Die Salzwasserbatterie

Fast unverwüstlich und nicht brennbar ist sie. Wartung und Monitoring braucht die AHI nicht. Das Kürzel steht für Aqueous Hybrid Ion. Dabei handelt es sich um eine neuartige Technologie des US-amerikanischen Herstellers Aquion Energy. Die Batterie verwendet einen Elektrolyten aus Salzwasser und kommt ohne Schwermetalle sowie ohne giftige Chemikalien aus. Als Pflanze wäre sie wohl ein Kaktus.

Die Kathode besteht aus Manganoxid, die Anode aus Kohlenstoff, und als Separator wird einfacher Baumwollvlies verbaut. Alles kein Hexenwerk. Aber die Idee einer vollkommen umweltfreundlichen Batterie, die aus sehr günstigen Materialien besteht, überzeugt auch die Jury der EES Awards auf der Intersolar. Die Batterie weist einen überraschend hohen Entwicklungsstand auf. Die Technologie hat Potenzial. Immerhin kann auf eine Temperaturüberwachung und auch eine Klimaanlage verzichtet werden. Das spart Geld.

Günstige Rohstoffe eingebaut

Wirklich spannend wird es dann bei der prognostizierten Entwicklung der Batteriekosten. Diese liegen laut Unternehmen derzeit bei 450 US-Dollar pro Kilowattstunde. In zwei Jahren werden bereits zwischen 200 und 300 US-Dollar angepeilt und bis Ende 2019 dann zwischen 100 und 200 US-Dollar.

„Innovativ ist auf alle Fälle die Materialwahl“, sagt Professor Dirk Uwe Sauer von der RWTH Aachen. Dort hat er den Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik inne. Es werde mit sehr günstigen Rohmaterialkosten gearbeitet, auch die angegebene zyklische Lebensdauer im Datenblatt überzeugt erst mal. Ob die Werte unter realen Betriebsbedingungen erreicht werden, sei ungewiss. Immerhin gibt die Firma aber eine Garantie von vier Jahren.

Bei langer Nutzung interessant

Laut Daten des Herstellers liegt die volumetrische Energiedichte zwischen zwölf und 24 Wattstunden pro Liter – das ist gering. Zum Vergleich: Bleibatterien erreichen so um die 100 Wattstunden pro Liter, Lithium-Ionen-Batterien mehr als 500 Wattstunden pro Liter. „Die AHI ist also keine Batterie für mobile Anwendungen“, sagt Sauer. Im stationären Bereich sei das Volumen dann nicht so kritisch. Die Stromstärken, die für die Batterien angeboten werden, sind im Prinzip nur für eine Anwendung mit langer Nutzungsdauer von mehr als fünf Stunden interessant. „Für alle Anwendungen, für die Batteriespeicher heute im Netz diskutiert werden, ist die Stromtragfähigkeit zu klein“, weiß Sauer.

Kapazität sinkt bei höheren Strömen

Chancen hat die neue Technologie auch dort, wo im Mittel und in der Spitze relativ kleine Ströme gebraucht werden. Beispielsweise für netzferne Photovoltaikanlagen oder Notstromanwendungen mit sehr langen Überbrückungszeiten. „Dort wäre keine so hohe Zyklenlebensdauer nötig und es käme vor allem auf die kalendarische Lebensdauer an, über die noch wenig bekannt ist“, erklärt Sauer. In Städten und Ländern, in denen täglich für mehrere Stunden der Strom ausfällt, ist die Batterie unter Umständen eine interessante Alternative zu einer Bleibatterie.

„Der Wirkungsgrad liegt bei relevanten Stromstärken, wie sie beispielsweise in Photovoltaik-Haussspeichersystemen benötigt werden, unter 80 Prozent. Zudem fällt die nutzbare Kapazität mit höheren Strömen erheblich ab“, erklärt Sauer. Konkret sinkt die nutzbare Energiemenge unter 50 Prozent bei einer Ladung oder Entladung über vier Stunden im Vergleich zu einer über 20 Stunden.

