Das Kompetenzzentrum Speicherung zieht nach einem Jahr Bilanz
Am vergangenen 4. November fand am Paul Scherrer Institut das erste Jahressymposium des Kompetenzzentrum des Bundes für Forschung zu Strom- und Wärmepeicherung (SCCER Heat and Electricity Storage) statt. Vertreter aus den beteiligten Forschungsgruppen sowie aus Industrieunternehmen mit einem Bezug zum Thema Speicherung berichteten in ihren Vorträgen über die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Wärme- und Stromspeicherung in der Schweiz. Die Tagung zeigte die Intensität der Transformationen, die von der Energiestrategie 2050 in Gang gesetzt worden sind. „Obwohl die Arbeit im SCCER Speicherung erst auf ein knappes Jahr zurückblicken kann, stimmen die bereits gewonnen Erkenntnisse optimistisch“, sagte Thomas Justus Schmidt, Leiter des Labors für Elektrochemie am PSI und Leiter des SCCER Speicherung. Viele Ideen, Forschungsprojekte und Demonstrationsanlagen werden zudem in den kommenden Jahren entwickelt und aufgebaut werden. Das SCEER Speicherung setzt sich aus fünf virtuellen Kompetenzteams mit den Schwerpunkten (Batteriespeicher, Wärmespeicher, Wasserstoff, Synthetische Brennstoffe und Integration der Speichersysteme) zusammen. Im Folgenden wird eine Zusammenfassung der nach den fünf Themen gegliederten Referate gegeben.
Batteriematerialien für die Zukunft
Die bisher bei den Batteriematerialien erzielten Fortschritte dieses Kompetenzteams, bestehend aus den Gruppen von Katharina Fromm (Universität Freiburg) sowie Petr Novák und Claire Villevieille vom Paul Scherrer Institut (PSI) präsentierte Maksym Kovalenko von ETH Zürich und Empa. Dieses Thema wird zusammen mit den Gruppen von Katharina Fromm (Universität Freiburg) sowiePetr Novák und Claire Villevieille vom Paul Scherrer Institut (PSI) bearbeitet. In einer Batterie wie etwa der Lithiumionen-Batterie möchte man Elektrodenmaterialien einsetzen, die möglichst der jeweiligen Ionen reversibel speichern können, erläuterte Kovalenko. Das heisst, dass man beispielsweise Lithiumionen beim Laden leicht in die Elektrode einlagern und beim Entladen wieder leicht entnehmen kann. Zudem sollen möglichst viele Lade-Entladezyklen ohne wesentliche Verschlechterung der Speicherkapazität möglich sein. Kovalenko skizzierte die Ziele der Arbeiten in seinem Arbeitspaket: Man möchte das zurzeit am häufigsten eingesetzte Anodenmaterial, Graphit, durch Alternativmaterialien ersetzen, die ein mindestens doppelt so grosses Speichervermögen ermöglichen. Einige Materialien weisen sogar ein Zehnfaches des Speichervermögens von Graphit auf. Langfristig stehe auch die Suche nach besseren Kathodenmaterialien auf dem Programm, aber hier zeige sich eine deutlich schwierigere Ausgangslage, wie Kovalenko betonte. Für Natriumionen-Batterien stellt sich die Situation, was die Verfügbarkeit potenziell einsetzbarer Materialien anbelangt, sogar etwas besser dar als für Lithium-basierte Systeme. Laut Kovalenko gibt es für Natriumionen-Batterien viel mehr Materialien, die für den Einsatz in den Elektroden in Frage kämen. Warum Nanomaterialien? Die zum Teil drastische Volumenänderung um das Vier- bis Sechsfache beim Laden und Entladen ist die grösste Herausforderung für künftige Anodenmaterialien in Lithiumionen-Batterien. Die Elektroden erfahren unter diesen Volumenänderungen sehr hohe mechanische Belastungen und können in der Folge zerfallen. Einen Ausweg aus diesem Problem bieten Materialien, die sehr fein -auf der Skala von Nanometern- strukturiert