Ausgangslage

Lithium-Ionen-Batterien.

Die bisher am besten erforschten Lithium-Ionen-Batterien sind für ihre vergleichsweise hohe Energiedichte, lange Haltbarkeit und hohe Energieeffizienz bekannt. Dementsprechend sind sie zu einer wesentlichen Energiequelle für Unterhaltungselektronik, tragbare Geräte und Elektrofahrzeuge geworden. Lithium-Ionen-Batterien haben jedoch vor allem mit zwei Problemen zu kämpfen.

Erstens ist Lithium eine begrenzte Ressource auf unserem Planeten, was die Verbreitung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie in Zukunft stark einschränkt. Diese Knappheit hat die weltweite Suche nach alternativen Lithiumquellen wie hydrothermales Wasser, Meerwasser und Bergbauwasser verstärkt.

Zweitens erschweren die hohen Kosten und Sicherheitsprobleme von Lithium-Ionen-Batterien die Deckung der ständig steigenden Nachfrage nach elektronischen Geräten, sowohl nach tragbaren elektronischen Geräten als auch nach stationären Großgeräten. Die hohen Kosten ergeben sich aus der begrenzten Verfügbarkeit und der hohen Nachfrage nach Lithium, Nickel und Kobalt zusätzlich zu den Preisschwankungen aufgrund schwankender Handelsmärkte. Die Sicherheitsbedenken ergeben sich aus der Toxizität von Kobalt und den entflammbaren organischen Elektrolyten. Interessante Energiespeichersysteme jenseits von Lithium ziehen die Aufmerksamkeit auf sich und wurden in den vergangenen Jahren erforscht.

In den letzten Jahren wurden mehrere Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien erforscht. Insbesondere liegt der Schwerpunkt auf natürlich vorkommenden Alkalimetallionen wie Natrium und Kalium, die die Möglichkeit kostengünstiger Energiespeichersysteme bieten. Gleichzeitig werden mehrwertige Ladungsträger wie Mg2+, Zn2+, Al3+ und andere untersucht, die theoretisch mehr als ein Elektron übertragen und damit die Möglichkeit einer höheren spezifischen Kapazität und einer höheren Energiedichte bieten. Insbesondere Natrium-Ionen-Batterien haben seit 2011 besondere Aufmerksamkeit erhalten, da Natrium eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde ist und das Potenzial für kostengünstige Energiespeichersysteme bietet. Natrium ist im Meerwasser reichlich vorhanden und kann leicht daraus gewonnen werden.

Lithiumbatterien dominieren derzeit in der Elektronik.

Lithiumbatterien werden derzeit weltweit am häufigsten verwendet, da sie in den meisten elektronischen Geräten benötigt werden. Obwohl die Nachfrage immens hoch ist, da die Länder versuchen, ihre technologische Leistung zu steigern, sind die bestehenden Batterien mit erheblichen Risiken für die Menschenrechte verbunden. Für die Herstellung verschiedener Arten von Batterien werden Erdmineralien benötigt. Die Abtrennung dieser Materialien führt zu natürlichen Schäden. Leider gibt es auch politische und finanzielle Unruhen, die das weltweite Interesse an der Verringerung der Ressourcen betreffen. Salzwasser-Batterien nehmen diese große Anzahl von Auswirkungen, da sie in der Regel aufgespürt Materialien verwenden.

Chile, Argentinien und Bolivien - drei Länder in Südamerika, die zusammen als "Lithium-Dreieck" bekannt sind - halten beispielsweise 75 % des weltweiten Lithiumangebots in ihren Ländern. Der Gewinnungsprozess dauert zwischen 12 und 18 Monaten, ist aber mit umfangreichen Bergbauarbeiten verbunden. Alternative Energiequellen sind angesichts der Gewalt in der Ukraine von großer Bedeutung, da sich die Welt aus der russischen Energieabhängigkeit befreien will.

Wie steht es mit der Wiederverwendung von Batterien? Wiederverwendung spart Ressourcen, verringert die Verschwendung, verhindert Verschmutzung und bietet zahlreiche andere Vorteile. Salzwasserbatterien zum Beispiel sind einfach wiederzuverwenden, da sie keine schweren Metallmaterialien verwenden. Je weiter sie in der Welt verbreitet sind, desto einfacher ist es, einen Wiederverwendungszyklus für die Batteriematerialien einzurichten. Gleichzeitig ist es nicht schwierig, diese Batterien zu entsorgen, wenn sie ausgedient haben. Das Fehlen von unsicheren synthetischen Stoffen oder von Materialien, deren Entsorgung besondere Anweisungen erfordert, macht dies denkbar.

So sehr die Innovation der Salzwasserbatterien auch unglaubliche Möglichkeiten der Energiespeicherung bietet, sie ist noch immer neu. Die Zukunft der Salzwasserbatterien auf dem Markt ist noch fraglich. Die Fachleute befassen sich derzeit mit den Hemmnissen dieser Innovation. Es ist von grundlegender Bedeutung, Ressourcen in die weitere Erforschung der C-Rate zu stecken. Insbesondere sollten die Hersteller das Problem der geringen Dichte lösen. Die Schaffung von Skaleneffekten wird davon abhängen, dass die Batterien kostengünstiger geliefert werden, damit sie eine Chance haben, mit anderen Innovationen zur Energiespeicherung zu konkurrieren.

Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung und der steigenden Nachfrage nach Speichersystemen für erneuerbare Energien ist die Erforschung von Alternativen und Ersatzstoffen für die bestehenden primären Energiequellen notwendig. Dazu gehört u.a., dass die Lithium-Ionen-Batterien aufgrund der erschöpften Li-Ressourcen und der Bedenken über geopolitische und ökologische Aspekte erhöhte Preise in Kauf nehmen müssen. Hinzu kommt, dass bei den typischen Metall-Ionen-Batterien wie Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Batterien die Kathode 30 bis 35 % der Gesamtkosten ausmacht.

