Energie speichern

ENERGIESPEICHERN

Da bei vielen Methoden der Exergieseparation ein zusätzlicher Speicher für diese Exergie und/oder für Sekundär- oder Tertiärenergieformen notwendig ist, werde ich hier einen kurzen Überblick über die entsprechenden Möglichkeiten geben. Das größte Interesse besteht hierbei an der Speicherung von elektrischem Strom. Wenn wir uns also eine alternative Energiegewinnung durch Solarzellen, Sonnenfarmen o.ä. vorstellen, dann ist es offensichtlich, daß ausreichende Speichersysteme für die Nachtstunden, für Regentage und für die Wintermonate notwendig werden. Etwas ähnliches ist es bei der Windenergie mit Flauten… usw. usf.

Genau deshalb ist es auch so verwunderlich, wie wenig neue Speichermethoden erforscht und entwickelt werden – die Informationsmenge darüber ist marginal, verglichen mit der Quantität, in der über andere, die Brennstoffwirtschaft mehr interessierende Themen berichtet wird. Außerdem scheint auch die Förderung neuer Speichermethoden stark zurückgeschraubt worden zu sein (!).

Die früher bekannten Energiespeicher waren im Grunde nur das Holz, Öle sowie Fette. Erst mit dem Siegeszug der Erdölprodukte kamen neue, zumeist flüssige Medien auf den Markt, die auch noch heute den Bereich der Energiespeicherung dominieren.

Ein besonders großes Interesse wird daher dem Transportbereich entgegengebracht – und hier besonders dem Individual- sowie dem öffentlichen Nahverkehr. Es wird dabei nach einer Speichermethode gesucht die es erlaubt, ein Fahrzeug samt Nutzlast über mehrere Hundert Kilometer fortzubewegen, zuverlässig und ausreichend schnell, ohne es zwischendurch andauernd wieder ‚aufladen’ zu müssen, wie es bei den mit Batterien ausgerüsteten Fahrzeugen bislang der Fall ist, die außerdem oft noch extrem schwer sind, da Bleiakkumulatoren z.B. nur eine Speicherfähigkeit von 40 Wh/kg besitzen und daher in entsprechender Menge mitgeführt werden müssen. Es werden zwar auch Versuche unternommen, diese Leistung zu erhöhen, doch bisher wurde nur durch die Optimierung der Raumausnutzung bei den DIN-Zellen der Beta-Akkumulatorenwerke GmbH ein Steigerung von etwa 20 % erreicht.

Ein weiterer Bereich der Energiezwischenspeicherung den ich hier behandeln werde, ist die Kurzzeitspeicherung von Bremsenergie bei Fahrzeugen, wie sie neuerdings besonders im öffentlichen Nahverkehr Anwendung findet. Neben weiteren neuen Ansätzen in der thermischen Energiespeicherung u.a. wird auch die Schwungradspeicherung behandelt, die bei dem in Teil D behandelten Energiesystem eine wichtige Rolle spielt.

Und da das Thema Elektromobile zunehmend an Wichtigkeit gewinnt, werde ich es weiter unten im Kapitel mobile Anwendungsbereiche der Enerespeicherung noch separat und ausführlich behandeln, da neben Fahrzeugen ja auch Schiffe, Flugzeuge und andere Verkehrs- bzw. Transportmittel durch elektrische Energiespeicher angetrieben werden können.

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Geschichte der elektrischen Energiespeicherung

Es ist noch immer so gut wie unbekannt, daß die elektrische Batterie schon mehrere tausend Jahre alt ist. Deshalb möchte ich hier etwas detaillierter darüber berichten.

