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So lässt sich Strom speichern wie Benzin oder Heizöl

Mithilfe eines pflanzlichen Stoffs haben Schaeffler und CMBlu einen neuartigen Stromspeicher entwickelt – mit einer altbewährten Technik.

So soll sie aussehen, die organische Redox-Flow-Batterie von CMBlu. (Quelle: CMBlu) Foto: dpa

Ein Leben ohne Lithium-Ionen-Akkus ist in Zeiten von Laptops, Smartphones und Elektroautos kaum mehr vorstellbar. Auch für das Speicherproblem der erneuerbaren Energien sehen viele die Lösung in Lithium-Ionen-Batterien (LIB). 

Aber der leistungsfähige Alleskönner bringt auch Nachteile mit sich. So braucht man für die Produktion unter anderem das umstrittene Metall Kobalt, das oft unter widrigen Umständen in Ländern wie der Demokratischen Republik Kongo abgebaut wird. Und die Gewinnung von Lithium selbst führt schon jetzt zu Wasserknappheit in den ohnehin trockenen Wüstenregionen Südamerikas. Die Suche nach einem alternativen Großspeicher läuft deswegen auf Hochtouren.

Mitten im nordbayerischen Alzenau ist das Start-up CMBlu davon überzeugt, diese Alternative gefunden zu haben. Mit der sogenannten Organic-Flow-Batterie entwickelt das Cleantech-Unternehmen gemeinsam mit dem Autozulieferer Schaeffler eine Speicherlösung, die mit natürlichen Stoffen funktionieren soll.

„Moleküle sind der perfekte Energiespeicher“, erklärt CEO Peter Geigle im Gespräch mit dem Handelsblatt. Genauer gesagt setzt CMBlu auf das Molekül Lignin. Ein Stoff, der Bestandteil der Struktur einer jeden Pflanze ist, ob Baum oder Gras.

„In der Papier- und Zellstoffindustrie fallen große Mengen Lignin als Abfallprodukt an, die größtenteils verbrannt werden. Wir wollen das Material lieber sinnvoll einsetzen“, sagt Geigle. Für die Organic-Flow-Batterie könnten aber auch unzählige andere Kohlenstoffquellen genutzt werden. Das Ziel der Bayern ist klar: „Wir werden günstiger sein als eine Lithium-Ionen-Batterie und dabei noch wirtschaftlich“, verspricht der CMBlu-Chef.

Ganz neu ist die Technologie hinter dem organischen Speicher allerdings nicht. Für ihre Erfindung greifen die Tüftler aus Alzenau auf das altbekannte Verfahren der Redow-Flow-Batterie zurück. Anders als bei einem Lithium-Ionen-Akku werden bei den auch Flussbatterien genannten Speichern flüssige Elektrolyte eingesetzt. In jeweils zwei großen Tanks befinden sich zwei verschiedene Elektrolyte.

Dazwischen sitzt ein Energieumwandler mit einer dünnen Membran. Beim Ladevorgang geben die Ionen in der einen Flüssigkeit Elektronen ab, die dann durch die Membran in die andere wandern. Die Energie wird so chemisch gespeichert. Wird der Strom wieder gebraucht, läuft der Vorgang umgekehrt ab. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden.

Lastspitzen im Stromnetz abfedern

Während Lithium-Ionen-Speicher innerhalb von Sekundenbruchteilen viel Energie liefern können, sind Redox-Flow-Akkus zwar weniger dynamisch. Richtig eingesetzt bieten sie aber entscheidende Vorteile: Speichergröße und Leistung können unabhängig voneinander und fast beliebig skaliert werden. Außerdem ist eine Flussbatterie nicht brennbar. 

„Die Flussbatterie eignet sich besonders für die Speicherung von Energie über mehrere Stunden und kann im Gegensatz zur Lithium-Ionen-Batterie volle Lastzyklen fahren – sie sind also perfekt dafür geeignet, um Lastspitzen im Stromnetz abzufedern“, erklärt Experte Peter Fischer vom Fraunhofer Institut für Chemische Technologie.

Damit besetzen Redox-Flow-Batterien die Lücke zwischen Lithium-Ionen-Akkus für den kurzfristigen Gebrauch beispielsweise in Pkws oder kleineren Heimspeichern und Power-To-X-Projekten, also der Speicherung von überschüssigem Strom in Form von grünem Wasserstoff, für einen Zeitraum über mehrere Tage und Wochen.

Denn grüne Energiequellen wie Sonne und Wind sind nicht immer dann verfügbar, wenn man sie braucht, wie etwa Kohlestrom oder Atomenergie. Um die Gefahr einer sogenannten Dunkelflaute zu umgehen, braucht es Speichertechnologien, die auch dann Strom liefern, wenn es windstill ist und keine Sonne scheint. Das können riesige Lithium-Ionen-Batterien sein, so wie der 50-Megawatt-Speicher des Kohleunternehmens Leag in der Lausitz. 