Da die Innovation bei Salzwasserbatterien noch relativ neu ist, müssen noch Fortschritte bei der Herstellung von Batterien in großem Maßstab gemacht werden, die langfristig niedrigere Kosten für Salzwasserbatterien garantieren. Eines der Haupthindernisse von Salzwasserbatterien ist ihre Größe. Sie haben eine geringere Energiedichte und können daher nicht so viel Energie in einem ähnlichen Volumen speichern wie eine Lithium-Partikel- oder Bleikorrosionsbatterie. In der momentanen Phase der Innovation benötigen Salzwasserbatterien viel mehr Platz, um eine ähnliche Energiespeichergrenze zu erreichen wie normale Batteriebänke für nachhaltige Stromversorgungssysteme.

Batteriearten

Welche Batterietechnologie ist die richtige?

Es gibt eine Vielzahl von Batterietechnologien von führenden Anbietern, die für eine Reihe von stationären Batteriespeicheranwendungen konzipiert sind. Fast wöchentlich kommen neue Batterien auf den Markt, so dass es schwierig sein kann, den Überblick zu behalten.

Welche Batterietechnologie die richtige ist, hängt in erster Linie von der Anwendung und den Anforderungen ab. Batterien müssen sorgfältig dimensioniert und gepflegt werden, um eine lange Lebensdauer des Systems und eine lohnende Investition zu gewährleisten.

Lithium-Ionen-Batterien.

L-Ionen-Batterien haben eine Reihe von Vorteilen für stationäre Speicheranwendungen, darunter eine höhere Energiedichte und die Fähigkeit zur Tiefentladung. Man geht davon aus, dass qualitativ hochwertige Lithium-Ionen-Batterien eine Lebensdauer von über 10 Jahren haben, vorausgesetzt, sie verfügen über ein gutes Batteriemanagementsystem (BMS) und bleiben bei milden Temperaturen.

Lithium-Ionen-Batterien sind für größere stationäre Anwendungen wie netzunabhängige und netzgebundene Hybridbatteriesysteme relativ neu. Große, globale Hersteller mit umfassender Erfahrung mit Lithium-Ionen-Batterien, darunter Samsung, LG-Chem, BYD, Sony und Tesla, haben in letzter Zeit leistungsstarke Lithium-Batterien in die Branche der erneuerbaren Energien eingeführt. Um Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, müssen Lithium-Ionen-Batterien von höchster Qualität verwendet werden. Das Angebot an Lithiumbatterien auf dem Markt ist umfangreich.

Powerwall 2.

Tesla Motors hat die Powerwall 2 entwickelt - ein wiederaufladbares 13,5-kWh-Lithium-Ionen-Akkupaket, das Solarstrom für einen verbesserten Eigenverbrauch und eine gewisse Reserveleistung speichert. Die Powerwall 2 verfügt über einen eingebauten Batteriewechselrichter, eine webbasierte Überwachungsplattform und ein separates "Gateway"-Gehäuse, das ein einphasiges Netzisolationsschütz enthält, um ausgewählte Stromkreise bei einem Stromausfall zu isolieren. Die Tesla Powerwall2 ist für Immobilien konzipiert, die über netzgekoppelte Solarsysteme mit einer ausreichenden "überschüssigen Solarproduktion" verfügen, die zumindest ausreicht, um die Batterie für den nächtlichen Verbrauch aufzuladen. Die Powerwall2 ist derzeit nicht für vollständig netzunabhängige Anwendungen geeignet und wird auch nicht dafür garantiert.

VRLA-Batteriebänke.

Eine bewährte Batteriechemie für netzunabhängige Speicheranwendungen. VRLA-Batteriebänke sind verschlossen, erfordern weniger Wartung als Nassbatterien, haben eine bessere Ladestromverarbeitung, niedrigere Installationskosten und eine hohe Wiederaufladeeffizienz. Bei Verwendung einer renommierten Marke, korrekter Dimensionierung, geeignetem Gehäuse und angemessenem Batteriemanagement haben VRLA-Batteriebänke eine Lebensdauer von bis zu 15 Jahren. Die hohe Autonomie der VRLA-Batterien (Reservespeicher, der in Zeiten geringer Energiezufuhr oder erhöhter Nachfrage benötigt wird) macht sie nach wie vor zur idealen Lösung für netzunabhängige Anwendungen.

Geflutete Blei-Säure-Batterien
('Wet-Cells').

Geflutete Blei-Säure-Batterien sind eine kostengünstige und bewährte Lösung für Einzelanwendungen, wenn sie richtig dimensioniert sind und regelmäßig von erfahrenen Personen gewartet werden. Nasszellen müssen regelmäßig gewartet werden, indem der Elektrolytstand überprüft, destilliertes Wasser nachgefüllt wird, um ein Austrocknen zu verhindern, die Oberfläche der Zelle regelmäßig gereinigt und regelmäßig nachgeladen wird, um die Säureschichtung zu überwinden. Nasszellen müssen von allen anderen Geräten getrennt werden und benötigen einen eigenen Lagerraum.

Salzwasser-Batterien.

Dieser Batterietyp liegt im Trend. Bereits gibt es ein paar starke Marken. Eine davon ist Redflow. Die ZCell von Redflow ist eine innovative Durchflussbatterie, die täglich 10 Kilowattstunden (kWh) an gespeicherter Energie liefern kann, indem sie Energie von Ihren Solarmodulen oder preiswertem Strom außerhalb der Spitzenlastzeiten aufnimmt, um sie dann zu nutzen, wenn Sie sie brauchen.

Salzbatterien.

Wo ist der Einsatz einer Salzbatterie sinnvoll?
Überall dort:
- wo viel Energie erzeugt wird und eine mittlere Leistung benötigt wird
- wo eine lange Lebensdauer erforderlich ist
- wo ein wartungsfreier Einsatz erforderlich ist
- wo in kritischen Infrastruktursystemen eine Minimierung der Brandlast erforderlich ist
- wo extreme klimatische Bedingungen herrschen

Im Wesentlichen sind das Haushalte und Gewerbebetriebe, die einen stationären Batteriespeicher für den normalen mittleren Strombedarf benötigen.

Wofür ist die Salzbatterie nicht geeignet?

Überall dort, wo eine hohe Leistung benötigt wird, wie z.B. bei eMobility oder Netzdienstleistungen.

Vorteile der Salzbatterie.
Salzbatterien:
- sind aus unbedenklichen Materialien hergestellt
- werden zu 100 % recycelt
- fördern die schweizerische und europäische Wertschöpfungskette
- sind absolut sicher (nicht brennbar, nicht explodierend)
- erfordern keine zusätzlichen baulichen Massnahmen (wie Brandschutz, Temperaturkontrolle, Lüftung)
- können fast überall aufgestellt werden wo es trocken ist (Keller, Garage, Schuppen, Dachboden, etc.)
- laufen auch bei extremen Temperaturen von -20° bis +60° C
- können komplett tiefentladen oder in den Winterschlaf versetzt werden
- haben eine Lebensdauer von mindestens 15 Jahren und sind wartungsfrei
- sind extrem robust und haben eine hohe Energiedichte (wie LIB)

Die Salzbatterie schneidet im Vergleich zu anderen Batterien gut ab. Nicht alle Batterien sind gleich. Es gibt große Unterschiede in Bezug auf Effizienz, Ökologie, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit. In Bezug auf Größe und Gewicht hat die Salzbatterie ungefähr die gleiche Energiedichte wie Lithium-Ionen-Batterien. Betrachtet man den Temperaturbereich, so ist die Salzbatterie allen anderen Batterietypen weit voraus. Mit einem Temperaturbereich von +60°C bis -20°C kann sie sowohl unter heißen Bedingungen, wie in Afrika, als auch unter sehr kalten Bedingungen, wie im Winter draußen, betrieben werden.

Lebensdauer.

Die Restkapazität beträgt nach 10 Jahren noch 100 %. Der Tod der Batterie tritt nicht abrupt ein, wie bei Blei oder Lithium-Ionen, sondern sehr langsam. Wenn eine Zelle ausfällt, wird sie überbrückt, und nur die Speicherkapazität wird um die geringe Menge dieser Zelle verringert. Ansonsten funktioniert der Akku weiter wie bisher. Wenn dieser Batterietod nach etwa 15 Jahren einsetzt, kann jederzeit eine neue Batterie eingesetzt werden. Die alte Batterie kann weiter verwendet werden, bis ihre Speicherkapazität vollständig aufgebraucht ist.

Wartung.

Die Batterie benötigt keinen Entladepuffer, d.h. sie kann vollständig entladen werden, ohne Schaden zu nehmen. Man kann sie problemlos abkühlen lassen, abschalten und erst Monate später wieder einschalten. Im Gegensatz zu Blei-Säure- und Lithium-Batterien kann die Salzbatterie weder brennen noch explodieren. Sie benötigt keine Belüftung, keine Klimaanlage, keine Temperaturkontrolle und keine speziellen Brandschutz- oder Feuerwarnvorrichtungen. Die Salzbatterie ist absolut sicher. Sie ist auch nicht giftig, ätzend oder schädlich für die Umwelt. Sie ist das Salz in der Suppe der Batteriespeicher.

Nachhaltigkeit.

Salzbatterien enthalten keine bedenklichen und umweltschädlichen Stoffe. Alle Rohstoffe sind weltweit in ausreichender Menge verfügbar. Bei der Suche nach dem richtigen Lieferanten kann auf hohe Qualität, saubere Rohstoffgewinnung und möglichst kurze Transportwege geachtet werden. Dieser nachhaltige Ansatz zeigt sich auch darin, dass es Salzbatterien gibt, die zu 100% in der Schweiz nach den höchsten Schweizer Umwelt- und Arbeitsstandards hergestellt werden.

Die Hersteller von Salzbatterien sind auf gute Rohstoffqualität angewiesen. Zu den wichtigsten gehören:

Salz
Natriumchlorid (NaCL), auch Kochsalz genannt, ist ein lebenswichtiges Element. Es ist überall verfügbar, auch in der Schweiz. Am besten wird das hochreine Salz aus Schweizer Salinen verwendet. Das garantiert kurze Transportwege mit weniger CO2-Emissionen.

Eisen
Der Rohstoff Eisen (Fe) wird in sehr vielen Ländern abgebaut und verarbeitet. Es ist ein Material, das uns überall im täglichen Leben begegnet. Das Gute daran ist, dass kein Land mit seinem Abbau so dominant ist, dass es ein Monopol hat. Am besten wird Stahl aus Europa verwendet.

Nickel
Nickel (Ni) ist ein seltener Rohstoff, seltener als Salz und Eisen. Aber auch Nickel wird weltweit gut verteilt abgebaut. Nickel ist ein Legierungsmetall, das vor allem bei der Stahlveredelung verwendet wird. Nickel macht Stahl korrosionsbeständig und erhöht seine Härte und Zähigkeit.

Keramiken
Der Oberbegriff "keramische Körper" ist in der Fachsprache die Bezeichnung für eine Vielzahl von anorganischen, nichtmetallischen Werkstoffen. Keramik ist einfach gesagt nichts anderes als sehr feiner Ton, von dem es weltweit viele verschiedene Sorten gibt wie zum Beispiel Keramiken, die natriumionenleitend sind.

Wie funktioniert die Salzwasser-Batterie

Ein neues Speichermedium.

