Bei der Suche nach neuen, nachhaltig umweltfreundlichen und vor allem sicheren Energiespeicherlösungen erregt eine Technologie momentan besonders viel Aufsehen: Natrium-Ionen-Akkus.
Kein Wunder: bieten sie doch eine Vielzahl von Vorteilen, die sie besonders attraktiv für die heutigen energiebewussten und umweltfreundlichen Märkte machen.
Doch welche Arten von Natrium-Ionen-Akkus gibt es eigentlich, und warum sollten Sie diese als zukunftsfähige Option in Betracht ziehen?
Die verschiedenen Arten der Natrium-Ionen-Technologie
Alle Natrium-Ionen-Batterien (oft auch Salzbatterien oder Salzakkus genannt) teilen ein grundlegendes Prinzip: Sie nutzen Natrium-Ionen, die zwischen den Elektroden hin- und herwandern, um elektrische Energie zu speichern oder freizusetzen.
Und doch sind nicht alle Natrium-Ionen-Batterien gleich. Lass uns daher einen Blick auf die verschiedenen Typen, ihre spezifischen Eigenschaften und mögliche Einsatzgebiete werfen:
1. Thermalbatterien mit Natriummetall
Zu den bekanntesten Vertretern dieser Kategorie gehören die Natrium-Schwefel-Batterien (NAS) und die Natrium-Nickelchlorid-Batterien, auch bekannt als ZEBRA-Batterien.
Diese Batterien nutzen einen Festelektrolyten (Natrium-β-Aluminat), der die Bewegung von Natriumionen zwischen Anode und Kathode ermöglicht. Allerdings ist das nur bei hohen Betriebstemperaturen zwischen 270 und 350°C möglich, da die Anode in Form von flüssigem Natrium vorliegen muss. Die Energiedichte ist im Vergleich zu Bleisystemen mit 100 - 120 Wh/kg sehr gut.
Schnittmodell einer ZEBRA Batterie. Quelle: RudolfSimon, CC BY-SA 3.0,
Einer der herausragenden Vorteile von NAS- und ZEBRA-Batterien ist ihre außerordentliche Robustheit. Sie können in einem breiten Temperaturbereich (-20°C bis +60°C) eingesetzt werden und sind daher für stationäre Anwendungen geeignet.
Sie werden hauptsächlich zur Notstromversorgung kritischer Infrastrukturen sowie zum Lastausgleich und zur Frequenzregulierung in Stromnetzen eingesetzt. Ihre Fähigkeit, in extremen Temperaturumgebungen zu funktionieren, prädestiniert sie auch für industrielle Anwendungen - etwa in der Schwerindustrie, wo sie helfen können, Energieeffizienz zu steigern und Prozessstabilität zu sichern.
Doch auch in städtischen Transportsystemen, wie etwa U-Bahnen, können NAS- und ZEBRA-Batterien sinnvoll eingesetzt werden. Ihre Robustheit ermöglicht den Betrieb auch unter den rauen Bedingungen urbaner Verkehrssysteme, wobei sie eine zuverlässige und langanhaltende Energiequelle bieten.
Trotz der vielen Vorteile kommen NAS- und ZEBRA-Batterien jedoch nicht ohne Nachteile:
Die Produktion dieser Zellen ist aufwendiger und kann daher nicht in den Stückzahlen und nicht zu den Preisen wie klassische Wickelzellen hergestellt werden. Dadurch werden sogenannte Skaleneffekte in der Produktion zur Preisreduktion nicht erreicht.
Die Notwendigkeit, hohe Betriebstemperaturen zu halten, führt zu einem erhöhten Energieverbrauch und höheren Betriebskosten. Außerdem liegt ihre Energiedichte im Vergleich zur Lithium-Batterietechnologie nur auf einem mittelmäßigen Niveau, was die Einsatzmöglichkeiten und die Wirtschaftlichkeit dieser Batterien in bestimmten Anwendungen einschränkt.
Zusammenfassend kann man jedoch sagen, dass NAS- und ZEBRA-Batterien eine mögliche Lösung für stationäre Anwendungen bieten, während sie für mobile Anwendungen aufgrund ihres Gewichts und ihrer Größe nicht geeignet sind.
Nichtsdestotrotz macht sie ihre Eignung für die Integration in erneuerbare Energiesysteme und kritische Infrastrukturen, zusammen mit ihrer Fähigkeit, zuverlässige Notstromversorgung zu bieten, zu einem wertvollen Element der modernen Energieinfrastruktur. Besonders in Zeiten, in denen nachhaltige und robuste Energiespeicherlösungen immer wichtiger werden.
2. Natrium-Ionen-Batterien mit wässrigen Elektrolyten
Natrium-Ionen-Batterien mit wässrigen Elektrolyten, oft auch als Salzwasser-Batterien bezeichnet, repräsentieren eine besonders innovative Kategorie in der Welt der Energiespeichersysteme und sind der Kategorie Redox-Flow Batterien zuzuordnen. Sie sind aufgrund ihres wasserbasierten Elektrolyten besonders sicher und stellen daher eine attraktive Alternative zu den traditionellen Batterietechnologien dar.
Quelle: Greenrock
Ihre größte Stärke ist die außerordentliche Sicherheit, die durch die Verwendung nicht-entflammbarer Materialien erreicht wird. Sie besitzen außerdem eine bemerkenswerte Toleranz gegenüber Tiefentladung und können sicher bis auf 0V entladen werden, ohne Schaden zu nehmen.