Volle Entladung möglich

Die Batterie kann aber vollständig entladen werden, die Entladungstiefe liegt also bei 100 Prozent. Bleibatterien können auf keinen Fall so gefahren werden, und auch Lithiumakkus würden irreversibel beschädigt.

Ein System mit einer AHI-Batterie muss also nicht überdimensioniert geplant werden. Brutto- und Nettokapazität entsprechen sich. Das ist ein Vorteil, der sich auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt. Auf die nutzbare Kilowattstunde gerechnet sieht Aquion deutlich niedrigere Kosten gegenüber Bleiakkus.

Vier Module im Betrieb

Eine Salzwasserbatterie des US-amerikanischen Herstellers Aquion Energy steht in Berlin-Oberschöneweide, fast direkt neben der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW). Vier Module vom Typ M100 sind parallel geschaltet und verfügen über insgesamt 80 Kilowattstunden. Sie sind an einen Umrichter mit 30 Kilowatt Leistung angeschlossen und in einem Zehn-Fuß-Container des Start-ups Qinous untergebracht.

Der Clou: Ein industrielles Frequenzumrichtermodul, das millionenfach produziert wird, wird zum inselnetzfähigen Batterieumrichter aufgerüstet. So kann die junge Firma einen deutlichen Kosteneinspareffekt erreichen und gleichzeitig ein robustes System mit belastbarer Felderfahrung darstellen.

„Die Aquion-Batterie ist einfach und gleichzeitig robust“, erklärt Busso von Bismarck, Mitgründer von Qinous. Zudem hat sie eine hohe Lebenserwartung und das Potenzial, die Kosten künftig deutlich zu reduzieren. Auch unter die Preise, die heute für Bleibatterien aufgerufen werden. „Die Kunden überzeugt, dass die Batterie komplett ungiftig ist“, meint von Bismarck. Dabei hilft auch das sogenannte „Cradle-to-Cradle“-Zertifikat, das eher im angelsächsischen Raum bekannt ist. Das bedeutet, dass alle Ressourcen „von der Wiege zur Wiege“ nachhaltig genutzt werden – wie in einem endlosen Kreislauf.

Keine Wartung nötig

Dank einer Finanzierung unter anderem durch die IBB Beteiligungsgesellschaft konnte Qinous im Rahmen eines Demonstrators für ein Inselnetz mit 100 Kilowatt Leistung den Speicher mit Aquion-Akkus bauen. Der dient den Technikern auch dazu, das System weiterzuentwickeln. Ausgelieferte Systeme können so in Berlin in Betrieb genommen und getestet werden, bevor sie auf ein Schiff verladen und zum Kunden geliefert werden.

Die Firma ist in Deutschland derzeit der einzige Vertriebspartner und europaweit der einzige Systemintegrator der Salzwasserbatterie. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Batterie komplett wartungsfrei ist. Es gibt keine sich bewegenden Teile, wie die Pumpen in einer Flowbatterie. Wartungskosten entfallen, es wird kein Wasser in die Plastikbehälter nachgekippt.

Zudem kann die Batterie bis 40 Grad Celsius betrieben werden, ohne schneller zu altern. Das ist gerade gegenüber Blei-Säure- oder auch Lithiumzellen ein Vorteil. Qinous liefert die Batterie in einem isolierten Container.

„Der verstärkte Verbrauch von selbst erzeugtem Solarstrom wird die Nachfrage für die Salzbatterie auch in Deutschland ankurbeln“, ist von Bismarck überzeugt. Die Batterie eignet sich besonders, den Solarstrom in die Nacht zu verlagern. Sie lädt langsam und kontinuierlich über den Tag hinweg und gibt den Strom abends ab. Sie spielt ihre Vorteile besonders in warmen und entlegenden Regionen aus, beim Einsatz in Inselnetzen mit einem hohen Solarstromanteil von 70 bis 100 Prozent.

Altert nicht bei Wärme

Eine potenzielle Senkung der Kosten liegt nicht nur an den Materialien, sondern auch im Fertigungsprozess selbst. Bei Lithiumakkus ist gerade die Herstellung deutlich komplizierter, da die Zellen frei von Wasser sein müssen und aufwendig im Vakuum getrocknet werden. Bei der Aquion-Batterie werden die fertigen Elektrodenplättchen einfach in einen Behälter gestapelt, anschließend der Elektrolyt hinzugefüllt und der Behälter verschweißt.

Hinter den Kulissen bei Aquion

Die AHI-Batterie hat ihre Stärke, wenn hohe Speicherkapazitäten gefordert sind. „Für Anwendungen, bei denen auch hohe Lade- und Entladeleistungen gefragt sind, kombinieren wir AHI- und Lithiumakkus zu einer Hybridbatterie“, erklärt von Bismarck.

Die Produktion in Westmoreland County in Pennsylvania ist weitgehend automatisiert. Ein Videobeitrag zeigt bei einem Blick hinter die Kulissen, wie eine AHI-Batterie gebaut wird. Die einzelnen Module der Batterie sind beliebig zu kombinieren und zu skalieren. Ein S-Modul verfügt dabei laut Datenblatt über zwei Kilowattstunden und ein M-Modul über rund 25 Kilowattstunden Speicherkapazität.

Gegenüber den teuren Lithium-Ionen-Zellen sind deutlich niedrigere Produktionskosten für das AHI-System vorstellbar. Voraussetzung dafür ist jedoch eine Serienproduktion mit hoher Stückzahl. „Derart steile Lernkurven und rapide sinkende Preise wie für Lithium-Ionen-Systeme sind aber nicht zu erwarten, da die AHI-Technologie derzeit nur vergleichsweise niedrige Energiedichten erreicht und sich somit kaum für portable Geräte und die Elektromobilität eignet“, meint Holger Hesse von der TU München. Der promovierte Physiker arbeitet am Lehrstuhl für elektrische Energiespeichertechnik zur Netzintegration stationärer Energiespeicher.

Nicht brennbar

Dennoch verfügt die Technologie über Vorteile: Ein nicht entflammbarer Elektrolyt auf Natrium-Sulfat-Basis erlaubt einen sicheren Betrieb. Und das auch bei hohen Umgebungstemperaturen, unter starken Betriebsströmen und ohne aktive Kühlung.

Zudem erlaubt eine mögliche direkte Ansteuerung der 48-Volt-Module mit verfügbaren Wechselrichtern eine einfache Realisierung eines skalierbaren stationären Speichersystems. „Das sind Faktoren, die für die Systemkosten und die Sicherheit eines stationären Speicher-Gesamtsystems von großer Bedeutung sind“, sagt Hesse.

Eine aktuelle Analyse des Lehrstuhls mit verschiedenen Batterietypen zeigte jedoch, dass Zyklenfestigkeit und Batteriealterung einen drastischen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von stationären Speichern haben – es gilt daher zu überprüfen, wie gut sich das AHI-System hinsichtlich Alterung gegenüber Bleibatterien und Lithium-Eisenphosphat-Zellen behaupten kann. Für Heimspeichersysteme und Inselnetze könnte die Technologie durchaus eine kostengünstige Alternative darstellen.

Zu undynamisch für Regelenergie

Für andere Anwendungsfelder, wie beispielsweise die Bereitstellung von Regelenergie, bringt die Batterie jedoch derzeit keine ausreichende Dynamik.

Diesen Trend vieler Anbieter von Lithumspeichern auf der EES und Intersolar in München macht Aquion Energy also nicht mit. Kein Wunder, denn das Unternehmen war Aussteller auf der Intersolar North Amerika in San Francisco. Und deshalb auch für eine Bewerbung beim EES Award zugelassen.

Batteriecontainer spart Diesel

Einziger Vertriebspartner der Aquion-Batterie in Deutschland ist Qinous aus Berlin. Neben der Salzwasserbatterie liefert Qinous auch fertige Lithiumsysteme aus. Zwei der Gründer haben beim ebenfalls in Berlin ansässigen Unternehmen Younicos gearbeitet, bis sie sich 2013 selbstständig machten.