sind. Diese Nanomaterialien sind weitaus poröser als die gewöhnlichen, gröber strukturierten Festkörper, aus denen Elektroden bisher bestehen. Dank ihrer hohen Porosität können Nanomaterialien Ionen aufnehmen, ohne dass sich ihr Volumen zu stark verändert. Zudem lösen Nanomaterialien ein typisches Problem von Kathodenmaterialien: deren teilweise geringe Fähigkeit, Elektronen bzw. Ionen zu leiten. Nanomaterialien können leicht in eine leitfähige Matrix eingebettet werden, die den Transport von Elektronen und Ionen übernimmt. Somit können auch im Prinzip schlecht leitende Materialien in Elektroden eingesetzt werden, wenn sie genügend fein – nämlich als Nanomaterialien – strukturiert sind. Erste Versuche mit Nanomaterialien auf der Basis von Zinn, Germanium und Kobalt erscheinen in diesem Sinne vielversprechend. Die Experimente zeigen, dass sich Testbatterien über mehr Zyklen laden und entladen lassen, wenn die Elektroden nanostrukturiert sind. Zudem zeichnet sich der Trend ab, dass die Zyklenfestigkeit umso höher ist, je kleiner die Partikelgrösse der Nanomaterialien in den Elektroden ist. Neue Chemie nicht ausser Acht lassen In weiteren Arbeiten haben sich die Wissenschaftler mit dem Potenzial des bisher wenig untersuchten Elements Antimon (Sb) als Elektrodenmaterial beschäftigt. Erste Ergebnisse weisen darauf hin, dass Antimon sowohl für Lithium- als auch für Natriumionen eine gute Speicherkapazität und Zyklenstabilität bieten könnte. Interessant ist, dass die guten Eigenschaften von Antimon-Nanokristallen weniger stark von der Partikelgrösse abhängig sind, solange sie klein genug sind. Das weckt die Hoffnung, dass ein wirklich kostengünstiges Syntheseverfahren für Antimon-Nanokristalle realisierbar sein könnte. Kovalenko zeigte auch erste, hoffnungsvoll stimmende Ergebnisse von Versuchen mit Bismut als Elektrodenmaterial zum Speichern von Magnesium-Ionen. Er führte dies als Beispiel dafür an, dass man über Lithium- und Natriumionen hinaus an andere chemische Elemente denken sollte als potenziell interessante Batteriematerialien. Diese experimentellen Arbeiten werden ergänzt von Computerberechnungen die Details über die Vorgänge beim Laden und Entladen ans Licht bringen. Zudem entwickeln die Wissenschaftler neue, effizientere Syntheseverfahren zur Herstellung hochleistungsfähiger Elektrodenmaterialien. Kovalenko wies auch auf die Bedeutung von Industriepartnern hin die, jenseits einer finanziellen Beteiligung, das Testen von Kandidatenmaterialien ermöglichen. So lässt sich schliesslich herausfinden, welche dieser Materialien wirklich Potenzial für Anwendungen aufweisen. Gemeinsam mit einem Industriepartner ist im laufenden Jahr bereits ein Patent angemeldet worden. Ein tieferes Verständnis und die Weiterentwicklung von Natriumbatterien sind die Ziele der Gruppe von Claire Villevieille am PSI. Die Gruppe ist unter anderem auf der Suche nach Materialien, die in Natriumionen-Batterien eingesetzt werden können. In einer Batterie sind neben den Elektroden etwa auch immer Binder notwendig, die die Komponenten der Elektrode zusammenhalten. Typischerweise für Lithiumionen-Batterien verwendete Binder sind für Natriumionen-Batterien nicht immer geeignet. Arbeiten am PSI haben zum Beispiel gezeigt, dass das Additiv Fluorethylenkarbonat (FEC), in den Elektroden von Natriumionen-Batterien eingesetzt, deren Stabilität erhöhen. Die Wissenschaftler haben auch einen Mechanismus identifiziert, durch den FEC eine Schutzschicht auf der Elektrode