Wilhelm König, ein österreichischer Archäologe, der mehrere Jahre lang für das Irakische Museum in Bagdad tätig war, entdeckt 1936 am Hügel Khujat Rabu’a, südöstlich von Bagdad, einen seltsamen Gegenstand, den er zunächst für ein Kultobjekt der Parther hält, jenem euroasiatischen Reitervolk, das sich um 250 v. Chr. am Ostufer des Kaspischen Meeres niederließ. König beschreibt seinen Fund 1938 in der wissenschaftlichen Zeitschrift ‚Forschungen und Fortschritte’ mit der Überschrift: „Ein galvanisches Element aus der Partherzeit?“

Das Element sieht aus wie ein ‚vasenartiges Gefäß’ aus hellgelbem Ton, in dem mittels Bitumen oder Asphalt ein Kupferzylinder befestigt ist. Die Höhe der ‚Terrakottavase’ beträgt 18 cm. Der Zylinder, dessen eine Öffnung durch eine mittels Bitumen fixierte Kupferscheibe verschlossen ist, besitzt eine Höhe von 12,5 cm und einen Durchmesser von 3,75 cm. Im Inneren des Kupferzylinders steckt ein vollständig korrodiertes Eisenstäbchen, dessen oberes Ende etwa einen Zentimeter über den Gefäßrand ragt. Es ist von einer gelbgrauen Korrosionsschicht überzogen, was auf die Wirkung eines bleiartigen Elektrolyten zurückgeführt werden kann. Das Eisenstäbchen wird durch einen Asphaltstöpsel am Herausfallen gehindert, wie auf der französischsprachigen Darstellung zu sehen ist.

Später erfährt König von einem Berliner Kollegen, daß deutsche Wissenschaftler bei Grabungsarbeiten in der Nähe von Ktesiphon bei Bagdad ähnliche Artefakte entdeckt hatten, ebenso in Seleukia. Königs Interesse ist geweckt. Ihn fasziniert die unorthodoxe Idee, es könne sich bei all diesen Funden um die Überreste von Trockenbatterien handeln. Sofort macht er sich ans Experimentieren. Nach Einfüllen eines neuen Elektrolyten – er benutzt Kupfersulfat – funktionierten einige der ihm zur Verfügung gestellten Batterien einwandfrei. Sie geben Spannungen von l,5 – 2 Volt ab. Der Beweis ist erbracht. In seinem Grabungsbericht kann König daher erklären, daß die vermeintlichen ‚Kultgegenstände’ in Wirklichkeit galvanische Elemente (Trockenbatterien) sind. Trotzdem bleibt die These Königs über Jahrzehnte tabu. Und noch heute steht in keinem Schulbuch etwas darüber…

Das irakische Informationsministerium beendet schließlich den jahrelangen Streit um die Echtheit der Funde mit folgender offizieller Verlautbarung: „lm Jahre 1936 wurde im Gebiet von Rabu’a, östlich von Bagdad, eine Batterie gefunden, die aus der Zeit von 227 bis 126 v. Chr. stammt. Die Batterie wird im Irakischen Museum von Bagdad ausgestellt, und sie gilt als älteste Trockenbatterie, die bisher gefunden worden ist.“

1960 experimentiert John B. Pierczynski an der Universität von North Carolina mit einem Duplikat dieser Batterie und erhält 18 Tage lang eine elektrische Spannung von 1,5 V. Im Herbst 1978 wird von dem Hildesheimer Museumsdirektor Dr. Arne Eggebrecht und dem Restaurator Rolf Schulte ein weiterer Nachbau präsentiert, bei dem man als Batterie-Flüssigkeit frisch gepreßten Traubensaft verwendet – den es unzweifelhaft schon damals gab. Die Meßinstrumente zeigen sofort 0,5 V an. Es gelingt sogar, mit dem Strom die silberne Replik einer Königsstatue aus dem Parther-Reich zu vergolden – in nur zweieinhalb Stunden!

Inzwischen haben sich bei mir auch umfassende Informationen darüber angesammelt, die auf den Gebrauch elektrischen Lichts bei den alten Ägyptern (s. Reliefs von Dandera) und möglicherweise sogar elektrischer Motoren durch die Maya hinweisen – aber das würde uns jetzt zu weit vom eigentlichen Thema der Energiespeicherung wegführen.

Daher zurück zur aktuelleren Geschichte – oder korrekt: zu der Version der Geschichte, wie sie derzeit noch immer publiziert wird:

Unabhängig voneinander wird 1745/1746 von dem niederländischen Physiker Pieter van Musschenbroek (1692 – 1761) an der Universität Leiden, und von dem Domdechanten Ewald Jürgen Georg von Kleist (1700 – 1748) aus Cammin, Pommern, der Kondensator entwickelt. Diese ‚Leidener Flasche’ genannte Konstruktion ist außen mit Zinn beschichtet und innen mit Gold ausgekleidet, spätere Modelle waren innen und außen mit Stanniol belegten Glasbecher.

