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Energiespeichersysteme für Photovoltaikanlagen

Ein Energiespeicher stellt sicher, dass im Haus auch dann Strom zur Verfügung steht, wenn die Photovoltaikanlage gerade kein Strom produzieren kann. Die Technologien zur Speicherung von Solarenergie werden laufend weiterentwickelt. Neben teils kostengünstigeren Fertigungen verändern sich deren Materialien und die Speicherkapazitäten nehmen zu.

Holger Althues, Leiter der Abteilung Chemische Oberflächen- und Batterietechnik.
Holger Althues, Leiter der Abteilung Chemische Oberflächen- und Batterietechnik.

(mb) Um den Eigenverbrauchanteil des produzierten Stroms und damit die Wirtschaftlichkeit der PV-Anlage zu steigern, werden auch für netzgekoppelte Photovoltaikanlagen Energiespeicher benötigt. Aufgrund der hohen Energiedichte (Energie pro Volumeneinheit) respektive der spezifischen Energie (Energie pro Kilogramm Gewicht) zählen Lithium-Ionen-Batterien sogenannte Powerwalls zu den aktuell besten Technologien für elektrochemische Energiespeicherung. In elektronischen Geräten oder Autos erreichen sie eine ausreichend hohe Lebensdauer. 

Schwefelkathode und Lithium-Schwefel-Zellen des Fraunhofer IWS.
Schwefelkathode und Lithium-Schwefel-Zellen des Fraunhofer IWS.

Lithium-Schwefel-Batterien mit hohem Potenzial 

Eine ernsthafte Alternative zu diesen Speichersystemen könnten zukünftig Lithium-Schwefel-Batterien darstellen, weil sie eine höhere spezifische Energie haben und weniger Materialkosten in der Herstellung anfallen. «Die Stärke von Lithium-Schwefel liegt vor allem im geringen Gewicht», sagt Holger Althues, Leiter der Abteilung Chemische Oberflächen- und Batterietechnik am Fraunhofer IWS Dresden. Darüber hinaus ist das Gewicht erster Prototypenzellen um annähernd die Hälfte geringer als von Lithium-Ionenzellen bei gleichem Energieinhalt. Eine derzeit noch geringe Zyklenstabilität spricht jedoch bisher gegen einen Einsatz in Elektroautos. Diese soll mit einem neuen Elektrolyt verbessert werden, der nur eine geringe Löslichkeit für die Schwefelverbindungen aufweist. Dadurch bleibt die Umwandlung des Schwefels auf die Kohlenstoffoberfläche der Kathode begrenzt und Korrosionsvorgänge an der Lithiumanode werden verringert. Schwefel als elektrisch isolierendes Material erfordert die Zugabe von Kohlenstoff, um die ein elektrisches Gefüge zu erzeugen. 

An mehrere Bedürfnisse anzupassen

Holger Althues sieht die derzeit führenden Technologien auch in den kommenden Jahren in der besten Marktposition: «Durch die stetige Weiterentwicklung können Lithium-Ionen-Zellen an viele Bedürfnisse angepasst werden. Deshalb werden sie vermutlich auch in den kommenden 10 Jahren den Speichermarkt dominieren. Bei allen anderen Technologien (Speicher mit hoher Energiedichte) sind noch viele Herausforderungen zu lösen. Für stationäre Anwendungen sind vor allem die Kosten massgebend und hier werden sich möglicherweise kostengünstige Alternativen (z.B. auf Basis von Natrium) durchsetzen.»

Empa-Forscher Ruben-Simon Kühnel
Empa-Forscher Ruben-Simon Kühnel

Empa entwickelt Salzwasserbatterie

Indem die elektrochemische Stabilität von Wasser mithilfe einer speziellen Salzlösung verdoppelt werden konnte, haben Empa-Forscher womöglich eine adäquate Methode zur Herstellung preisgünstiger aufladbarer Batterien entwickelt. Für stationäre Stromspeicheranwendungen wären Batterien auf Wasserbasis zwar relevant, aber für Elektroautos würden sie sich weniger eignen. Deshalb reicherten die Forscher den flüssigen Elektrolyt mit dem Spezialsalz Natrium-FSI an und erreichten eine elektrochemische Stabilität von 2,6 Volt. Damit wären preisgünstige Batteriezellen produzierbar. Mehrere Versuche mit getrennten Anoden und Kathoden verliefen bereits erfolgreich. Tests mit einer einzelnen Batterie sollen folgen. 

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