Es wird Salzwasser als Speichermedium für die Energie verwendet, was viele Vorteile hat. Als Durchflussbatterie - eine Batterie, die Energie in Elektrolytflüssigkeiten speichert - können spezielle Salzwasserbatterien die Kapazität von Leistung (kW) und Energie (kWh) unabhängig voneinander verändern. Dank dieser Technologie kann die Speicherkapazität so einfach erhöht werden wie das Hinzufügen von Wasserreservoirs oder die Verwendung größerer Tanks. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwendet die innovative Technologie ungiftige Materialien wie Wasser und Kochsalz.

Eine wichtige Komponente ist die bipolare Ionenaustauschmembran. Hier findet die Stromumwandlung von Salzwasser in Säure und Base statt. Dieses Bauteil ist es von entscheidender Bedeutung. Es braucht qualitativ hochwertige und kostengünstige Membranen, um die Salzwasserbatterie im industriellen Massstab zu fertigen.

Dies gewährleistet Sicherheit vor Brand- und Gesundheitsrisiken und hat gleichzeitig eine geringe CO2-Bilanz.

Die Energieversorgung schwankt, daher ist eine gute Energiespeicherung entscheidend. Wenn es um erneuerbare Energiequellen geht, sind Sonnen- und Windenergie hervorragend - aber sie sind unregelmäßig. Schwankende Energiequellen brauchen daher starke Speicherlösungen, damit sie gut genutzt und dorthin geleitet werden können, wo sie gebraucht werden.

Da die Energieversorgung zunehmend aus solchen erneuerbaren Quellen stammt, führt dies zu einem instabilen Stromnetz und möglichen Stromausfällen. Batterien können dieses Problem lösen, indem sie Energie speichern und wieder abgeben, um Angebot und Nachfrage aufeinander abzustimmen, und so dem Energienetz die dringend benötigte Flexibilität verleihen.

Vorteile der Salzwasser-Batterie

Energiespeichertechnologie der Zukunft.

Salzwasserbatterien haben aufgrund ihrer Chemie viele Vorteile. Einige haben dazu beigetragen, sie zu einer potenziellen Energiespeichertechnologie der Zukunft zu machen, auch in Verbindung mit einer Photovoltauik-Anlage.

Sicherheit.

Während handelsübliche Batterien (wie die Tesla Powerwall oder die LG Chem RESU) sicher in der Anwendung sind, zeichnen sich Salzwasserbatterien in dieser Kategorie aus. Das Salzwasser im System bedeutet, dass bei der Salzwasserbatterie-Technologie grundsätzlich kein Brandrisiko besteht. Außerdem werden in Salzwasserbatterien nicht die gleichen giftigen Metalle und anderen Materialien verwendet wie in den meisten Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Batterien.

Leicht zu recyceln.

Ein weiterer Vorteil von Salzwasserbatterien ohne Schwermetalle und giftige Materialien ist, dass sie leichter zu recyceln sind. Da die Verwendung von Batterien weltweit weiter zunimmt, sind Pläne für das Recycling gebrauchter Batteriekomponenten unerlässlich, um Batterien zu einer wirklich nachhaltigen Energietechnologie zu machen.

Langer Lebenszyklus.

Salzwasserbatterien haben eine lange Lebensdauer, d. h. sie können über einen längeren Zeitraum als viele andere auf dem Markt erhältliche Batterien verwendet werden. Das hat viele Auswirkungen - zum Beispiel müssen Sie eine Salzwasserbatterie wahrscheinlich nicht so oft austauschen wie die meisten Lithium-Ionen-Batterien, was Ihnen auf lange Sicht Geld sparen kann.

Nachteile von Salzwasser-Batterien

Grösse und hohe Anschaffungskosten.

Bei so vielen Vorteilen dieser Technologie sollte man meinen, dass Salzwasserbatterien bei jedem Solarsystem für Privathaushalte installiert und in großem Umfang für Stromspeicherprojekte verwendet würden. Das ist jedoch nicht der Fall, und dafür gibt es ein paar wichtige Gründe.

Die größte Hürde, die Salzwasserbatterien davon abhält, sich auf dem Massenmarkt durchzusetzen, sind die Anschaffungskosten - insbesondere die Kosten im Vergleich zur etablierten marktführenden Technologie: Lithium-Ionen-Batterien. Die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien sind in den letzten Jahren exponentiell gesunken, während wir gerade erst anfangen, mit Salzwasserbatterien zu experimentieren.

Eines der offensichtlichsten Probleme im Zusammenhang mit den Kosten von Salzwasserbatterien ist ihre Größe. Salzwasserbatterien haben eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien, was bedeutet, dass sie auf gleichem Raum weniger Energie speichern. Das ist problematisch, denn eine geringere Energiedichte bedeutet eine größere Batterie, und größere Batterien verbrauchen mehr Material und kosten mehr in der Herstellung. Da die Preise für Lithium-Ionen-Batterien weiter sinken, wird das Kostenproblem für Salzwasserbatterien nur noch größer werden. Bis Salzwasserbatterien in großem Maßstab hergestellt werden, wird der Preis wahrscheinlich weiterhin das größte Hindernis für ihre kommerzielle Verfügbarkeit sein.

Wieso sind Salzwasser-Batterien im Trend

Unbedenklich und klimaschonend.

Salzwasserbatterien speichern Energie, die Sie später nutzen können. Ihre Technologie unterscheidet jedoch von Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien. Diese Batterien nutzen eine flüssige Salzwasseranordnung zum Speichern und Freigeben von Energie. Außerdem ist das wesentliche Element für die Steuerung der Energie in Salzwasserbatterien Natrium, während Lithium-Ionen-Batterien auf Lithium angewiesen sind.

