Elektrochemische Speicher

Die Nutzung von Wind- und Solarenergie, Gezeitenkraft und Biomasse stellt neue Herausforderungen an die Stabilität von Leitungsnetzen. Elektrochemische Speicher können ein Baustein einer intelligenten und dezentralen Energieversorgung sein. Das erste Kapitel stellt die maßgeblichen Typen von Energiespeichern vergleichend dar.

Die Geschichte des Kondensators beginnt im Zeitalter des Barock eher spielerisch und endet bei visionären Hybridsystemen aus Kondensatoren und Batterien. Das Kapitel beleuchtet Eigenschaften, Materialien, Technologien, Herstellung und Anwendungen von Superkondensatoren nach dem Stand der Technik und gibt Hinweise auf die aktuelle Forschung.

Lithiumbatterien gelten als Stand der Technik für vielfältige portable Anwendungen bis hin zu Elektroantrieben. Wiederaufladbare Lithiumionen-Akkumulatoren, engl. secondary batteries, unterscheiden sich von den nicht wiederverwendbaren Primärbatterien. Dennoch wird Begriff „Lithiumbatterie“ für Akkumulatoren gebraucht. Das Kapitel beleuchtet den Stand der Technik von den heutigen Materialien, Technologien und Herstellverfahren bis zur jüngsten Forschung. Betriebsverhalten, Alterung, messtechnische Überwachung und Modellierung von Lithiumionen-Batterien wird eingehend betrachtet.

Blei-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- und Natrium-Schwefel-Akkumulatoren werden seit den 1980er Jahren in dezentralen Speicheranwendungen eingesetzt: für die Energiebereitstellung (engl. dispatching power) unabhängig vom Zeitpunkt der Erzeugung, die kurzzeitige Netzüberbrückung (engl. bridging power) bei der Nutzung erneuerbarer Energien und als Reserveleistung von Kraftwerken (engl. spinning reserve) und die Netzstabilisierung (engl. stabilizing power) Das Kapitel fasst den Stand der Technik herkömmlicher Batterien für Speicheranwendungen zusammen: Zellchemie, Materialien, Eigenschaften und Schwachstellen, Leistungsdaten und Anwendungsbeispiele.

Wiederaufladbare Batterien mit spezifischen Energien jenseits der 200 Wh kg⁻¹ und herausragenden Leistungsdichten sollen die heutige Lithiumionen-Technologie in den nächsten Jahrzehnten ablösen. Manche Forschungsansätze reichen in die Zeit der Ölkrise in den 1970er und 1980er Jahren zurück. Das Kapitel beschreibt visionäre Konzepte von Metallionen- und Metall-Luft-Batterien, bis hin zu Festkörpertechnologien und Anionen-Batterien. Vor- und Nachteile werden im Hinblick auf eine baldige Nutzung in Speichersystemen abgewogen.

Die Europäische Union verfolgt mit ihrem Energie- und Klimaschutzpaket bis zum Jahr 2030 unter Beachtung der Hauptziele Versorgungssicherheit, Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit eine Senkung der Treibhausgasemissionen um mindestens 40% gegenüber dem Stand von 1990, die Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien auf mindestens 27% und eine Steigerung der Energieeffizienz um mindestens 27%. Zur Umsetzung hierfür dient das 2017 beschlossene Legislativpaket der Europäischen Kommission „Saubere Energie für alle Europäer“. Für die Bundesrepublik Deutschland bilden die Novelle 2011 zum Energiewirtschaftsrecht und nach dem Atomausstiegs-Beschluss das „Energiekonzept 2050“ die Grundlagen für eine Neuausrichtung der Förderung erneuerbarer Energien durch das EEG 2017 mit generellen Ausschreibungspflichten für eine Förderung, für die Reduzierung des Energieverbrauchs in Gebäuden durch das mit dem geplanten Gebäude-Energie-Gesetz zur Novellierung vorgesehene EEWärmeG und für eine verstärkte Nutzung hocheffizienter Kraft-Wärme- Kopplung. Neben den Regelungen für die Speicherung von Strom und Gas mit der erforderlichen Anpassung der Netzinfrastruktur werden die stoffbezogenen Anforderungen des Chemikalienrechts und die produktbezogenen Bestimmungen für den Umgang mit Batterien und Akkumulatoren als netzunabhängigen Speichermedien ebenso dargestellt wie die jeweiligen Standortanforderungen und Genehmigungsverfahren für die unterschiedlichen Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien.