Das fehlende Glied in der Energiewende

Die globale Energielandschaft durchläuft derzeit einen tiefgreifenden Wandel. Angetrieben von ehrgeizigen Dekarbonisierungszielen und einem steigenden Energiebedarf entwickeln sich erneuerbare Energiequellen, insbesondere Solarenergie und Windkraft, zum Rückgrat der Stromerzeugung. In vielen Ländern machen erneuerbare Energien bereits einen erheblichen Anteil der installierten Erzeugungskapazität aus, und es wird erwartet, dass ihr Anteil in den kommenden Jahrzehnten weiter steigen wird.

Dieser Wandel bringt jedoch auch eine grundlegende Herausforderung mit sich: Erneuerbare Energien sind von Natur aus unbeständig. Die Solarstromerzeugung erreicht unabhängig vom Strombedarf während der Tagesstunden ihren Höchststand, während die Windstromerzeugung von Wetterbedingungen abhängt, die innerhalb von Minuten, Tagen oder sogar Jahreszeiten schwanken können. Mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Energien wird der Ausgleich von Stromangebot und -nachfrage immer komplexer.

Um die Netzstabilität aufrechtzuerhalten, sind daher Technologien erforderlich, die überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien speichern können, wenn die Erzeugung den Bedarf übersteigt, und ihn wieder ins Netz einspeisen, wenn die Erzeugung nicht ausreicht. Energiespeicherung ist nicht mehr nur eine betriebliche Verbesserung, sondern entwickelt sich zu einem entscheidenden Infrastrukturbestandteil des zukünftigen Stromnetzes.

Lithium-Ionen-Batterien haben sich im Laufe des letzten Jahrzehnts zur dominierenden Energiespeichertechnologie entwickelt. Ihr hoher Rundlaufwirkungsgrad, ihre schnellen Reaktionszeiten und die kontinuierlich sinkenden Kosten haben sie zur bevorzugten Lösung für Anwendungen wie Frequenzregelung, Spitzenlastabdeckung und die kurzfristige Einbindung erneuerbarer Energien gemacht.

Allerdings weist die Lithium-Ionen-Technologie praktische Grenzen auf. Die meisten kommerziellen Systeme sind für eine Entladezeit von einer bis vier Stunden ausgelegt, wodurch sie sich zwar hervorragend für den täglichen Lastausgleich eignen, jedoch weniger geeignet sind, um längere Defizite bei der Erzeugung erneuerbarer Energien oder mehrtägige Wetterereignisse auszugleichen.

Da der Anteil erneuerbarer Energien im Stromnetz auf über 60 % zunimmt, gewinnen diese längeren Phasen mit geringer Erzeugung aus erneuerbaren Quellen zunehmend an Bedeutung. Das Netz benötigt Speichertechnologien, die in der Lage sind, Energie nicht nur über Stunden, sondern über ganze Tage oder sogar Wochen hinweg zu verlagern.

Aus diesem neu entstehenden Bedarf ist das Konzept der Langzeitspeicherung (LDES) hervorgegangen, das allgemein als Speichersysteme definiert wird, die in der Lage sind, Strom kontinuierlich für mehr als acht Stunden bereitzustellen, wobei viele Technologien eine Speicherdauer von mehreren zehn oder sogar Hunderten von Stunden erreichen.

Anstatt Lithium-Ionen-Batterien zu ersetzen, können LDES als ergänzende Technologie dienen. Lithium-basierte Systeme bleiben die optimale Lösung für Anwendungen mit kurzer Speicherdauer, während Langzeitspeicher die Energiekapazität bereitstellen, die für eine tiefgreifende Integration erneuerbarer Energien und eine verbesserte Netzstabilität erforderlich ist.

Zusammen bilden diese Technologien eine mehrschichtige Speicherarchitektur, die ein zuverlässiges, kohlenstoffarmes Stromnetz auf dem Weg zur Dekarbonisierung unterstützen kann.

Die LDES-Landschaft umfasst ein vielfältiges Portfolio an Technologien, die jeweils für unterschiedliche Laufzeiten, Größenordnungen und Betriebsbedingungen optimiert sind.

Elektrochemische Technologien, darunter Flussbatterien und Metall-Luft-Systeme, bieten eine skalierbare Energiekapazität, indem sie die Energiespeicherung von der Stromumwandlung trennen und so einen wirtschaftlichen Betrieb über mehrere Stunden und Tage hinweg ermöglichen.

Die ausgereifteste Technologie in dieser Kategorie ist die Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB). Durch die Nutzung unterschiedlicher Oxidationsstufen von Vanadium in beiden Elektrolyten vermeiden VRFBs Probleme der Kreuzkontamination und bieten gleichzeitig eine lange Zyklenlebensdauer, Tiefentladungsfähigkeit und hervorragende Betriebssicherheit. Diese Eigenschaften haben sie zu einer immer beliebteren Wahl für die Integration erneuerbarer Energien, den Netzausgleich und Mikronetzanwendungen gemacht, die Speicherdauern von 6–12 Stunden oder mehr erfordern.

Neben Vanadium-Systemen gewinnen Eisen-Flow-Batterien als kostengünstigere Alternative zunehmend an Bedeutung. Eisen ist eines der am häufigsten vorkommenden und kostengünstigsten Metalle, was erhebliche Vorteile hinsichtlich der Verfügbarkeit von Rohstoffen und der Sicherheit der Lieferkette bietet. Obwohl Eisen-Flow-Batterien im Allgemeinen eine geringere Energiedichte als VRFBs aufweisen, bieten sie überzeugende wirtschaftliche Vorteile für stationäre Speicheranwendungen, bei denen der Platzbedarf weniger entscheidend ist als die Lebenszykluskosten.

Eine weitere sich rasch entwickelnde Klasse elektrochemischer Speicher sind Metall-Luft-Batterien, darunter Zink-Luft- und Eisen-Luft-Technologien. Diese Systeme erzeugen Strom durch die elektrochemische Reaktion zwischen einer Metallanode und Sauerstoff, der direkt aus der Umgebungsluft entnommen wird, wodurch die Notwendigkeit entfällt, einen der Reaktanten in der Batterie selbst zu speichern. Ihre außergewöhnlich hohe theoretische Energiedichte und kostengünstigen aktiven Materialien machen Metall-Luft-Batterien besonders attraktiv für die mehrtägige und sogar mehrwöchige Energiespeicherung.

De Nora ist bestens aufgestellt, um sein umfangreiches Portfolio an elektrochemischen Technologien zur Unterstützung dieses Sektors zu nutzen. Aufbauend auf jahrzehntelanger Erfahrung in den Bereichen Elektrokatalysatoren, Elektrodenherstellung und elektrochemische Verfahrenstechnik erforscht das Unternehmen Lösungen, die die Leistung, Effizienz und Langlebigkeit von Energiespeichersystemen der nächsten Generation verbessern.

Der Übergang zu Strom aus erneuerbaren Energien verlagert den Schwerpunkt der Energiespeicherung vom kurzfristigen Ausgleich hin zur langfristigen Versorgungssicherheit. Während Lithium-Ionen-Batterien weiterhin Anwendungen dominieren werden, die eine schnelle Reaktionszeit und eine Speicherdauer von bis zu einigen Stunden erfordern, wird die Verwirklichung stark dekarbonisierter Stromversorgungssysteme ergänzende Technologien erfordern, die in der Lage sind, Energie über wesentlich längere Zeiträume zu speichern.

Im Zentrum der Langzeit-Energiespeicherung stehen elektrochemische Systeme, die Elektroden nutzen, deren Leistung maßgeblich den Wirkungsgrad, die Lebensdauer und die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit bestimmt. Fortschrittliche Elektrokatalysatoren stellen eine Schlüsseltechnologie dar, da sie die katalytische Leistung liefern, die erforderlich ist, um den Einsatz von Langzeit-Energiespeichern im industriellen Maßstab zu beschleunigen.