Die Zellen enthalten Salzwasser in ihrem Gerüst. Daher besteht keine Brandgefahr. Salzwasserbatterien enthalten nicht die sehr zerstörerischen Materialien, die man in Lithium-Partikel- oder Bleikorrosionsbatterien findet. Daher der Umgang mit ihnen unbedenklicher und sind sie klimaschonender. Die auf Sonnenlicht basierenden PV-Anlagen halten über 20 Jahre. Die Batterie soll deshalb eine mindestens so lange Lebensdauer haben. Salzwasserbatterien erfüllen diese Eigenschaft. Sie sind widerstandsfähiger als die anderen Energiespeicherbatterien auf dem Markt. Salzwasserbatterien halten 5.000 Zyklen.

Salzwasserbatterien können vollständig entladen werden, ohne die Batterie zu beschädigen. Ebenso hat die vollständige Freigabe der Batterie keinen Einfluss auf das Existenzmuster des Kapazitätsrahmens. Außerdem kann die Batterie wochen- oder tagelang ohne Ladung bleiben. Daher sind Batterieträger zur Kontrolle der Ladung übermäßig wichtig.

Salzwasser-Batterien vs. Lithium-Ionen-Batterie

Meerwasser - unerschöpfliche Ressource.

Der Hauptunterschied zwischen Salzwasserbatterien und anderen wie Lithium-Ionen- oder Lithium-Partikel- oder Bleikorrosionsbatterien liegt in der Mitte der Batterie. Diese Batterie verwendet Salzwasser, das aus Meerwasser gewonnen wird, als Elektrolytanordnung, daher auch der Name. Dabei wird Natrium als grundlegender Leitstoff verwendet, was eine viel sicherere Wahl ist als Lithiumpartikel oder Lithiumeisenphosphat. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien benötigen Salzwasserbatterien keine präventive Unterstützung. Außerdem werden diese Batterien nicht unter Verwendung von riskanten oder schädlichen Materialien hergestellt, weshalb sie keine Explosionsgefahr darstellen und keine für Menschen giftigen Stoffgase abgeben. Der Verzicht auf riskante synthetische Stoffe bei der Herstellung von Salzwasserbatterien macht sie nicht nur sicherer, sondern garantiert auch, dass sie vollständig freigesetzt werden können, ohne die Batterie zu beschädigen.

Der größte Unterschied zwischen Lithium-Partikel- und Salzwasserbatterien ist ihre Größe und Energiedichte. Lithiumbatterien haben eine hohe Energiestärke und halten höhere Ladungen in ihren Energiezellen, während Salzwasserbatterien eine geringere Energiestärke haben und deutlich weniger Energie in einer Batterie ähnlicher Größe speichern. Wenn man über die Sicherheit von Salzwasserbatterien nachdenkt, könnten diese Batterien, sofern der Platz keine Rolle spielt, auf lange Sicht für Häuser mit Photovoltaik-Anlagen zuverlässig sein.

Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden Batteriearten sind die Kosten. Durch die groß angelegte Herstellung von Lithium-Partikel-Batterien sind die Montagekosten drastisch gesunken. Mit der Salzwasser-Innovation fängt die Branche gerade erst an und die Produktionskosten sind noch zu hoch, um sie überhaupt in Betracht zu ziehen. Aber es gibt einen ansehnlichen Markt, den Salzwasserbatterien erobern könnten, insbesondere in Unternehmen oder modernen Anwendungen, bei denen das Wohlbefinden eine wichtige Rolle spielt.

Salzwasser-Durchfluss-Batterie

Stromspeicherung in großem Maßstab.

Angesichts der rasant steigenden Lithiumpreise und der langen Wartezeiten für groß angelegte Energiespeicher müssen andere Batteriealternativen in Betracht gezogen werden. Die Salzwasserbatterie ist die nächste grosse Innovation im Bereich der Energiespeicherung in industriellen Maßstab.

Salzwasser-Durchflussbatterien sind für die Stromspeicherung in großem Maßstab geeignet und zeichnen sich durch niedrige Kosten und leicht verfügbare Komponenten aus. Eine Salzwasser-Durchflussbatterie ist eine wasserbasierte Chlorflussbatterie mit geschlossenem Kreislauf, die Salzwasser (Sole) als primären Elektrolyten verwendet. Mit einer Lebenserwartung von etwa 25 Jahren und aktiven Materialkosten von etwa 5 Franken/kWh und ohne die Notwendigkeit einer Membran ist diese Batterie ein ernstzunehmender Konkurrent zu Lithium- oder Vanadium-Batterien. Die Gesamtherstellungskosten des Systems liegen unter 100 Franken/kWh. Die Energiedichte liegt bei über 120 Wh/L und die Spitzenleistungsdichte bei über 300 mW/cm2.

Meerwasser-Batterien

Meerwasser - unerschöpfliche Ressource.

Die Knappheit und die hohen Kosten von Lithium haben Forscher dazu veranlasst, nach alternativen Arten von wiederaufladbaren Batterien zu suchen, die aus reichlich vorhandenen Materialien wie Natrium hergestellt werden. Eine besonders vielversprechende Art von Batterien auf Natriumbasis sind Meerwasserbatterien, die Meerwasser als Kathode verwenden. Wissenschaftler entwickeln derzeit einen effizienten Syntheseweg zur Herstellung eines neuartigen kodotierten Anodenmaterials für wiederaufladbare Hochleistungs-Meerwasserbatterien.

Eine wiederaufladbare Meerwasserbatterie besteht aus einer Seite mit organischem Elektrolyt und einer Seite mit wässrigem Elektrolyt, die durch eine feste Natriumdiffusionsmembran getrennt sind. Der organische Teil besteht aus elementarem Natrium als Anode. Wenn die Meerwasserbatterie mit Meerwasser in Berührung kommt, können die freien und reichlich vorhandenen Natriumionen des Katholyten während des Ladevorgangs in das Anodenfach wandern. Sie werden schließlich als elementares Natriummetall gespeichert. Auf der Kathodenseite führt die Sauerstoffentwicklungsreaktion zu einer theoretischen Zellspannung von 3,48 V. Bei der anschließenden Entladung werden die Natriumionen wieder freigesetzt und an das Meerwasser abgegeben, und der gelöste Sauerstoff wird reduziert, was als Sauerstoffreduktionsreaktion bezeichnet wird.

