Korea und USA sind führend bei der Entwicklung von Energiespeichern Deutschland darf den Anschluss nicht verlieren

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Korea und USA sind führend bei der Entwicklung von Energiespeichern

Deutschland darf den Anschluss nicht verlieren

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Energiespeicherung | Für den Einsatz erneuerbarer Energien bedarf es effizienter Zwischenspeicher. Der Markt für entsprechende Speicherlösungen, allen voran die Lithium-Ionen-Technik, wird in Zukunft boomen. Sie ist aber noch ausbaufähig. Im weltweiten Vergleich fällt Deutschland im Entwicklungsrennen zurück – der Asien-Pazifik-Raum, vor allem der koreanische Konzern Samsung, treibt seine Entwicklungen stark voran. Auch der US-Elektroautomobilhersteller Tesla ist gut im Rennen.

Dr. Thomas IsenburgWissenschaftsjournalist aus Herne

Energiespeichern wird eine glänzende Zukunft vorhergesagt. Argumente für den Markt in Deutschland sind sinkende Solar- und Windstrom-Einspeisevergütungen, hohe Strompreise für die Endkunden sowie eine hohe installierte Leistung von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien. Dieser Rahmen kann zu einem attraktiven Markt für die Speicherung elektrischer Energie werden.
Gemäß einer Studie der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen sind derzeit in Deutschland bereits etwa 34 000 Energiespeicher installiert. Ende vergangenen Jahres konnten Energiespeicher in Deutschland insgesamt rund 128 MWh an Energie liefern, wie ein kürzlich erschienener Bericht der Marktforschungsgesellschaft GTM Research Organisation aus Boston/Massachusetts in den USA zeigt. Im Zeitraum von 2015 bis 2021 soll sich dieser Markt mit einem Volumen von bis zu 1,03 Mrd. US-Dollar sogar verelffachen.
Samsung spielt bei der Entwicklung von Energiespeichern bei den ganz Großen mit
Das größte jährliche Wachstum wird aber nicht in Europa, sondern im Asien-Pazifik-Raum erwartet. Einer der großen Player, wenn es um Energiespeicher geht, ist das koreanische Unternehmen Samsung SDI. Die Tochtergesellschaft des Elektronikherstellers erwirtschaftet mit ihren Batteriespeicherlösungen vor allem für den Automobilsektor mittlerweile einen Umsatz von rund 7 Mrd. Euro. Jüngst stellte der Batteriehersteller den laut eigenen Aussagen „fast perfekten Akku“ vor. Anders als die bislang bekannten Lithium-Ionen-Speicher verfügt dieser über einen festen Elektrolyten.
Der Übergang von der festen zur flüssigen Phase kann Akkubrände wie beispielsweise bei der Boeing 787 Dreamliner oder bei Elektroautos wie jüngst dem Model S von Tesla Motors (unser Redakteur Alexander Gölz berichtete dazu in Ausgabe 22/16) vermeiden. Die neuen Akkus basieren auf sogenannten flüssigen Elektrolyten. Hierzu wurde zunächst nach Faktoren gesucht, die eine effiziente Ionenleitung in Festkörpern bewirken. Dabei sind die Forscher des Batterieproduzenten und der Forschungseinrichtung Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge/Massachusetts, bei einem Materialgemisch aus Lithium, Germanium, Phosphor und Schwefel gelandet.
Die Koreaner interessieren sich auch für eine Übernahme des italienischen Automobilzulieferers von Fiat, Magneti Marelli, und könnten damit eigene Elektromobile bauen. Bereits jetzt liefert das Unternehmen die Batterien für die i3-Elektroautos von BMW. Dass ihnen wirtschaftlich vertraut wird, zeigt auch der in diesem Jahr um über 30 % gestiegene Aktienkurs des Korea-Konzerns.
