Natrium-Ionen-Batterien verändern große Energiespeicher

Stationäre Batteriespeicher basieren heute überwiegend auf Lithium-Ionen-Technologien. Vor allem Lithium-Eisenphosphat-Batterien, kurz LFP, haben sich für große Speicheranlagen etabliert.

Doch mit dem weltweiten Ausbau erneuerbarer Energien steigen die Anforderungen an Lebensdauer, Leistung und Wirtschaftlichkeit der Systeme. Gleichzeitig wächst der Bedarf an Batterien, die auch unter schwierigen klimatischen Bedingungen zuverlässig arbeiten. Auf der ees Europe in München stellte Catl eine neue Generation von Energiespeicherlösungen auf Basis der Natrium-Ionen-Technologie vor. Die alternative Zellchemie soll vor allem bei niedrigen Temperaturen, langen Betriebszeiten und leistungsorientierten Speicheranwendungen Vorteile bieten. Damit könnte Natrium neben Lithium künftig eine größere Rolle in stationären Batteriespeichern übernehmen.

Catl setzt bei Energiespeichern auf Natrium-Ionen-Batterien

Der grundlegende Unterschied liegt in der Elektrochemie der Batteriezellen. Während klassische Speicher Lithium-Ionen für den Ladungstransport nutzen, basiert die neue Zellgeneration auf Natrium-Ionen. Das Prinzip einer wiederaufladbaren Batterie bleibt erhalten, doch die Eigenschaften der eingesetzten Materialien verändern das Verhalten des Speichers. Besonders auffällig ist nach Angaben von Catl die Leistungsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen. Bei minus 20 Grad Celsius sollen noch bis zu 98 Prozent der Kapazität verfügbar bleiben. Gerade für Energiespeicher in kalten Regionen ist dieser Wert relevant. Sinkende Temperaturen können die elektrochemischen Prozesse in Batteriezellen verlangsamen und damit die nutzbare Leistung und Kapazität beeinträchtigen. Stationäre Speicher stehen häufig im Freien und müssen über viele Jahre mit erheblichen Temperaturschwankungen umgehen. Bleibt die Batterieleistung auch bei starkem Frost weitgehend erhalten, kann dies den Aufwand für Temperierung und Betriebsführung beeinflussen.

Natrium-Ionen-Zellen sollen bis zu 30 Jahre arbeiten

Neben dem Verhalten bei Kälte rückt die Lebensdauer in den Mittelpunkt. Große Energiespeicher werden nicht allein nach ihren Anschaffungskosten bewertet. Entscheidend ist, wie viele Lade- und Entladezyklen sie über ihre gesamte Betriebszeit zuverlässig absolvieren können. Für Natrium-Ionen-Batterien nennt das Unternehmen bei einem vollständigen Zyklus pro Tag eine mögliche Lebensdauer von bis zu 30 Jahren. Zum Vergleich verweist der Hersteller bei Lithium-Ionen-Systemen auf Betriebszeiträume von etwa 20 Jahren unter vergleichbaren Annahmen. Eine längere Lebensdauer kann die Wirtschaftlichkeit großer Speicherprojekte erheblich verändern. Muss ein Batteriesystem später ersetzt oder grundlegend erneuert werden, verteilen sich die Investitionskosten über einen längeren Zeitraum. Gleichzeitig gewinnt die Alterung der Batteriezellen an Bedeutung, wenn Speicher täglich am Strommarkt oder zur Netzstabilisierung eingesetzt werden. Zu den genannten Eigenschaften der Natrium-Ionen-Technologie gehören:

• hohe verfügbare Kapazität bei Temperaturen bis minus 20 Grad Celsius
• mögliche Lebensdauer von bis zu 30 Jahren bei einem Zyklus pro Tag
• hohe Leistungsfähigkeit für kurze Speicherzyklen
• Speicherdauern von einer bis zu acht Stunden
• höhere Round-Trip-Efficiency gegenüber vergleichbaren Lithium-Ionen-Systemen