Meerwasserbatterien sind einzigartige Energiespeichersysteme für die nachhaltige Speicherung erneuerbarer Energien durch die direkte Nutzung von Meerwasser als Quelle für die Umwandlung von elektrischer Energie und chemischer Energie. Diese Technologie ist eine nachhaltige und kosteneffiziente Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien und profitiert von dem im Meerwasser reichlich vorhandenen Natrium als Ladungstransfer-Ionen. 

Salzbatterien

Salzbatterien sind nicht gleich Salzwasserbatterien.

Die Salzbatterie ist eine Natrium-Nickel-Batterie. Salzbatterien sind keine Hochleistungsbatterien für hohe Lade- und Entladeströme. Sie benötigen eine gewisse interne Energie, um die Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Sie sind hochpreisig, da sie nicht in Niedriglohnländern hergestellt werden und sie haben nicht die Vorteile großer Produktionsmengen.

Nicht nur das Recycling ist wichtig, sondern auch die Verfügbarkeit und der Abbau von Rohstoffen. Am besten ist natürlich eine Kreislaufwirtschaft. Bei einer Salzbatterie können nach 10 Jahren Einsatz die Materialien recycelt werden. Sowohl die einzelnen Zellen als auch die gesamte Batterie. Das Recycling der Salzbatterie ist bereits seit 15 Jahren standardisiert und industrialisiert. Die Metalle werden eingeschmolzen und an die Metallindustrie zurückgegeben. So könnte eine Pfanne auf dem Herd in der Vergangenheit einmal eine Salzbatterie gewesen sein. Das Salz und die Keramiken werden im Straßenbau weiterverarbeitet. So ist der Stoffkreislauf der Salzbatterie nahezu perfekt gelöst.

Die Salzbatterie besteht aus geschmolzenem Salz (NaAlCl4) bei 250 Grad. Dazu gibt es Nickel, Natrium und Chlor. Der Ladestrom der Sonne heizt dem Natrium-Chlor Paar ein. Natrium und Chlor werden getrennt. Chlor verbindet sich mit Nickel und das Nickel-Chlorid-Salz entsteht. Natrium wird isoliert. Hinter den keramischen Elektrolyten (Beta-Keramik-Separator) fallen Elektronen zu und es findet eine Verschmelzung zu rein metallischem Natrium statt. Die flinken Elektronen sind nachts aber flüchtig und lassen das Natrium einfach im Stich (die Batterie ist entladen), die Natriumverbindung mit Elektronen bricht auseinander. Hinter dem Separator wartet Chlor auf eine neue Verbindung mit Natrium. Jetzt wird richtig Energie freigesetzt.

Einst wurde eine Salzbatterie in die Mercedes A-Klasse eingebaut. Damals waren General Motors (EV1 mit Nickel-Metallhydrid-Batterie), Daimler (A-Klasse mit Saline-Batterie) und Ford (Think mit Saline-Batterie) die weltweiten Pioniere der Elektromobilität. Daimler hat die Salzbatteriefabrik verkauft und sie landete im schweizerischen Stabio unter der Herrschaft von FIAMM, wo sie sich bis heute befindet. FIAMM produziert rund 750.000 Zellen pro Jahr.

Forschung und Entwicklung

Die Meerwasserbatterie ist noch in Entwicklung.

Die Forschung hat die Leistung dieses Batterietyps in den letzten Jahren erheblich verbessert und überarbeitet. Allerdings müssen in künftigen Studien noch grundlegende Einschränkungen der Technologie überwunden werden, um diese Methode noch praktikabler zu machen. Zu den Nachteilen gehören die Degradation der Anodenmaterialien oder die begrenzte Stabilität der Membranen in wässrigem Salzwasser, was zu einer geringen elektrochemischen Leistung und einem niedrigen Coulomb-Wirkungsgrad führt.

Die Verwendung von Meerwasserbatterien geht über die Anwendung zur Energiespeicherung hinaus. Die elektrochemische Immobilisierung von Ionen, die für den Betrieb von Meerwasserbatterien charakteristisch ist, ist auch ein wirksamer Mechanismus für die direkte Meerwasserentsalzung. Die hohe Lade-/Entladeeffizienz und die Energierückgewinnung machen Seewasserbatterien zu einer attraktiven Technologie für die Wasseraufbereitung.

Trotz der vielen potenziellen Anwendungen von Meerwasserbatterien hat die begrenzte Leistung der verfügbaren Materialien ihre Vermarktung behindert. Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler ein neuartiges ko-dotiertes Kohlenstoffmaterial für die Anode von Meerwasserbatterien entwickelt. Der einfache Syntheseweg und die hohe Leistung des entwickelten Anodenmaterials werden den Weg für die breite Einführung von Meerwasserbatterien ebnen, die sicherer und kostengünstiger als Lithium-Ionen-Batterien sind.

Obwohl Meerwasserbatterien umweltfreundlich und natürlich feuersicher sind, bleibt die Entwicklung von Hochleistungsanodenmaterialien zu vernünftigen Kosten ein großer Engpass, der die Kommerzialisierung verhindert. Herkömmliche kohlenstoffbasierte Materialien sind eine attraktive und kosteneffiziente Option, aber sie müssen mit mehreren Elementen, wie Stickstoff (N) und Schwefel (S), kodotiert werden, um ihre Leistung auf ein gleichwertiges Niveau zu steigern. Leider sind die derzeit bekannten Synthesewege für die Kodotierung komplex, potenziell gefährlich und führen nicht einmal zu akzeptablen Dotierungsgraden.