Der italienische Physiologe und Physiker Luigi Galvani (1737 – 1798) experimentiert 1786 mit der Stromerzeugung durch ein System von Eisen/Kupfer-Elektroden und organischen Elektrolyten.

1796 interpretiert der italienische Edelmann und Physiker Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Conte di Volta die Versuche von Galvani richtig und bastelt mit den Münzen verschiedener Länder die erste ‚Voltaische Säule’. Abwechselnd Kupfer, Messing, Silber, Zink oder Zinn, getrennt durch kleine Tücher, die mit verdünnter Kochsalzlösung oder Schwefelsäure benetzt werden – und fertig ist die erste Batterie der (westlichen) Weltgeschichte. Sie erbringt um 1800 immerhin 25 Volt – wie die Einheit in Erinnerung an ihren Erfinder weiterhin genannt wird.

1802 entwickelt Johann Wilhelm Ritter, der mit Goethe auf dem Gebiet der Naturwissenschaften zusammenarbeitet, eine eigene Batterie, die sogenannte Rittersche Säule. Die Säule besteht aus übereinandergeschichteten und mit Tafelsalz (Natriumchlorid) getränkten Kupfer- und Kartonscheiben. Diese Vorrichtung kann mit einem elektrischen Strom geladen werden und gibt bei der Entladung Strom ab. Sie gilt als Urform des Akkumulators.

1812 entwickelt Giuseppe Zamboni (1776 – 1846) eine Hochspannungsbatterie aus bis zu 4.000 galvanischen Zellen, auf Basis des Elements Silber/Salzlösung/Magnesiumoxid/Silber. 1836 folgt John Frederic Daniell (1790 – 1845) mit einem weiteren Element aus Zn/ZnSO4/CuSO4/Cu, das als erste zuverlässige Stromquelle betrachtet und vor allem in britische und amerikanische Telegrafenanlagen eingebaut wird, da es die einzig verfügbare Batterie mit geringer Selbstentladung ist. Und 1839 oder 1840 entwickelt Sir William Robert Grove (1811 – 1896) dann das Zn/H2SO4/HNO3/Pt – Element.

Die ersten Versuche, einen auf Blei basierenden Akkumulator zu entwickeln, werden Mitte des 19. Jahrhunderts von dem deutschem Arzt Josef Sinsteden gemacht. Er stellt zwei große Bleiplatten in ein Gefäß mit verdünnter Schwefelsäure. Durch Laden des Akkus entsteht an einer der Platten Bleidioxid [Blei(IV)-oxid] und an der anderen Blei.

Der französische Physiker Gaston Planté erfindet 1859 die wiederaufladbare Bleibatterie, und Henri Tudor aus Luxemburg gibt ihr 1881 die noch heute übliche Kastenform. Als Elektrolyt dient verdünnte Schwefelsäure. Die negative Elektrode besteht aus Blei, die positive aus Bleidioxid. Die Einführung dieser Alkali-Batterie erfolgt bereits im Jahre 1860, also nur ein Jahr nach ihrer Erfindung. 1865 erfindet der ebenfalls französische Chemiker Georges Leclanché das dann auch nach ihm benannte Kohle/Braunstein/Zink – Element. 1875 wird die MnO2 – Trockenzelle entwickelt.

Seit 1874, als W. D. Snow das U.S. Patent 155209, oder 1875, als James C. Bryan das U.S. Patent 160152  für ihre Versionen einer ‚Earth Battery’ erhalten, beschäftigen sich kontinuierlich Erfinder mit dieser Technologie. In Löcher im Boden wird eine ionenhaltige Flüssigkeit gekippt, die als Elektrolyt wirkt, in die eine der Elektroden getaucht wird, während die andere mit der Eroberfläche verbunden ist. Eine technische Umsetzung der Erd-Batterien in unserer Zeit ist mir nicht bekannt.