In der kleinsten Version stellt das Batteriesystem in einem Zehn-Fuß-Container eine Energie von 100 Kilowattstunden bereit. Durch Kopplung oder den Einsatz größerer Container lässt sich die Kapazität des Systems erweitern. Die Racks beinhalten Lithium-Ionen-Zellen, von denen jede einzelne Zelle über das Batteriemanagementsystem überwacht wird.

Zudem ist der Lithiumcontainer mit einer Fernüberwachung ausgestattet. Mit dieser lässt sich der Systemzustand jederzeit aus der Ferne überwachen. Sich ankündigende Fehler werden frühzeitig erkannt, sodass die Komponenten noch vor einem Systemausfall getauscht werden können.

www.qinous.com

Batteriespeicher kombiniert Technologien

Auf dem Gelände der RWTH in Aachen hat der Bau eines modularen Großspeichers begonnen. Der Batteriespeicher verfügt über eine Leistung von fünf Megawatt und ist modular aufgebaut. Das Projekt M5Bat kombiniert fünf verschiedene Batterietechnologien. So kann die jeweilige Leistung unabhängig voneinander und kombiniert abgerufen werden.

Der Mix aus günstigen Hochenergiebatterien und teureren Hochleistungsbatterien erhöht so die Wirtschaftlichkeit des Kraftwerks. Das Kürzel steht dabei für „Modularer Multi-Megawatt-, Multi-Technologie-Mittelspannungsbatteriespeicher“. Große Batteriespeicher sind sehr flexibel einsetzbar und reagieren extrem schnell auf andere Leistungsvorgaben. „Die aus M5Bat zu erwartenden Erkenntnisse sind wertvoll für die gesamte Energiewirtschaft“, frohlockt Bernhard Reutersberg, zuständiger Eon-Vorstand für Technologie und Innovation.

Dabei kommt auch eine sogenannte Zebra-Batterie aus Natrium-Nickelchlorid zum Einsatz. Sie verwendet statt eines flüssigen einen festen Elektrolyten aus Keramik, die Elektroden sind im Betrieb flüssig. Die Betriebstemperatur liegt zwischen 250 und 350 Grad Celsius. Auch der eingesetzte Lithiumspeicher ist mit Keramik kombiniert.

Bei den Bleiakkus werden OCSM-Batterien eingesetzt. Sie bieten aufgrund des Kupfergitters der negativen Elektrode optimale Spannungslagen während der Entladung. Zudem sind andere Bleiakkus für kleine bis mittlere Leistungsanforderungen integriert.

Die fünf Megawatt Leistung reichen aus, um 10.000 Haushalte bei einem Stromausfall für eine Stunde zu versorgen. Projektpartner sind die Speicherforschung von Eon, das Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft an der RWTH Aachen, der Eon-Konzern, Batteriehersteller Exide Technologies mit der Sparte GNB Industrial Power sowie der Wechselrichterbauer SMA Solar Technology.

Der Speicher wird in einem ehemaligen Bürogebäude stehen, das für die Installation entsprechend umgebaut wird. Insgesamt werden die Batterien und alle anderen Komponenten des Stromspeichers über zwei Etagen und auf dem Dach auf einer Grundfläche von rund 500 Quadratmetern verteilt sein. Die Anleitung für die Montage der Batterien übernimmt dann Eon Research. Gemeinsam investieren die Projektpartner 12,5 Millionen Euro, um den Batteriespeicher zu bauen und zu testen. Im Rahmen der Förderinitiative Energiespeicher des Bundeswirtschaftsministeriums fließen insgesamt 6,5 Millionen Euro Förderung.