Die potenziellen maritimen Anwendungen von Meerwasserbatterien sind vielfältig, da sie sicher betrieben werden können, während sie vollständig in Meerwasser eingetaucht sind. Sie können zur Notstromversorgung von Kernkraftwerken in Küstennähe eingesetzt werden, was bei der Verwendung herkömmlicher Dieselgeneratoren im Falle einer Tsunami-Katastrophe schwierig ist. Außerdem können sie auf Bojen installiert werden, um die Navigation und die Fischerei zu unterstützen. Am wichtigsten ist vielleicht, dass Meerwasserbatterien im wahrsten Sinne des Wortes lebensrettend sein können, denn Meerwasserbatterien können als Energiequelle für Bergungsgeräte auf Passagierschiffen eingesetzt werden. Sie würden nicht nur eine höhere Energiedichte als herkömmliche Primärbatterien liefern, sondern auch einen stabilen Betrieb ermöglichen.

Wiederauflad-bare Meer-wasserbatterie

Eine Weiterentwicklung der wiederaufladbaren Natrium-Ionen-Batterie ist die wiederaufladbare Meerwasserbatterie, die aufgrund ihrer einzigartigen Konfiguration gleichzeitig Energiespeicherung und Entsalzung betreiben kann. Meerwasser, das etwa zwei Drittel unseres Planeten bedeckt und eine Natriumkonzentration von etwa 470 mm aufweist, ist eine quasi-überreichliche Ressource für Natriumionen. Die ersten kommerziellen primären Meerwasserbatterien, d. h. Zellen, die nicht wieder aufgeladen werden können, wurden 1943 entwickelt. Das Forschungsfeld wurde 2014 mit dem Fokus auf sekundäre, das heisst wiederaufladbare Meerwasserbatterien neu belebt. Wässrige wiederaufladbare Natriumionenbatterien sind eine vielversprechende und umweltfreundliche Möglichkeit, elektrochemische Energie zu speichern, indem Meerwasser als kostengünstiger Elektrolyt zirkuliert; sie beseitigen viele der Sicherheitsprobleme organischer Elektrolyte.

Seit die wiederaufladbaren Meerwasserbatterien 2014 auf den Markt kamen, haben die meisten Weiterentwicklungen die Leistung optimiert, einschließlich der Anoden- und Kathodenmaterialien, des Anolyten und Katholyten und der Zellarchitektur. Es fehlt jedoch eine systematische Übersicht, welche die Beziehung zwischen den Komponenten der wiederaufladbaren Meerwasserbatterien, ihrer Anwendung in Entsalzungssystemen und ihrer Leistung analysiert. Dies mag mit einer Trennung zwischen den Bereichen Energiespeicherung und elektrochemische Wasserentsalzung zusammenhängen. Unserer Ansicht nach sind beide Bereiche eng miteinander verbunden und befinden sich in der kritischen Schnittstelle zwischen Wasser- und Energieforschung.

Die Erkenntnis, dass es sich bei Batterien um elektrochemische Ionenmanagement-/Ionenspeichergeräte handelt, ist ein Schlüssel zur Erschließung bisher ungeahnter Synergien zwischen der Batterie- und der Entsalzungsbranche. Die Doppelfunktionalität kann dazu beitragen, gleichzeitig intermittierend verfügbare erneuerbare Energie zu speichern und sauberes Trinkwasser für Wohngebiete und die Landwirtschaft bereitzustellen. Eine wachsende Menge an entsalztem Wasser wird auch die großtechnische Produktion von grünem Wasserstoff erheblich voranbringen.

Anwendung von Meerwasser-Batterien

Mehr als nur Energiespeicherung.

Die Verwendung von Meerwasserbatterien geht über die Anwendung zur Energiespeicherung hinaus. Die elektrochemische Immobilisierung von Ionen, die für den Betrieb von Meerwasserbatterien charakteristisch ist, ist auch ein wirksamer Mechanismus für die direkte Meerwasserentsalzung. Die hohe Lade-/Entladeeffizienz und die Energierückgewinnung machen Seewasserbatterien zu einer attraktiven Technologie für die Wasseraufbereitung.

Trotz der vielen potenziellen Anwendungen von Meerwasserbatterien hat die begrenzte Leistung der verfügbaren Materialien ihre Vermarktung behindert. Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler ein neuartiges ko-dotiertes Kohlenstoffmaterial für die Anode von Meerwasserbatterien entwickelt. Der einfache Syntheseweg und die hohe Leistung des entwickelten Anodenmaterials werden den Weg für die breite Einführung von Meerwasserbatterien ebnen, die sicherer und kostengünstiger als Lithium-Ionen-Batterien sind.

Obwohl Meerwasserbatterien umweltfreundlich und natürlich feuersicher sind, bleibt die Entwicklung von Hochleistungsanodenmaterialien zu vernünftigen Kosten ein großer Engpass, der die Kommerzialisierung verhindert. Herkömmliche kohlenstoffbasierte Materialien sind eine attraktive und kosteneffiziente Option, aber sie müssen mit mehreren Elementen, wie Stickstoff (N) und Schwefel (S), kodotiert werden, um ihre Leistung auf ein gleichwertiges Niveau zu steigern. Leider sind die derzeit bekannten Synthesewege für die Kodotierung komplex, potenziell gefährlich und führen nicht einmal zu akzeptablen Dotierungsgraden.

