Neue Batterie könnte Stromnetze 25 Jahre stabil versorgen

Wind- und Solaranlagen liefern immer häufiger Strom – aber nicht immer dann, wenn er gebraucht wird. Mal entsteht ein Überschuss, mal fehlt Energie. Für ein Stromsystem mit hohem Anteil erneuerbarer Energien wird deshalb eine Technik immer wichtiger: Langzeitspeicher.

Ein niederländisches Unternehmen arbeitet an einer Batterie, die genau für diesen Zweck gedacht ist. Der Hersteller Elestor aus Arnheim entwickelt eine sogenannte Wasserstoff-Eisen-Flussbatterie, die Stromnetze über viele Jahre stabilisieren könnte. Tests unter realistischen Betriebsbedingungen zeigen, dass solche Systeme möglicherweise 20 bis 25 Jahre lang betrieben werden können.

Für Stromnetze wäre das ein wichtiger Vorteil. Denn die Wirtschaftlichkeit großer Energiespeicher hängt stark davon ab, wie lange sie funktionieren.

Stromspeicher für lange Zeiträume

Kurzfristige Schwankungen im Stromnetz lassen sich heute bereits mit Lithium-Ionen-Batterien ausgleichen. Diese Systeme reagieren schnell und erreichen hohe Wirkungsgrade. Allerdings eignen sie sich vor allem für Speicherzeiten von wenigen Stunden.

Langzeitspeicher verfolgen einen anderen Ansatz. Sie sollen Strom über deutlich längere Zeiträume verfügbar machen – etwa über Nacht, über mehrere Tage oder während sogenannter Dunkelflauten.

Hier kommen Flussbatterien ins Spiel. Anders als klassische Batterien speichern sie Energie nicht direkt in festen Elektroden. Stattdessen zirkuliert ein flüssiger Elektrolyt durch ein elektrochemisches Reaktorsystem.

Der Vorteil: Leistung und Speicherkapazität lassen sich getrennt skalieren.

• Der elektrochemische Stack bestimmt die Leistung
• Die Größe der Tanks bestimmt die Energiemenge

Wird mehr Speicher benötigt, können einfach größere Tanks installiert werden.

Kombination aus Wasserstoff und Eisen

Die Batterie von Elestor gehört zu den sogenannten Hybrid-Flussbatterien. Dabei reagiert ein gasförmiger Stoff mit einem flüssigen Elektrolyten. In diesem Fall übernimmt Wasserstoff die Rolle an der Anodenseite, während eine Eisenlösung auf der Kathodenseite arbeitet.

Das Unternehmen beschreibt das Prinzip so: „Das System kombiniert einen Wasserstoffkreislauf mit einem wässrigen Elektrolyten auf Eisenbasis und ermöglicht so eine unabhängige Skalierung von Leistung und Energie.“

Chemisch basiert das System auf dem Redoxpaar Fe³⁺/Fe²⁺. Beim Entladen laufen folgende Reaktionen ab:

Kathode
Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺

Anode
H₂ → 2H⁺ + 2e⁻

Gesamtreaktion

2Fe³⁺ + H₂ → 2Fe²⁺ + 2H⁺

Beim Laden läuft der Prozess in umgekehrter Richtung.

Test unter realistischen Betriebsbedingungen

Um die Lebensdauer zu untersuchen, testeten die Entwickler einen großformatigen Zellstapel, der bereits nach industriellen Designprinzipien aufgebaut war.

Der Aufbau umfasst unter anderem:

• eine wasserstoffgespeiste Anode
• eine protonenleitende Membran
• eine Kohlenstoffkathode für die Eisenreaktionen

Der Elektrolyt besteht aus einer sauren wässrigen Lösung aus Eisensalzen, die während des Betriebs kontinuierlich durch das System gepumpt wird.

Die Versuche liefen unter Bedingungen, die dem späteren Einsatz im Stromnetz entsprechen sollen: erhöhte Temperaturen, konstante Stromdichten und kontinuierliche Lade- und Entladezyklen. Automatisierte Steuerungen überwachten dabei permanent die elektrochemischen Parameter.