bildet und diese so vor chemischem Alterung bewahrt. Die Perspektive eines Schweizer Batterieherstellers Pascal Häring von Renata Batteriesbegann sein Referat mit Beispielen, die zeigen, dass Erwartungen und Umsetzung in der Batterie-Industrie mitunter weit auseinander liegen können. Er wies auf die vielen komplexen Anforderungen und regulatorischen Vorgaben hin, in denen sich Ingenieure in dieser Industrie bewegen. Bis zur Entwicklung eines marktfähigen Produktes müsse ein Batteriehersteller viel Zeit und Geld investieren, wobei die Zeit bis zum Markteintritt am äusserst dynamischen Batteriemarkt bisweilen wichtiger sei als der finanzielle Aufwand. Häring gab einen Überblick über die Geschichte und Entwicklungen von Renata Batteries und kündigte bald auf den Markt kommende Produkte an. Er meldete auch, dass ab kommendem Jahr alle Batterien von Renata Batteries über die gesamte Herstellungskette frei vom giftigen Metall Quecksilber sein werden. Neben dem traditionellen Uhrenmarkt beginne Renata Batteries zurzeit Entwicklungen für den Medizintechnik-Markt. Zum Abschluss seines Vortrags betonte Häring, dass auch ein Batteriehersteller wie Renata in bestimmten Phasen der Produktentwicklung auf Infrastruktur und Know-how von Forschungseinrichtungen sowie auf die Kreativität von Wissenschaftlern angewiesen sind, um grundlegende Probleme zu lösen.Wärmespeicher im Trend der Hybridisierung
Andreas Haselbacher von der ETH Zürich stellte den Stand der laufenden Projekte im Themenfeld Wärmespeicherung dar und gab einen Ausblick auf die zum Teil bald anlaufenden Arbeiten. Zum Auftakt seines Vortrags belegte er die dringende Nachfrage nach Wärmespeicherlösungen in der Schweiz mit statistischen Zahlen. Gemäss Statistiken vom Bundesamt für Energie (BFE) ist die Nachfrage nach Wärme auf einem Temperaturniveau bis 100°C zur Raumheizung und Wassererwärmung für Wohngebäude, Industrie und Dienstleistungen in der Schweiz gross. Das meiste davon wird derzeit mit fossilen Brennstoffen abgedeckt. Daten der EU zeigen, dass für einige Industriesektoren Wärme auf einem Temperaturniveau grösser 400°C stark gefragt ist. Hierzu gibt es aber keine öffentlich zugänglichen Daten für die Schweiz. Auf dem Gebiet der Wärmespeicherung arbeiten Forschungsgruppen der ETHZ, EPFL, SUPSI, FHNW und der Hochschule Rapperswil zusammen. Ein Projekt befasst sich mit einem Speichersystem, in dem die Speicherung von sensibler und latenter Wärmespeicherung (basierend auf Phasenumwandlung) kombiniert werden. Dies ist wichtig im Hinblick auf die wachsende Nachfrage –etwa aus der Chemieindustrie – nach Wärmespeichern, die thermische Energie mit einer konstanten Temperatur bereitstellen. Die Kombination von sensibler und latenter Wärmespeicherung bietet den Vorteil, innerhalb des Temperaturbereichs des Phasenübergangs des eingesetzten Materials eine konstante Temperatur zu liefern bei tieferen Kosten im Vergleich zu einem reinen Latentwärmespeicher der eine weniger günstige Entladecharakteristik zeigt. Haselbacher erläuterte erste Ergebnisse von Laborversuchen, die zeigen, unter welchen Bedingungen ein solcher kombinierter Speicher tatsächlich Kostenvorteile ergeben könnte. Ferner geht es bei diesem Projekt darum zu untersuchen, wie die Korrosion der eingekapselten Materialien des Latentwärmespeichers die Zyklenstabilität des Speichers beeinflusst. Ein weiteres Projekt unter der Leitung der SUPSI befasst sich mit der rechnergestützten Simulation des thermomechanischen Verhaltens