Die wohl stärkste Konkurrenz bei dem Vorhaben ist der amerikanische Marktführer für den Bau von Elektromobilen, Tesla Motors. Der Elektrofahrzeug-Pionier setzt Energiespeicher von Panasonic ein. Diese besitzen eine Energiedichte von 250 bis 270 kWh pro Kilogramm und realisieren mit einer Batterieladung aktuell Reichweiten von mehr als 600 km. Das sind deutlich höhere Werte, als der Wettbewerb erreicht.
US-Elektromobilhersteller Tesla bietet Samsung mit reichweitenstarken Akkus Paroli
Elon Musk, Geschäftsführer des US-Unternehmens, weihte Ende Juli in der Wüste von Nevada Teile einer Fabrik zur Produktion von Energiespeichern ein. Der Tesla-Chef ist für seine visionären Ankündigungen im Markt bekannt. In der Fabrik sollen einmal genauso viele Batterien wie im Rest der Welt produziert werden, heißt es. Hierzu kooperiert der Hersteller mit dem japanischen Elektronikkonzern Panasonic. Auch Batterien auf Basis der Lithium-Ionen-Technik sollen in den Markt gebracht werden. Der CEO denke zudem über weltweite Produktionsstätten für seine Elektromobile nach. Dabei steht das amerikanische Unternehmen unter Druck, weil es zuletzt Verluste eingefahren hat.
Untätig ist auch der deutsche Markt nicht: Der Stuttgarter Kraftfahrzeughersteller Daimler baut mit seiner neugegründeten Geschäftssparte, Mercedes-Benz Energy, seine Kompetenz im Bereich Lithium-Ionen-Batterien konsequent aus. Die neue Sparte übernimmt künftig Entwicklungen und die deutsche Tochter Accumotive ist für den weltweiten Vertrieb der Batterien verantwortlich. Der Automobilhersteller reagiert damit auf die zunehmende automotive Elektrifizierung und die gesteigerte Nachfrage bei Lithium-Ionen-Batterien.Wie Tesla wollen sich die Autobauer auch um stationäre Batteriespeicher für private und industrielle Anwendungen kümmern. Kürzlich wurde die Produktionsfläche im sächsischen Werk Kamenz verdoppelt. Dafür investierte der Konzern 500 Mio. Euro und beschäftigt am dortigen Standort zurzeit 330 Mitarbeiter.
Deutsche Unternehmen wie BMW treiben auch hierzulande Elektromobilität voran
Der Münchner Konkurrent BMW setzt mit seiner bekannten Modellreihe i3 schon seit einiger Zeit auf Elektromobilität. Ab dem Sommer bieten die bayrischen Automobilproduzenten eine zusätzliche Version des Elektromobils mit größerer Batteriekapazität an. Durch die höhere Speicherdichte erreichen die Lithium-Ionen-Zellen dann eine Kapazität von 33 kWh – und das bei identischen Batterieabmessungen. Das ergibt ein Plus von 50 % bei der Reichweite, sodass anstatt 190  nun schon 300 km erreicht werden.
Inzwischen sucht eine große Vielfalt an Speichertechniken ihren Weg in den Markt. Hier differenziert der Bundesverband Energiespeicher (BVES) zwischen Stromspeichern, Wärmespeichern und Power-to-Gas. Die Stromspeicher wiederum können in Pumpspeicherkraftwerke, Batterien und Schwungradspeicher unterteilt werden. Bei den Einsatzgebieten geht es dann darum herauszufinden, wo welcher Speicher gebraucht wird, teilt BVES-Pressesprecherin Miriam Hegner mit. Zum Beispiel ist die Regelspeicherung im Stromnetz eine klassische Aufgabe für Batteriespeicher. Im Moment sei es sehr populär, Photovoltaik(PV)-Anlagen mit Batteriespeichern zur Optimierung des Eigenverbrauchs zu ergänzen. Dabei gebe es gemischte Modelle und die Hausspeicher würden zu virtuellen Kraftwerken ausgebaut, meint die Energiespeicher-Expertin. Von den Trends her sei es jedoch noch schwierig zu beschreiben, was sich durchsetzen wird. Die Entwicklung geht wohl in Richtung einer Vernetzung der Energiespeicher, erklärt sie.