Ein-Stunden-Speicher profitieren von hoher Leistung

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Leistungsfähigkeit der Zellen. Natrium-Ionen-Batterien eignen sich nach Angaben des Herstellers besonders für sogenannte Ein-Stunden-Systeme. Dabei wird die gespeicherte Energie innerhalb eines vergleichsweise kurzen Zeitraums mit hoher Leistung abgegeben. Solche Speicher können beispielsweise zur kurzfristigen Netzunterstützung, für industrielle Lastspitzen oder für Anwendungen am Strommarkt eingesetzt werden. Catl sieht bei diesen Systemen Kostenvorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien. Gleichzeitig soll die Technologie auch Speicherdauern von zwei, vier oder acht Stunden ermöglichen. Damit überschneiden sich die Einsatzbereiche weitgehend mit denen heutiger LFP-Speicher. Der Unterschied liegt weniger in einer völlig neuen Anwendung als in den technischen Eigenschaften der Batteriezellen. Neben der Kältebeständigkeit und längeren Lebensdauer nennt der Hersteller eine um etwa zwei Prozent höhere Round-Trip-Efficiency. Die Round-Trip-Efficiency beschreibt, welcher Anteil der eingespeicherten Energie nach dem Laden und späteren Entladen wieder zur Verfügung steht. Bei großen Speicheranlagen können bereits wenige Prozentpunkte über viele Jahre erhebliche Energiemengen ausmachen.

Batteriepass macht Herkunft und Betriebsdaten sichtbar

Parallel zur Zellchemie verändert sich auch die Dokumentation von Batteriesystemen. Mit den europäischen Vorgaben zum digitalen Batteriepass steigen die Anforderungen an die Nachvollziehbarkeit technischer Daten, verwendeter Materialien und der Lieferkette. Der Batteriepass funktioniert als digitaler Datensatz eines Batteriesystems. Über einen QR-Code können Informationen zur Batterie abgerufen werden. Dazu gehören statische Daten wie Kapazität, Spannungs- und Temperaturbereich, Gewicht sowie Angaben zu eingesetzten Materialien und deren Herkunft. Gerade bei internationalen Lieferketten gewinnt diese Transparenz an Bedeutung. Der digitale Datensatz kann beispielsweise dokumentieren, aus welchen Ländern Materialien stammen und welche Lieferanten an der Herstellung beteiligt waren. Auch Informationen zu Nachhaltigkeit und weiteren ESG-relevanten Kriterien lassen sich hinterlegen. Neben diesen festen Produktinformationen spielen dynamische Betriebsdaten eine wichtige Rolle. Dazu zählen der Innenwiderstand der Batteriezellen und der State of Health, kurz SoH. Dieser beschreibt den Gesundheitszustand einer Batterie und gibt Hinweise darauf, wie stark sich ihre Leistungsfähigkeit gegenüber dem ursprünglichen Zustand verändert hat.

Digitale Daten werden Teil moderner Batteriespeicher

Bei einem großen Batteriecontainer können QR-Codes den Zugang zu den hinterlegten Informationen ermöglichen. Catl hat dafür nach eigenen Angaben bereits ein eigenes Batteriepass-System entwickelt. Kunden sollen damit technische und betriebliche Daten unterschiedlicher Batteriesysteme nachvollziehen können. Die Entwicklung zeigt, dass moderne Energiespeicher zunehmend aus zwei Ebenen bestehen. Auf der einen Seite steht die Elektrochemie der Batteriezellen, die über Kapazität, Leistung und Lebensdauer entscheidet. Auf der anderen Seite wächst eine digitale Datenstruktur, die Herkunft, Zustand und Betrieb des Systems dokumentiert. Natrium-Ionen-Batterien erweitern damit nicht nur die Auswahl verfügbarer Zellchemien. Ihre hohe Leistung bei niedrigen Temperaturen, die angestrebte lange Lebensdauer und die Einsatzmöglichkeiten von kurzen bis mehrstündigen Speicherzyklen könnten neue Optionen für große Energiespeicher schaffen. Ob sich die Technologie neben etablierten Lithium-Ionen-Systemen in großem Maßstab durchsetzt, wird vor allem von Kosten, industrieller Skalierung und den Erfahrungen aus dem langfristigen Betrieb abhängen.