Entwicklung einer bipolaren Low-Cost-Ni-Fe-Batterie für die Energiespeicherung (CLIENT-II-Verbundprojekt Klimaschutz)

Durch die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien werden vielerorts innovative Lösungen für eine effiziente und kostengünstige stationäre Energiespeicherung benötigt, um die Stabilität des Stromnetzes sicherzustellen. Dies gilt in besonderem Maße für Südafrika, wo der Strombedarf starke Spitzen in den frühen Morgenstunden und am frühen Abend aufweist, wenn die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien minimal ist. Der Bedarf an Energiespeichern wird in Südafrika zusätzlich durch eine hohe Zahl an Mobilfunktürmen verstärkt, die aktuell keine Anbindung an das Stromnetz aufweisen und daher meist durch teure und umweltbelastende Dieselgeneratoren versorgt werden. Aufgrund schwacher Stromnetze ist der Einsatz von Dieselgeneratoren in netzfernen Hybrid-Energiesystemen zur Stromerzeugung in vielen afrikanischen Ländern weit verbreitet. Diese werden oft an entlegenen Standorten eingesetzt, wo kein oder nur unzureichender Anschluss an das Stromnetz existiert. NiFe-Batterien bieten hingegen eine vor Ort emmissionsfreie und sehr sichere Alternative zur Energiebereitstellung.

Bei der Gestaltung von Energiespeichersystemen bieten elektrochemische Batteriezellen ein hohes Maß an Flexibilität. Für solche größeren Batteriespeicher sollten die verwendeten Materialien und Herstellungsverfahren möglichst kostengünstig sein. Eine möglichst lange Lebensdauer und hohe Betriebssicherheit sind ebenso wichtige Eigenschaften, während die Größe der Batterie von geringerer Bedeutung ist. Aus diesen wirtschaftlichen, sicherheitstechnischen und die Umwelt betreffenden Gründen sind elektrochemische Batterietechnologien mit wässrigen Elektrolyten besonders geeignet. Derzeit dominieren Blei-Säure-Batterien den Batteriemarkt. Sie sind eine ausgereifte Technologie, jedoch ist ihre Verwendung in großem Maßstab durch eine geringe Entladungstiefe, eine relativ kurze Lebensdauer und mangelnde Temperaturstabilität begrenzt. Andere Technologien sind wegen relativ hoher Kosten und Sicherheitsbedenken für gröβere Energiespeicher ungeeignet.

Das Projekt BiNiFe greift daher zur Bereitstellung geeigneter stationärer Stromspeicher auf die altbekannte, günstige und umweltverträgliche Technologie der Nickel-Eisen-(NiFe-)Batterien zurück. Diese zeichnet sich durch extreme Langlebigkeit, hohe Sicherheit durch fehlendes Potenzial zur Selbstentzündung und weitgehend unkritische Chemikalien aus. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung, der Aufbau und der Test eines Prototyps der bipolaren Nickel-Eisen-Batterie mit deutlich verbesserten Eigenschaften hinsichtlich Leistung und Lebensdauer und den Anforderungen des südafrikanischen Marktes.

Das Projekt BiNiFe verfolgt eine innovative Kombination von Batteriematerialien und Designoptimierung sowie einer Anwendung von neuen Massenproduktionstechniken. Durch den Einsatz korrosionsfreier leitfähiger Polymerfolie (Bipolarplatte) können mehr als 80 Prozent konventioneller Batteriematerialien wie Isoliermaterial und Kabel eingespart werden. Innerhalb des Projektes werden in Zusammenarbeit mit den Technologiepartnern University of the Western Cape und der Volterion GmbH sowohl die Entwicklung und Optimierung der Einzelkomponenten, die Herstellung von einzelnen Batteriezellen als auch eine anschließende Überführung in einen Prototypen adressiert. Der Prototyp mit 5 kW und 5 kWh wird in bipolarer Bauweise vollverschweißt aufgebaut und untersucht. Eine erfolgreiche Entwicklung des bipolaren Batterie-Demonstrators soll die Grundlage für eine neue Generation von leistungsfähigen und kosteneffektiven Speicherbatterien legen.

Das südafrikanische Energieministerium fordert für zukünftige Solar- und Windenergieprojekte stets auch den Einsatz von Speichertechnologien. Diese Regelung bietet günstige Rahmenbedingungen für die Anwendung der neuen bipolaren NiFe-Batterietechnologie. Dieser Markt wird für Afrika insgesamt auf 2,5 Milliarden USD geschätzt. Die Projektpartner haben das Ziel, die neue bipolare NiFe-Batterietechnologie nach erfolgreicher Entwicklung umzusetzen, um diese Zielmärkte zu bedienen. Dazu soll zusammen mit den Partnern Connect’d Energy und Volterion GmbH eine entsprechende Kommerzialisierungsstrategie entwickelt werden. Eskom wird sowohl in der Entwicklungsphase als auch in der Umsetzung der Technologie die Kundenperspektive einbringen und die erforderlichen Verbindungen zu den zuständigen Behörden herstellen, um die Zielmärkte zu durchdringen.

Quelle: https://www.bmbf-client.de/projekte/binife (jüngster Zugriff: 13.05.2020)