Aber auch die Power-To-X-Technologie kann überschüssigen Strom in Form von Gas zwischenspeichern und bei Bedarf zurück in Strom verwandeln und wieder ins Netz einspeisen. Solche sogenannten Großspeichertechnologien boomen auf der ganzen Welt. Sinkende Produktionskosten, steigende Strompreise und immer mehr Wind- und Solaranlagen, gepaart mit der zunehmenden Anzahl von Elektroautos, gehören zu den zentralen Treibern.

Laut Analysten des Marktforschungsunternehmens EuPD Research wird die weltweite kumulierte Kapazität allein im Segment der Gewerbe- und Industriespeicher von heute rund zehn Gigawattstunden auf knapp 200 Gigawattstunden im Jahr 2030 anwachsen. Die kumulierte Kapazität der Netzspeicher werde einen ähnlich starken Anstieg erleben – auf etwa 175 Gigawattstunden bis 2030.

Steigende Nachfrage

Auch die Nachfrage nach Redox-Flow-Batterien wächst. Die bewährte Speichertechnologie besetzt in anderen Ländern auch schon längst einen großen Markt. „Flussbatterien sind in China, Japan, Korea und den USA schon lange auf dem Markt und auch wirtschaftlich“, erklärt Experte Fischer.

Dort laufen die Batterien allerdings in der Regel auf der Basis des Metalls Vanadium. Redox-Flow-Batterien auf organischer Basis hingegen müssten sich im dauerhaften Einsatz erst noch beweisen.

Neben CMBlu hat auch das Thüringer Unternehmen Jena Batteries eine metallfreie Speicherlösung entwickelt. Geschäftsführer Olaf Conrad hat am Durchbruch der organischen Redox-Flow-Batterie keine Zweifel. Der Chemiker setzt auf eine ganz bestimmte Lücke. 

„Die Produktionskapazitäten von Lithium werden in den nächsten Jahren nicht ausreichen, um die schnell wachsende Nachfrage zu bedienen. Da wo Platz und Größe keine Rolle spielen, wird man auf Alternativen ausweichen“, ist er überzeugt. Außerdem „können sie nicht explodieren, brauchen keine Metalle oder Seltene Erden und haben eine doppelt so lange Lebensdauer wie Lithium-Ionen-Batterien“, argumentiert Conrad.

Redox-Flow-Batterien haben allerdings einen großen Nachteil: Sie rechnen sich hierzulande nicht. Aufgrund der Rahmenbedingungen und hohen Abgaben auf den Strompreis steht die Lithium-Ionen-Alternative vor demselben Hindernis wie Power-To-X: Sie ist schlicht zu teuer und kann mit Lithium-Ionen-Speichern nicht konkurrieren. „Das liegt daran, dass LIB seit 20 Jahren im Milliardenmaßstab produziert werden. Redox-Flow-Batterien sind da noch nicht und können deswegen preislich nicht mithalten“, muss auch Conrad zugeben. 

Das, was die Zelle für Lithium-Ionen-Batterien ist, sind die Elektrolyte für den Redox-Flow-Speicher. Sie sind das teuerste Element der Batterie. Wer die günstigsten Elektrolyte herstellt, kann bei den Kosten also schon einen großen Vorsprung gewinnen. Dass die Technologie langfristig wettbewerbsfähig werden kann, davon sind Conrad und auch Geigle fest überzeugt.

Sowohl CMBlu als auch Jena Batteries gehen in diesem Jahr mit ihrer Pilotanlage an den Start. Bereits 2021 will Jena Batteries dann den nächsten Schritt Richtung Serienfertigung wagen. Die Gespräche mit Anlagenbauern aus der Industrie oder auch Stadtwerken laufen bereits.

Der Anlagenhersteller Schmid aus Baden-Württemberg ist da schon einen großen Schritt weiter: Noch in diesem Jahr will das süddeutsche Unternehmen seine erste Gigawatt-Fabrik für Redox-Flow-Batterien auf Vanadiumbasis eröffnen. Allerdings nicht in seiner Heimat, sondern mit der Unterstützung der saudischen Investmentgesellschaft Nusaned Investment und dem saudischen Projektentwickler Riwaq in Saudi-Arabien.

„Deutschland hat eine lebendige Redox-Flow-Szene, aber wir verschlafen gerade die Anwendung“, warnt Experte Fischer. Noch laufen Redox-Flow-Projekte, ob auf Metallbasis oder organisch, in Deutschland allerdings nur auf Modellbasis. Dabei ist für Fischer eines ganz klar: „Wir werden diese Energiespeicher brauchen.“