EAST: Inter­es­san­tes Konzept – Strom mit Keramik spei­chern

Zusammenbau einer Cerenergy-Batteriezelle für die stationäre Energiespeicherung. Foto: Fraunhofer IKTS
Zusammenbau einer Cerenergy-Batteriezelle für die stationäre Energiespeicherung. Foto: Fraunhofer IKTS

Der Kon­gress EAST am 16. und 17. Sep­tem­ber 2019 befasst sich auch mit unkon­ven­tio­nel­len Spei­cher­lö­sun­gen. Eine davon: Strom mit Keramik spei­chern. Die preis­ge­krönte Lösung ent­wi­ckel­ten Fraunhofer-Wissenschaftler in Thü­rin­gen.

Keramik kennt man im Zusam­men­hang mit Strom eher als Iso­la­tor. Doch damit lässt sich auch Strom spei­chern. Koch­salz und Nickel als Gemisch ergeben einen Pol einer Bat­te­rie. Der andere Pol wird aus flüs­si­gem Natrium gebil­det. Um beide Pole zu trennen, kann man eine neu ent­wi­ckelte Spe­zi­al­ke­ra­mik ein­set­zen, in der bei Lade- und Ent­la­de­vor­gän­gen Natrium-Ionen wandern können. Zusam­men ergibt das eine kera­mi­sche Natri­um­bat­te­rie. Für einen solchen Strom­spei­cher erhiel­ten Thü­rin­ger For­scher vom Fraunhofer-Institut für Kera­mi­sche Tech­no­lo­gien und Systeme IKTS in Herms­dorf jüngst den Thü­rin­ger For­schungs­preis.

Kera­mik­bat­te­rien sind schon seit gut 50 Jahren bekannt. Ursprüng­lich wurden sie für Elek­tro­au­tos ent­wi­ckelt. Eine größere wirt­schaft­li­che Bedeu­tung erziel­ten sie bisher nur in Asien. Das ändert sich gerade, denn die For­scher des IKTS ent­wi­ckel­ten das Prinzip als Spei­cher für Strom­netze bis zur Markt­reife. Ihre Bat­te­rie, cenergy genannt, vereint gleich mehrere Vor­teile. Die Kosten liegen deut­lich unter jenen für Bat­te­rien auf Lithi­um­ba­sis. Das wie­derum senkt die Kosten der Zelle auf 100 Euro je kWh Spei­cher­ka­pa­zi­tät – nur etwa die Hälfte dessen, was für Lithi­um­bat­te­rien fällig wird.

Die Zellen sind in Groß­se­rie her­stell­bar, wobei auf die regio­nale Kera­mik­in­dus­trie  zurück­ge­grif­fen werden kann. Seltene oder teure Roh­stoffe enthält die Bat­te­rie nicht — sie kommt aus­schließ­lich mit hei­mi­schen Grund­stof­fen aus – also Salz, Nickel und Addi­tive, Keramik sowie Metall für das Gehäuse. Zudem ist der Bat­te­rie­typ sehr effi­zi­ent und hat eine hohe Spei­cher­dichte, da er ein ein­fa­ches che­mi­sches Grund­prin­zip aus­nutzt.

Durch die Tem­pe­ra­tur von etwa 300 °C, die auf­recht­erhal­ten werden muss, ist die Zelle eher träge. Die Kera­mik­bat­te­rie kann also gut Last­ver­schie­bun­gen inner­halb eines Tages auf­fan­gen – etwa in Gebäu­den, in denen tags­über mittels eigener Photovoltaik-Anlage Strom erzeugt und dieser aber auch in den Abend­stun­den ohne Pro­duk­tion genutzt werden soll.

Die größte derzeit ver­füg­bare Zelle hat eine Span­nung von 2,3 V, eine Kapa­zi­tät von 128 Ah, einen Ener­gie­in­halt von 294 Wh und wird im System eine Lebens­dauer von etwa 5.000 Lade­zy­klen haben. Natrium-Batteriespeicher können ein kleines Haus ver­sor­gen, lassen sich aber auch modular zu grö­ße­ren Bat­te­rien mit meh­re­ren 100 kWh Kapa­zi­tät koppeln.

Den Durch­bruch erziel­ten die For­scher des IKTS, als es ihnen gelang, die Spe­zi­al­ke­ra­mik der Bat­te­rie – so genann­tes beta-Aluminat – in hoher Geschwin­dig­keit mit indus­trie­taug­li­chen Ver­fah­ren wie Strang­pres­sen und Foli­en­gie­ßen in kera­mi­sche Form­kör­per höchs­ter Qua­li­tät zu über­füh­ren.

Derzeit baut das IKTS sein indus­tri­el­les Part­ner­netz­werk für die kom­mer­zi­elle Ver­wer­tung aus.

Ein Work­shop zur EAST, Neue Tech­no­lo­gien, wird sich aus­führ­lich mit der Funk­ti­ons­fä­hig­keit und der Zukunfts­fä­hig­keit kera­mi­scher Spei­cher beschäf­ti­gen.  Die IKTS-Forscher Mat­thias Schulz, Roland Weidl und Michael Stelter, der die For­schung dazu leitet, werden das Thema „Kera­mi­sche Natrium-Batterien als kos­ten­güns­tige sta­tio­näre Strom­spei­cher mit ein­hei­mi­scher Wert­schöp­fung“ detail­liert betrach­ten.

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