Ab 1876 wird die Pariser Oper mit dem Strom aus ‚Galvanischen Elementen’ beleuchtet. Industriell wird der Bleiakku interessant, als Emile Alphonse Faure um 1880 ein Verfahren entwickelt, bei dem der Bleiakku bereits nach wenigen Ladezyklen (dem Formieren), eine hohe Kapazität erreicht. Etwas später entwickeln Lalande und Chaperon das alkalische Element Zn/NaOH/CuO, und 1892 Weston das sogenannte Normalelement mit Quecksilber/Cadmium. Im Jahr 1896 gibt es einen kreativen Schub, als Schmidt die erste Trockenzelle, und de Michalowski das Zn/NaOH/NiOOH – System entwickeln.

Um 1899 erfinden dann Thomas Alva Edison und unabhängig von ihm der Schwede Waldemar Jungner die Nickel-Cadmium-Zelle. Edison will die Akkumulatoren für den Betrieb eines Fahrzeugs nutzen, doch dafür ist sie noch zu schwach. Doch schon 1901 findet er mit der Ni/Fe – Zelle eine äußerst robuste Batterie mit einer hohen elektrischen Kapazität pro Gewichtseinheit. 1912 gelingt es Edison, den Ni/Fe Akkumulator bedingt gasdicht zu machen.

Die Geschichte des Akkumulators ist eng mit der Geschichte der Mobilität verknüpft, und wie üblich auch der Krieg eine Rolle dabei, denn insbesondere U-Boote, die unter Wasser mobil bleiben wollten, brauchten Akkumulatoren. Im Frühjahr 1904 liefert die Accumulatoren Fabrik AG (AFA) in Berlin-Hagen eine aus Triebwagenzellen entwickelte Batterieanlage für das U-Boot ‚Hajen’ der schwedischen Marine.

Ein Jahr später bestellt die Germaniawerft vier Batterieanlagen für drei auf dieser Werft zu bauende russische U-Boote sowie für das erste deutsche U-Boot U 1. Dabei besteht die Werft auf der Lieferung von Batterien der Watt-Accumulatorenwerke in Berlin-Zehndick, obwohl diese mit Separatoren aus Torf versehenen Watt-Batteriezellen weniger leistungsfähig sind, als die von der AFA zu dieser Zeit bereits an die schwedische, niederländische, amerikanische und italienische Marine gelieferten Blei-Säure-Batterien in Großoberflächenbauweise. Das U-Boot U 2 ist 1908 dann das erste deutsche U-Boot, das mit einer Batterieanlage der AFA ausgerüstet wird. Ab 1910 kommen die verbesserten Masseplatten-Batteriezellen (MAS) zum Einsatz, und der U-Boot-Krieg 1914 – 1918 wäre ohne die Zulieferung der AFA-Batterien nicht denkbar gewesen. Auch bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs im Mai 1945 bleibt die AFA der einzige Lieferant für U-Boot-Batterien im Deutschen Reich.

Es ist schon überraschend, aber die umfangreichsten Informationen über diese frühen Technologien findet man auf den Seiten der Sammler alter Aktien (!) – denn diese wurden damals unter großem ästhetischen Aufwand gestaltet.

Im Grunde bestand damit also schon Ende des 18. und Anfang des 19. Jahrhundert die (leider vergebene) Chance, den Personen-Nahverkehr vollständig mit Elektrofahrzeugen abzuwickeln. Der Siegeszug der fossilen Fahrzeuge machte den Traum aber schnell zunichte, und die Weiterentwicklung der Akkumulatoren verläuft danach wesentlich langsamer. Die gasdichte Ni/Cd – Zelle wird z.B. erst 1935 patentiert, das Lithium-Batteriesystem 1949, Knopfzellen als Bauform für Akkumulatoren gehen 1954 in die Serienproduktion, und die Fertigung von Batterien mit Lithiumanoden und organischen Elektrolyten beginnt erst 1974. Die Markteinführung der Ni/Metallhydrid-Zelle erfolgt dann im Jahre 1990.