Zehntausende Ladezyklen ohne Leistungseinbruch

Während der Testphase absolvierte das System Zehntausende Lade- und Entladezyklen. Die Leistung blieb dabei stabil. Der elektrochemische Wirkungsgrad lag über 80 %, während der für Stromspeicher entscheidende Rundlaufwirkungsgrad des Gesamtsystems mehr als 75 % erreichte.

Auch strukturelle Schäden wurden nicht beobachtet. Die Leistung ließ sich durch sogenannte Konditionierungszyklen vollständig wiederherstellen. Dabei handelt es sich um betriebliche Maßnahmen und nicht um den Austausch von Bauteilen.

Kurze Ruhephasen senkten außerdem den Innenwiderstand der Zellen. Das deutet darauf hin, dass sich im System reversible elektrochemische Gleichgewichte einstellen.

Hochrechnung auf eine Lebensdauer von 25 Jahren

Aus den bisherigen Langzeittests leiten die Entwickler eine mögliche Betriebsdauer von 20 bis 25 Jahren ab. Dabei handelt es sich um eine Hochrechnung auf Basis der gemessenen Stabilität und nicht um eine bereits real erreichte Betriebszeit.

Für große Energiespeicher ist die Lebensdauer ein entscheidender Faktor. Je länger ein System arbeitet, desto geringer werden die Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde.

Rohstoffe als strategischer Vorteil

Ein wichtiger Unterschied zu vielen Batterietechnologien liegt in den verwendeten Materialien. Die Wasserstoff-Eisen-Batterie nutzt vor allem Eisen und Wasserstoff. Beide Stoffe sind weltweit verfügbar und vergleichsweise günstig. Dadurch lassen sich Lieferkettenprobleme vermeiden, wie sie bei Lithium, Kobalt oder Vanadium auftreten können.

Das Unternehmen schätzt, dass aktive Materialien etwa 2,8 €/kWh kosten könnten. In optimierten Systemen wären laut Hersteller langfristig Speicherkosten von etwa 0,02 €/kWh denkbar. Diese Werte basieren allerdings auf Modellrechnungen und müssen sich im industriellen Einsatz erst noch bestätigen.

Die Grenzen der Technologie

Trotz der Vorteile hat die Technologie auch Einschränkungen. Flussbatterien besitzen grundsätzlich eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien. Das bedeutet, dass die Anlagen mehr Platz benötigen. Große Elektrolyttanks und Pumpensysteme sind notwendig.

Auch der Wirkungsgrad liegt etwas unter dem moderner Lithium-Speicher, die häufig mehr als 90 % erreichen. Für stationäre Netzspeicher ist das jedoch weniger kritisch als für mobile Anwendungen.

Ein weiterer Punkt ist die Systemkomplexität. Neben dem elektrochemischen Stack benötigt die Anlage Tanks, Pumpen, Steuertechnik und ein Wasserstoffmanagement. Solche Systeme ähneln eher industriellen Prozessanlagen als klassischen Batterien.

Schließlich befindet sich die Technologie noch in einer frühen Phase. Bisher existieren vor allem Pilotanlagen. Ob sich die erwartete Lebensdauer und die prognostizierten Kosten im industriellen Betrieb bestätigen, wird sich erst in den kommenden Jahren zeigen.

Konkurrenz zu anderen Langzeitspeichern

Langzeitspeicher werden in den kommenden Jahrzehnten eine wichtige Rolle im Stromsystem spielen. Neben Wasserstoff-Eisen-Batterien werden derzeit verschiedene Technologien entwickelt.

Dazu gehören unter anderem:

• Vanadium-Flussbatterien
• Natrium-Schwefel-Speicher
• Pumpspeicherkraftwerke
• Wasserstoffspeicher

Welche Technologie sich langfristig durchsetzt, hängt stark von Kosten, Lebensdauer und Skalierbarkeit ab.

Das Unternehmen Elestor fasst seine Ergebnisse so zusammen: „Diese Arbeit positioniert die Wasserstoff-Eisen-Flüssigbatterietechnologie als langlebige, skalierbare und wirtschaftlich tragfähige Lösung für die Langzeit-Energiespeicherung.“