von Wärmespeichern sowie mit dem Entwurf und Rapid Prototyping (3D Druck) von regelmässigen und unregelmässigen Gitterstrukturen, die als Gerüst für Hochtemperatur-Wärmespeicher eingesetzt werden können. An der Hochschule Rapperswil wird in einem dritten Projekt an einem saisonalen Wärmespeicher auf der Basis von Salzlaugen gearbeitet. Ziel ist es, ein System mit einer möglichst hohen volumetrischen Energiedichte und minimalen Wärmeverlusten zu entwickeln. Bisher haben die Ingenieure und Wissenschaftler eine Kombination von Natriumhydroxid und Wasser getestet. Um den Wärmespeicher zu laden wird die verdünnte Lauge mit (Solarer-) Wärme erhitzt, sodass Wasser verdampft und die Lauge aufkonzentriert wird. Der entstehende Wasserdampf kann wieder kondensiert werden um die dabei anfallende Wärme beispielsweise im Boden zu speichern. Beim Entladen kann die zuvor im Boden gespeicherte Wärme entnommen werden um wiederum Wasser zu verdampfen, dass in die nun stark konzentrierten Lauge eingeleitet wird. Die Lauge wird dadurch verdünnt und dabei Wärme freigesetzt, die dann zu Heizzwecken zur Verfügung steht. Zum Schluss kündigte Haselbacher die Bearbeitung eines Projektes im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms 70 (Energiewende) an. Dieses Projekt wird Gruppenübergreifend von einigen Mitgliedern des Kompetenzteams „Wärmespeichung“ mit Partnern aus dem Kompetenzteams „Integration“ bearbeitet. Das Ziel ist es, einen effizienten Hochtemperatur-Wärmespeicher (mit kombinierter sensibler und latenter Wärmespeicherung) mit einem fortgeschrittenen adiabatischen Luftdruckspeicher zu kombinieren. Das Projekt soll ab Dezember 2014 über 4 Jahre laufen. Das Budget beträgt 1.24 Millionen Franken. Ein Wärmespeicher aus Luft und Steinen Gianluca Ambrosetti von Airlight Energy berichtete von den kostengünstigen Wärmespeichern für Solarwärmekraftwerke, die seine Firma entwickelt und baut. Diese Solarwärmekraftwerke verwenden Luft als Wärmeübertragungsfluid statt der üblichen Thermoöle die mit teuereren geschmolzenen Salzen als Wärmespeichermedium kombiniert werden. Bei dem alternativen Konzept kann die Wärme der Luft direkt in einem dicht gepackten Steinbett gespeichert werden, das wiederum in einem Betonbehälter untergebracht ist. Kostensenkungen ergeben sich hier nicht nur aus dem Verzicht auf geschmolzene Salze sondern auch daraus, dass Wärmetauscher überflüssig werden. Folglich trägt der Speicher nur 1 bis 2 Prozent zu den Gesamtkosten eines Solarwärmekraftwerkes bei, viel weniger als die 10 bis 15 Prozent, die auf einen Speicher auf der Basis geschmolzener Salze entfallen.
Ambrosetti zeigte in seinem Vortrag, mit welchen innovativen Lösungen seine Firma dabei ist, einen zuverlässigen Speicher mit dieser Technologie zu realisieren. Eine erste Pilotanlage wird bereits in Biasca gebaut.
Für Anwendungen, die eine konstante Temperatur erfordern, entwickelt Airlight Energy in Kooperation mit der ETH Zürich ein hybrides Speichersystem, das sensible und latente Wärmespeicherung kombiniert. Der Speicher besteht aus einem dicht gepackten Steinhaufen (sensible Wärme) mit einer zusätzlichen Schicht eines Latentwärmespeichers. Im Labor, konnte laut Ambrosetti bereits gezeigt werden, dass es mit diesem Speicher möglich ist über mehrere Stunden die gewünschte Wärme bei konstanter Temperatur zu entnehmen. Bei einem Speicher, der rein auf der Grundlage der sensiblen Wärme basiert, würde das Temperaturniveau während der Entnahme kontinuierlich abfallen.