Der Batteriespeicher soll Mitte 2016 in Betrieb gehen. Für zwei Jahre hängt das Batteriesystem dann am Mittelspannungsnetz, um Regelenergie bereitzustellen. Während dieser Zeit wird auch der Handel der Kapazitäten in Echtzeit am Energiemarkt getestet.

www.m5bat.de

Bill Gates als Investor

Aquion Energy aus dem US-Bundesstaat Pennsylvania hat auf der diesjährigen Intersolar den Speicherpreis EES Award gewonnen. Die neuartige Batterie heißt Aqueous Hybrid Ion (AHI). Der stationäre Speicher eignet sich für den täglichen Einsatz in netzfernen Anlagen und im Microgrid. Der Professor für Materialwissenschaften Jay Whitacre von der Carnegy Mellon University gründete die Firma.

Die Batteriefabrik in im US-Bundesstaat Pennsylvania erstreckt sich über 32.500 Quadratmeter. Die Fertigung stellt bei voller Auslastung eine Kapazität von jährlich 200.000 Megawattstunden her. Rein rechnerisch genug, um 20.000 Haushalte zu versorgen. Im Frühjahr 2013 sammelte das Start-up 35 Millionen US-Dollar von Investoren ein, unter ihnen Microsoft-Gründer Bill Gates.

www.aquionenergy.com

Stromspeicher versorgt Homburger Gewerbe

Ein Lithiumspeicher mit 280 Kilowattstunden Kapazität und 100 Kilowatt Leistung versorgt ein Gewerbegebiet in der saarländischen Stadt Homburg. Er verlagert den Strom vom Tag in die Nacht. Lastspitzen werden so abgebaut, das Stromnetz gestützt und Blindstrom als Systemdienstleistung bereitgestellt.

Der Stromspeicher kommt in einem 40-Fuß-Container von der Homburger Firma RRC Power Solutions und wird betriebsbereit angeliefert. Der durch eine Photovoltaikanlage erzeugte Solarstrom wird direkt ins Netz des städtischen Baubetriebshofs in Homburg eingespeist. So werden verschiedene Gewerbe wie eine Feuerwache, Kfz-Halle, Schreinerei, Schlosserei und eine Verwaltung versorgt.

Der Stromüberschuss wird mithilfe des neuen Stromspeichers vom Tag in die Nacht verschoben. Der eigene Solarstromanteil steigt nach Angaben von RRC auf zeitweise bis zu 100 Prozent. Darüber hinaus ist eine Notstromfunktionalität vorgesehen, damit die Feuerwache sowie die Betriebstankstelle bis zu einer Last von zusammen 25 Kilowatt für 1,8 Stunden versorgt werden können.

www.rrc-ps.de

Stromspeicher mit 86 Prozent Nutzungsgrad

Energieversorger RWE hat eine Power-to-Gas-Anlage im nordrhein-westfälischen Ibbenbüren gestartet. Die Anlage ist Teil einer Systemlösung, die regionale Strom-, Erdgas- und Fernwärmnetze miteinander verbindet. Die Anlage hat eine elektrische Leistung von 150 Kilowatt und erzeugt Wasserstoff mit einem Druck von 14 Bar. Der Elektrolyseur kommt vom britischen Unternehmen ITM Power. Er wandelt den Strom um, der anschließend über eine Gasdruckregelstation dem Erdgasnetz beigemischt wird. In dieser Station wird zudem die Abwärme des Elektrolyseurs eingesetzt.

Überschüssiger Ökostrom wird dabei in Wasserstoff umgewandelt und im Erdgasnetz gespeichert. Von dort aus kann er später wieder zu Strom werden. „Mit einem Nutzungsgrad von 86 Prozent steht in Ibbenbüren die effizienteste Power-to-Gas-Anlage in Deutschland“, erklärt Joachim Schneider, Technikvorstand bei RWE. Der Wert bezieht sich dabei auf Strom- und Wärmeenergie. Auch andere Konzerne wie Eon und Audi betreiben Pilotanlagen. Greenpeace treibt die Vermarktung des Produkts Windgas voran. Sie kaufen den Wasserstoff bei Enertrag aus Prenzlau ein.

www.rwe.com