Eines der aktuellen Schlagwörter ist Power-to-Gas. Mit der Technik ist es möglich, via Strom aus erneuerbaren Energien und Elektrolyse Wasserstoff zu produzieren. Durch die Umsetzung mit Kohlenstoffdioxid wird der einfache Kohlenwasserstoff Methan produziert, der dann flexibel in den Elektrizitäts-, Wärme- und Transportsektor integriert werden kann. Diese Technik ist mit großen Hoffnungen in der Branche verknüpft. So könnte für Methan das bestehende Erdgasnetz als Speicher und Transportmedium genutzt werden. Einer der Technologietreiber und Initiatoren für Pilotprojekte ist das Unternehmen GP Joule aus dem nordfriesischen Reußenköge.
Eine Testanlage für das System steht bereits in Nechlin in der Uckermark. Hier wird Windstrom, der nicht in das Netz eingespeichert wird, zur Produktion von Wasserstoff verwendet, teilt das Unternehmen mit. Für den Wasserstoff gibt es dann mehrere Optionen: Rückverstromung in einer Brennstoffzelle, Einspeisung in das Erdgasnetz entweder durch eine chemische Reaktion mit dem im Erdgas vorhandenen Ethen zu Ethan oder die Umwandlung von Kohlenstoffdioxid zu Methan. Über den gesamten Prozess, also Strom – Gas – Strom, liegt der Wirkungsgrad aktuell bei etwa 40 %.
Kritiker bemängeln daher die niedrige Effizienz bei der Umwandlung von Energie durch das Power-to-Gas-Verfahren. Experten meinen, die Energie könnte schon direkt nach der Elektrolyse in Form von Wasserstoff gespeichert werden.
Lithium-Ionen-Technik bedarf – trotz Euphorie – noch weiterer Entwicklung
Obwohl die Lithium-Ionen-Technik bis dato große Euphorie bei den Branchenteilnehmern hervorruft, besteht nach wie vor Entwicklungsbedarf. So seien neue Energiespeicher auf Basis der Lithium-Ionen-Technik noch nicht reif für die Praxis, da sie schon nach wenigen Ladezyklen versagen. Diese Aussage publizierten Wissenschaftler um den Professor Hubert Gasteiger vom Lehrstuhl für technische Elektrochemie der Technischen Universität München (TUM) im Fachmagazin „Angewandte Chemie“ im Frühjahr. Laut deren Aussagen wäre eine Schlankheitskur der Technik nötig: Die heute gängigen Lithium-Ionen-Akkus enthalten schwere Elektroden aus Übergangsmetalloxiden. Leichtgewichtige Alternativen sind daher gefragt. „Einer der vielversprechendsten Ansätze ist der Lithium-Luft-Akku, bei dem die Lithiumkobaltoxid-Kathode durch poröse Kohlenstoffpartikel ersetzt wird“, erklärt Johannes Wandt, Doktorand im Team von Prof. Hubert Gasteiger am Lehrstuhl für technische Elektrochemie der TUM.
Schon im Februar blickte Johannes Kempmann, Präsident des Bundesverbands der Energie- und Wasserwirtschaft BDEW im Rahmen der Auftaktpressekonferenz der Energiemesse E-World mit Sorge auf die von ihm vertretene Branche: „Wie ich das sehe, hat die Branche im letzten Jahr 220 Mio. Euro für Forschung und Entwicklung ausgegeben. Demgegenüber stehen 24 Mrd. Euro für EEG-geförderte Anlagen.“ Ein Teil des Geldes würde dann für in China gefertigte PV-Anlagen ausgegeben, meint der Energieexperte nicht ohne Kritik an der aktuellen Situation. Dabei liege es nicht daran, dass die Branche nicht wolle, sondern nicht könne, erläutert Kempmann. „Beim koreanischen Unternehmen Samsung allein beschäftigen sich 5000 Leute mit Energiespeicherung. Wenn es in Deutschland in Summe 500 sind, ist das schon ganz gut“, zeigt der Verbandspräsident auf. „Da verlieren wir im Moment ganz drastisch“, befürchtet er.
