Wenn von Batteriespeichern die Rede ist, denken die meisten an Lithium-Ionen-Akkus. Doch hinter dem Begriff verbirgt sich eine wachsende Vielfalt grundlegend verschiedener Systeme.
Während Lithium-Ionen-Batterien den Markt mit weit über 90 Prozent dominieren, drängen alternative Technologien in die Nische der Langzeitspeicherung. Allen voran Redox-Flow-Batterien und Eisen-Luft-Systeme.
Das Grundprinzip: Leistung und Kapazität getrennt
Der entscheidende Unterschied liegt in der Bauweise. Bei Lithium-Ionen-Akkus sind Energie und Leistung fest gekoppelt: Mehr Kapazität bedeutet automatisch mehr Zellen, mehr Gewicht, höhere Kosten. Bei Redox-Flow-Batterien lassen sich Leistung und Speicherkapazität dagegen unabhängig voneinander skalieren.
Das funktioniert, weil die aktiven Substanzen in flüssiger Form in externen Tanks lagern. Die Leistung wird durch die Größe der Membran bestimmt, die Kapazität durch die Menge der Flüssigkeit. "Man dimensioniert die Leistung für den Netz- oder Kraftwerksersatz und die Speicherdauer für den tatsächlichen Bedarf", sagt Constantin Eis, CEO des organischen Flow-Batterie-Herstellers CMBlu.
Christoph Stelzer vom Speicherunternehmen Cellcube Energy Storage sieht seine Vanadium-Redox-Flow-Technologie im Bereich zwischen vier und 24 Stunden optimal positioniert: "In den USA werden aktuell verstärkt Acht- bis Zehn-Stunden-Anlagen nachgefragt, in Europa eher vier bis sechs Stunden – aber der Trend geht klar zu längeren Speicherdauern."
Vanadium vs. organisch: Zwei Wege zum Ziel
Innerhalb der Redox-Flow-Familie gibt es zwei Hauptrichtungen. Vanadium-Redox-Flow-Batterien, in den 1980er Jahren entwickelt, gelten als am weitesten erprobt. Die Investitionskosten liegen den meisten Quellen nach bei 600 bis 700 Euro pro Kilowattstunde. Nachteil: Vanadium unterliegt starken Preisschwankungen und gilt als kritischer Rohstoff – auch wenn Hersteller zunehmend auf Sekundärquellen wie die Stahlindustrie verweisen.
Organische Redox-Flow-Batterien setzen auf Verbindungen wie Lignin, das als Nebenprodukt der Papierindustrie anfällt. Sie sind potenziell ungiftiger und komplett recycelbar. Der Haken: Die Langzeitstabilität ist weniger umfassend erprobt. Während Stelzer von Cellcube für Vanadium-Flow auf eine seit 2010 installierte Anlage verweist, deren Stabilität 2022 wissenschaftlich bestätigt wurde, befinden sich organische Systeme noch in einer früheren Marktphase.
"Die dreißigjährige Lebensdauer von Vanadium-Flow-Batterien ist für Netzbetreiber spannend, weil diese typischerweise nicht in Lebenszyklen von fünf oder zehn Jahren denken, sondern von 30 Jahren plus", sagt Stelzer. Die Wartung sei unkompliziert: "Komponenten wie Pumpen kann man in der Regel binnen 30 Minuten tauschen. Bei Lithium-Ionen muss ich ganze Batteriemodule tauschen – dann habe ich schon wieder Abfall produziert."
Lithium-Ionen: Schnell, aber teuer bei langen Laufzeiten
Lithium-Ionen-Batterien haben sich dank hoher Energiedichte und Wirkungsgraden von 90 bis 95 Prozent als Standard etabliert. Sie reagieren in Millisekunden und sind ausgereift.
Doch für die Langzeitspeicherung stoßen sie an Grenzen. Michael Sterner, Speicherwissenschaftler an der OTH Regensburg: "Die beste Speicherrendite liegt aktuell bei Zwei- bis Vier-Stunden-Batteriespeichern – länger lohnt sich wirtschaftlich meist nicht." Hinzu kommt: Die Rohstoffe Lithium, Kobalt und Nickel sind begrenzt verfügbar und teilweise geopolitisch sensibel.
Eisen-Luft: Günstig, aber ineffizient
Eisen-Luft-Batterien nutzen einen simplen Prozess: Rosten. Beim Entladen oxidiert Eisen zu Rost, beim Laden wird er wieder zu Eisen. Die Vorteile: Eisen ist günstig und weltweit verfügbar, die Batterien sind nicht brennbar. Die Herstellungskosten sollen perspektivisch nur etwa 20 US-Dollar pro Kilowattstunde betragen.
Der Haken: Der Wirkungsgrad liegt bei 50 bis 70 Prozent – bei jeder gespeicherten Kilowattstunde gehen 30 bis 50 Prozent verloren. Zudem eignen sich Eisen-Luft-Systeme nur für langsame Lade- und Entladevorgänge über viele Stunden oder Tage, nicht für schnelle Regelleistung.
Wann welche Technologie?
Daniel Böhmer, Speicherexperte von der Beratung Aurora Energy Research, formuliert es so: "Aus Systemsicht ist eine Kombination verschiedener Flexibilitätsoptionen am effizientesten: kurzfristige Flexibilität durch Lithium-Ionen-Batterien, Speicher mit mittlerer bis längerer Dauer im Bereich von etwa zehn bis zwanzig Stunden sowie voll steuerbare Leistung, insbesondere thermische Kraftwerke."
Eis von CMBlu sieht die Stärke seiner Technologie "dort, wo mehrere Stunden bis über acht Stunden Speicherdauer gefragt sind". Eisen-Luft-Batterien zielen auf noch längere Zeiträume – drei bis fünf Tage.
Wissenschaftler Sterner mahnt jedoch auch zur Vorsicht: "Technisch kann man viele dieser Speicher bauen – entscheidend ist aber, ob sie sich wirtschaftlich gegen etablierte Technologien wie Lithium-Ionen durchsetzen können." Welche Rolle die alternativen Langzeitspeicher spielen, entscheiden Marktdesign, Regulierung – und die bevorstehenden Kraftwerksausschreibungen.
