeit zwischen einigen wenigen Kilowatt- und mehreren Megawattstunden sowie einer mitt-
leren Zyklenzahl liegen. Dabei passt sich ein gemischtes System dem jeweiligen Nutzungsprofil exakt an. Mit Hybridsystemen lassen sich die immer komplexeren Anwendungsszenarien im Bereich Energieversorgung nachhaltig und sinnvoll bewerkstelligen. Davon profitieren stationäre Anwendungen sowie Anwendungen für die Elektromobilität gleichermaßen. Innovative Hersteller werden diese Technologie weiter vorantreiben, die Systemkosten auf diese Weise weiter senken und so die Zukunft der Energieversorgung mit gestalten.

Autor: Anil Srivastava, CEO bei Leclanché