„Power-to-Gas ist grundsätzlich eine gute Idee, aber nicht effizient genug und sehr kostenintersiv“
Professor Robin Vanhaelst von der Hochschule Ostfalia in Wolfsburg ist Spezialist für Energiespeicher. Bezugnehmend auf aktuelle Trends beim Thema Power-to-Gas meint der Hochschullehrer, dass es im Prinzip eine gute Idee sei und insbesondere vom Hersteller Audi und der Fraunhofer-Gesellschaft getragen werde. Jedoch sei das aus regenerativen Energien produzierte Methangas um den Faktor neun bis zehn zu teuer: „Der Prozess ist von einer zu geringen Effizienz begleitet und sehr kostenintensiv. Grundsätzlich ist es eine gute Idee, jedoch wirtschaftlich vorne und hinten noch nichts“, erklärt Vanhaelst.
Ein Markt, der sich bereits jetzt auftut, ist die Lithium-Ionen-Technik. In der Kombination mit Solaranlagen gebe es bereits jetzt Technologien, die marktreif und käuflich zu erwerben seien, erläutert der Energiespeicherspezialist. Noch liegen die Amortisierungszeiten von Lithium-Ionen-Batterien bei zehn Jahren. Nach dieser Zeit ist dann auch das Batteriesystem an seinem Lebenszeitende angekommen.
Warum hiesige Unternehmen beim Umfang der Forschungsanstrengungen gegenüber einem Unternehmen wie Samsung so weit zurückliegen, beantwortet der Hochschullehrer wie folgt: „Samsung ist natürlich ein ganz Großer, die sind Global Player auch in der Automobiltechnik. Auch Unternehmen wie Panasonic und Sanyo beliefern heute bereits die Fahrzeughersteller“, gibt er zu bedenken.
Vanhaelst schränkt ein, dass eine Batteriefertigung in Deutschland aktuell nicht konkurrenzfähig wäre. „Es wäre nicht schlecht, wenn hier eine ordentliche Batteriefertigung aufgebaut werden könnte. Jedoch sagen viele Fahrzeughersteller, wir wollen erst einmal warten, bis es die richtige Batterietechnik gibt, und dann steigen wir ein“, erläutert der Experte. Den Entwicklungsvorsprung sieht der Hochschullehrer klar bei koreanischen Unternehmen wie Samsung. Man müsse in Deutschland aufpassen, um den Anschluss nicht zu verlieren, gibt er zu bedenken.
Bei Großspeichern für Energie gehen die ersten Überlegungen am Markt in Richtung Pumpwasserkraftwerke. Die Kraftwerke erreichen Wirkungsgrade von 70 % bis 80 % und sind mit einer Leistung von 130 GW auf der Welt verteilt. Jedoch stellen sie einen erheblichen ökologischen Eingriff in die Landschaft dar, wie immer wieder auftretende Diskussionen in Expertenkreisen zeigen. Daher werden zudem Druckluftspeicherkraftwerke als Alternativen erforscht. Bei diesen Speicherwerken soll mit der überflüssigen Energie von Solar- und Windkraftanlagen per Generator Luft in unterirdische Stollen gepresst werden. Wenn Strombedarf herrscht, wird der Fluss umgekehrt – das heißt, die Druckluft wird abgelassen und erzeugt mittels einer Turbine elektrische Energie.
Dass das keine Vision mehr, sondern bereits Realität ist, beweisen Kraftwerke dieser Bauart in den USA und in Deutschland. Bislang sind Druckluftspeicherkraftwerke jedoch meist noch nicht effizient genug, heißt es: Nach der Speicherung landet nur etwa die Hälfte der Energie im Stromnetz. Damit sich das ändert, laufen entsprechende Versuche der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) am Gotthardtunnel, die Effizienzwerte um die 70 % versprechen.
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