Auf die Elektromobile, die es damals gab (und auch inzwischen wieder gibt) gehe ich weiter unten noch gesondert ein, zuerst möchte ich hier kurz die bisher am meisten verbreiteten, traditionellen Batterietechnologien aufführen:

Jeder kennt die traditionellen Braunstein/Zink-Zellen, wie sie z.B. seit Jahrzehnten in Taschenlampen eingesetzt werden. Die oben bereit angeführten Alkali-Batterien sind im Grunde alle gleich aufgebaut: Ein wässeriger, Kalilauge enthaltender Elektrolyt verbindet die Kathode aus Braunstein (Manganoxid) mit der Anode aus metallischem Zink. Die gespeicherte Strommenge ist wesentlich durch die Braunsteinmenge limitiert.

Noch immer sind Bleiakkumulatoren die verbreitetste Methode, elektrische Energie zu speichern – insbesondere bei den rund 800 Million an Kraftfahrzeugen überall auf dem Planeten (Stand 2005). Im täglichen Gebrauch sind diese Batterien in vielen Geräten vorhanden und wohl auch kaum mehr wegzudenken, obwohl ihre Energiedichte nur 35 Wh/kg beträgt. Noch 1975 erhält die Varta Batterie AG auf der 5. Internationalen Bleikonferenz in Paris den ersten Preis für einen anhand von fünf spezifischen Details neuentwickelten Bleiakkumulator für Elektrostraßenfahrzeuge: angegossene Polbrücken, geblasenen dünnwandige Zellengefäße, absolute Dichtigkeit der Zellen, flexible Polverbinder und die Optimierung aller Einzelbauteile.

1998 wird eine Anlage mit 800 konventionellen Bleibatterien im Rahmes eines Neubaukomplexes im Herner Park-Gelände (Energiepark Mont-Cenis) aufgebaut, um den dort photovoltaisch gewonnen Strom zu speichern. Diese Anlage kann bei Bedarf 1,2 MW/h eine Stunde lang abgeben – oder Lastspitzen bis 1,2 MW abdecken. Konzipiert und gebaut wird die Anlage von der Gesellschaft für innovative Energieumwandlung und -speicherung mbH (EUS), die im Juli 1998 eine weitere derartige Anlage in einem Windpark im münsterländischen Bocholt in Betrieb nehmen will (s.d.).

Im gleichen Jahr geben mehrere deutsche Automobilhersteller bekannt, daß sie mit einer ‚neuartigen und erstmals intelligenten’ Blei/Säure-Batterie auf den Markt kommen wollen. Nicht nur, daß diese Batterie um 40 % leichter, eine sechsmal höhere Ladefähigkeit und eine doppelte Lebensdauer gegenüber den bisherigen Modellen besitzen würde, sie ist außerdem mit einem Mikroprozessor ausgestatten, der den Betrieb der Batterie überwachen, und mittels nicht näher erläuterten Maßnahmen optimierend eingreifen soll. Die Vorserienreife sei bereits erreicht.

2006 hat das Unternehmen Firefly Energy aus dem US-Bundesstaat Illinois den alten Ansatz der Bleiakkumulatoren stark überarbeitet und ihr Gewicht reduziert, gleichzeitig die Lebensdauer erhöht und ähnlich leistungsfähig gemacht wie Nickel-Metall-Hydrid-Akkus, ohne daß es zu Problemen bei der Haltbarkeit kommt. Weil Blei relativ günstig ist und es bereits große Infrastrukturen zur Produktion von Blei-basierten Akkus existieren, sollen die neu entwickelten Energiespender nur ein Drittel dessen kosten, was man für Nickel-Metall-Hydrid-Akkus zahlen muß. Firefly löste die Probleme bei Gewicht und Leistungsausbeute, indem statt schwerer Bleigitter ein leichter Grafit-Schaum verwendet wird, um die Elektronen einzusammeln, die bei der chemischen Reaktion in der Batterie entstehen. Das neue Gitter aus Grafit-Schaum ist außerdem deutlich resistenter gegen Korrosion, die traditionellen Bleiakkus normalerweise irgendwann den Garaus macht. Obwohl man bei Firefly Energy noch im Prototypen-Stadium steckt, hat das Unternehmen bereits das Interesse mehrere großer Hersteller geweckt. Darunter ist der LKW- und Baufahrzeugspezialist Caterpillar, bei dem einst die Basistechnologie der neuen Bleiakkus entwickelt wurde, sowie BAE Systems, Hersteller des Kampffahrzeugs ‚Bradley’. Der schwedische Elektrolux-Konzern, zu dessen Marken Husqvarna, Poulan, und Weed Eater gehören, plant vollelektrische Geräte mit der Firefly-Batterie bereits für das kommende Jahr. Außerdem will das US-Verteidigungsministerium 2,5 Mio. $ in Firefly stecken, damit das Unternehmen Batterien für leise Militärfahrzeuge bauen kann, die während der Kampfeinsätze ihre lärmenden Verbrennungsmotoren abschalten können.

Zur gleichen Zeit arbeitet auch I. Francis Cheng von der University of Idaho an fortschrittlichen Bleiakkus für Militäranwendungen. Neben dem Ansatz, den schon Firefly verfolgt, werden hier Zusatzstoffe verwendet, die das Gewicht weiter reduzieren bzw. die Leistungsfähigkeit steigern sollen. Eine vergrößerte aktive Oberfläche innerhalb der Batterie ermöglicht so einen schnelleren Ladevorgang bei höherer Leistungsabgabe.

Das britische Batterieunternehmen Altraverda in Abertillery, Gwent, vereinbart im Oktober 2006 eine Kooperation mit dem weltgrößten, unabhängigen Batterieproduzenten, der amerikanischen East Penn Manufacturing Co. in Lyon Station, um auf Grundlage der von Altraverda entwickelten Technologie erstmals echte bipolare Blei/Säure-Batterien herzustellen. Dabei wird der elektrisch leitender Keramikstoff ‚Ebonex’ verwendet, der es ermöglicht kleinere, leichtere und effizientere Batterien herzustellen als bislang machbar. Dieses Material aus Titaniumoxid verbindet die Leitfähigkeit von Metallen mit der Korrosionsresistenz von Keramik. Eine Designstudie für eine 36/42 V Bipolar-Fahrzeugbatterie mit 20 Ah wiegt 15 kg und hat ein Volumen von weniger als 7 Litern, während konventionelle, vergleichbare Systeme 24 – 28 kg wiegen und ein Volumen von 9 – 11 l aufweisen.

Eine weitere Variante, die bereits 1994 als ausgereift gilt, ist die Bleigel-Batterie, die allerdings nur 200 bis 300 Ladezyklen erlaubt.

Aus ökologischen Gesichtspunkten ist man inzwischen allerdings dazu übergegangen, für Transistorgeräte, Fotoapparate, Handys, elektri­sche Uhren, Laptops usw. Batterien mit weniger giftigen Elementen herzustellen. Immerhin werden zur Zeit weltweit jährlich etwa 60 Milliarden Batterien verkauft – zumeist mit Zink- und Manganelektroden sowie mit Säureelektrolyt. Und auch die Anzahl bleifreier Autobatterien nimmt allmählich zu.

Da das Prinzip der chemischen Batterie eine mehrfache Aufladung ermöglicht (Akkumulator), wird ein verstärkter Einsatz im alleinigen oder auch hybriden Kfz-Verkehr e­wogen (Elektroauto), und die verschiedenen möglichen Alternativen werden von verschiedenen Seiten erforscht. Eine Batterie, die z.B. einen Kfz-Elektromotor speisen soll, muß mindestens 500 – 750 Mal aufladbar sein, sie darf nicht zu schwer sein, weil ihr Gewicht sonst auf Kosten der mitführbaren Nutzlast geht, die Entnahmezeit für den elektrischen Strom darf nicht zu kurz sein, dafür darf aber die Aufladezeit nicht zu lang sein, usw.

Was das ökologische Problem angeht, so emittieren Batterie­fahrzeuge zwar keine Abgase und verursachen auch kaum Erschütterungen – doch die grundlegende Energieproblematik verlagert sich nur zu den Stromerzeugungsanlagen zurück. Dort allerdings ließe sich mit erneuerbaren Primärenergiewandlern eine ökologisch risikoarme energetische ‚Wertschöpfungskette’ beginnen, an deren Ende ein modernes Elektrofahrzeug steht, das im Prinzip mit Solar- und Windstrom fährt. Auf alle Fälle sollte bei derartigen Konzepten eine höhere Nutzungserwartung auch mit einem geringeren Wartungsaufwand verbunden sein.