Die potenziellen maritimen Anwendungen von Meerwasserbatterien sind vielfältig, da sie sicher betrieben werden können, während sie vollständig in Meerwasser eingetaucht sind. Sie können zur Notstromversorgung von Kernkraftwerken in Küstennähe eingesetzt werden, was bei der Verwendung herkömmlicher Dieselgeneratoren im Falle einer Tsunami-Katastrophe schwierig ist. Außerdem können sie auf Bojen installiert werden, um die Navigation und die Fischerei zu unterstützen. Am wichtigsten ist vielleicht, dass Meerwasserbatterien im wahrsten Sinne des Wortes lebensrettend sein können, denn Meerwasserbatterien können als Energiequelle für Bergungsgeräte auf Passagierschiffen eingesetzt werden. Sie würden nicht nur eine höhere Energiedichte als herkömmliche Primärbatterien liefern, sondern auch einen stabilen Betrieb ermöglichen.

Kurz- und Langzeit-speicherung

Stabilisierung der Stromnetze.

Die Energieversorgung aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind ist unstetig, und überschüssiger Strom geht verloren, wenn die Energie nicht gespeichert wird. Da die Energieversorgung zunehmend aus solchen erneuerbaren Quellen stammt, führt dies zu einem instabilen Stromnetz und möglichen Stromausfällen. Batterien können dieses Problem lösen, indem sie Energie speichern und wieder freisetzen, um Angebot und Nachfrage aufeinander abzustimmen, und so dem Netz die dringend benötigte Flexibilität verleihen.

Angesichts des steigenden Anteils erneuerbarer Energien am Strommix sind Technologien zur Langzeitspeicherung von Energie von entscheidender Bedeutung für die Integration von Ökostrom in das Netz und die Unterstützung der Dekarbonisierung der Wirtschaft. Die Salzwasserbatterie könnte eine praktisch unbegrenzte Speicherkapazität von 8 Stunden bis hin zu Tagen, Wochen oder sogar saisonal bieten.

Nachhaltige Entwicklung

Orientierung an nachhaltigen Entwicklungszielen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Na-Ionen-Batterien kein Kobalt benötigen, das in Lithium-Ionen-Batterien immer noch benötigt wird. Das meiste Kobalt, das heute für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, wird in sozial und ökologisch benachteiligten Regionen abgebaut. Die Entwicklung einer vielversprechenden Post-Lithium-Energiespeichertechnologie mit all ihren Veränderungen und Optimierungen stellt somit einen Ansatz für die Forderungen der Nachhaltigen Entwicklungsziele der Vereinten Nationen dar.

Zu den nachhaltigen Entwicklungsziele gehören: nachhaltiges Wassermanagement, nachhaltiger Konsum, Produktion und Entwicklung von Gemeinschaften, Eindämmung des Klimawandels, nachhaltige Nutzung der Ozeane und terrestrischen Ökosysteme sowie bezahlbare und saubere Energie. Natrium-Ionen-Technologien und andere Technologien, die über Lithium hinausgehen, können sich das Know-how und die Materialien zunutze machen, die aus der jahrzehntelangen Forschung und Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien zur Verfügung stehen. Die Technologie der Na-Ionen-Batterien befindet sich dagegen noch in der Entwicklung. Forscher arbeiten daran, ihre Lebensdauer zu erhöhen, die Ladezeit zu verkürzen und Batterien herzustellen, die viele Watt Leistung liefern.

Neben der Energiespeicherung ist die nachhaltige Wassernutzung ein weiterer wichtiger Bestandteil der nachhaltigen Entwicklung im 21 Jahrhundert. Nach Angaben der Vereinten Nationen haben derzeit etwa 3 Milliarden Menschen nur begrenzten Zugang zu sicherem Trinkwasser. Zwei von drei Menschen werden bis 2050 weltweit mit Wassermangel konfrontiert sein. Etwa 97 % des Wassers der Erde befinden sich in den Ozeanen, die ein großes Potenzial als Trinkwasser-, Landwirtschafts- und Industriewasserressourcen haben.

Dies gilt insbesondere für die aufstrebende globale Wasserstoffwirtschaft, in der Meerwasser eine reichhaltige Wasserquelle für die Wasserstoffproduktion darstellt. Bisher wurden verschiedene Entsalzungstechnologien erforscht, die sich in thermische Verfahren (d. h., Multieffekt-Destillation, mehrstufige Flash-Destillation, membranbasierte Verfahren und elektrochemische Verfahren (wie Elektrodialyse, kapazitive Deionisation, Entsalzungsbatterien, Entsalzungsbrennstoffzellen unterteilt werden können. Bei der Entsalzung dominiert die Umkehrosmose mit einem Energieverbrauch von 3-5 kWh m-3, die mehr als 70 % der Energie der gesamten Meerwasserentsalzungsanlagen verbraucht. Für die großtechnische Meerwasserentsalzung sind energieeffizientere Technologien erforderlich.

Schlussfolgerung

Einzigartige Innovation.

Salzwasserbatterien stellen eine einzigartige Innovation im Bereich der sonnenbasierten Energiekapazität dar. Sie mögen zwar sperriger sein als andere Arten, sind aber sicherer für Sie und das Klima. Die Batterien basieren auf Salzwasser-Elektrolyten-Materialien, die beim Zusammenbau verwendet werden. Sie sind nicht schädlich, nicht entflammbar und nicht explosionsgefährdet. Obwohl die Innovation noch jung ist, hat sie sich als sehr sicher und zuverlässig erwiesen. Leider kann die Montage ein Vermögen kosten, was die Zugänglichkeit in vielen Geschäftsbereichen beeinträchtigt. Da die Wegbereiter diese Innovation weiter erforschen, sind große Fortschritte bei der Anpassungsfähigkeit zu erwarten. Mit der Entwicklung des Geschäfts könnte sie sich zur ersten Wahl bei schwindenden Mitteln entwickeln. Die Salzwasserbatterie soll künftig kostengünstig, hochgradig skalierbar und nachhaltig sein.

Ersatz von Lithium-Ionen-Batterien, neue Batterietypen.