Vorteile der Salzwasser-Batterien:
Die Robustheit dieser Batterien gegenüber Tiefentladungen macht sie extrem zuverlässig und wartungsarm, was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen regelmäßige Wartung schwierig oder kostspielig ist.
Ihre Umweltfreundlichkeit – durch den Verzicht auf schwere Metalle und gefährliche Chemikalien – minimiert zudem das Risiko von Umweltschäden und macht ihre Entsorgung oder Recycling einfacher und sicherer.
Nachteile und Anwendungsbereiche:
Trotz ihrer vielen Vorteile weisen Salzwasser-Batterien eine sehr geringe Energiedichte (10 - 25 Wh/kg) auf und sind daher für viele Anwendungen nicht geeignet. Ihre Größe und ihr Gewicht limitieren ihre Verwendung in Bereichen, wo Raum- und Gewichtseffizienz entscheidend sind.
Sie eignen sich technisch für stationäre Anwendungen ab einer bestimmten Anlagengröße, sind aber für Kleinanlagen, wie beispielsweise im Heimbereich, nicht wirtschaftlich einsetzbar.
In größeren Energieinfrastrukturen können sie auch als Teil eines umfassenden Systems zur Energieverteilung und des Lastmanagement eingesetzt werden, um eine zuverlässige, sichere und umweltfreundliche Energieversorgung zu gewährleisten.
Zusammenfassend kann man sagen, dass Natrium-Ionen-Batterien mit wässrigen Elektrolyten eine sichere, kosteneffiziente und umweltfreundliche Lösung für stationäre Energiespeicher-Anwendungen bieten.
Ihre Fähigkeit, tief entladen zu werden, ohne Schaden zu nehmen, ihre einfache und sichere Chemie sowie ihre geringen Wartungskosten machen sie besonders wertvoll für Anwendungen, die eine langfristige und stabile Energieversorgung erfordern.
3. Natrium-Ionen-Batterien mit organischen Elektrolyten
Bei Salzstrom haben wir uns für diese Art von Natrium-Ionen-Batterien entschieden, weil sie die fortschrittlichste Wahl für die Speicherung von Energie darstellen. Insbesondere für stationäre Speicheranwendungen wie beispielsweise in Kombination mit Photovoltaikanlagen.
Quelle: Freepik
Diese Batterien nutzen organische Elektrolyte, die es ermöglichen, höhere Zellspannungen zu erreichen und dadurch die Energiedichte erheblich zu steigern. Das bedeutet, dass sie eine höhere Energiemenge auf einem kleineren Raum speichern können, was sie besonders effizient macht.
Vorteile von Natrium-Ionen-Batterien mit organischen Elektrolyten
Zwar liegt die Energiedichte dieser Batterien mit 120 - 160 Wh/kg noch leicht unter der von Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) die zwischen 150 - 190 Wh/kg erreichen. Jedoch sind die Fortschritte in der Entwicklung sehr vielversprechend und eine Annäherung an die Energiedichten von LFP ist hier bereits in greifbarer Nähe. Im Labor werden bereits mit Natrium-Ionen Zellchemien Energiedichten von 200 Wh/kg erreicht.)
Zudem bieten Natrium-Ionen-Batterien mit organischen Elektrolyten die doppelte Leistungsdichte als Lithium-Batterien. Das heißt, dass die Natrium-Ionen Batterie doppelt so schnell geladen werden kann als ihre Lithium Freunde.
Ein weiterer Vorteil ist der große Temperatureinsatzbereich. Natrium-Ionen-Batterien mit organischen Elektrolyten können in einem Bereich von -40°C bis + 60°C sinnvoll betrieben werden und benötigen daher ein viel weniger komplexes Temperaturmanagementsystem als Lithiumsysteme. Das senkt die Systemkosten von Outdooranlagen.
Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit
Natrium-Ionen Batterien mit organischen Elektrolyten sind bereits in der ersten Produktgeneration wettbewerbsfähig mit LFP Batterien und haben das Potential nochmal um 10% - 30% kostengünstiger als LFP zu werden, sobald vergleichbare Stückzahlen produziert werden.
Auch der CO2 -Fußabdruck ist bei Natrium-Ionen Batterien mit organischen Elektrolyten geringer als bei Lithium- oder Bleibatterien und stellt dadurch eine umweltfreundlichere Alternative zur Speicherung von Energie dar.
Fazit
Zusammenfassend bieten diese drei Typen von Natrium-Ionen-Batterien jeweils individuelle Vorteile für verschiedene Anwendungen und Herausforderungen in der modernen Energiespeicherung.
Die Thermalbatterien mit Natriummetall, insbesondere die NAS- und ZEBRA-Batterien, sind aufgrund ihrer hohen Temperaturresistenz und Robustheit ideal für stationäre Anwendungen, die eine langfristige und zuverlässige Energieversorgung benötigen.
Ihre Fähigkeit, in extremen Bedingungen zu operieren, macht sie zu einer wertvollen Ressource für die Speicherung von erneuerbarer Energie und die Notstromversorgung sowie für industrielle Anwendungen, die hohe Energiedichten erfordern.
Die Natrium-Ionen-Batterien mit wässrigen Elektrolyten bieten durch ihre Umweltfreundlichkeit und hohe Sicherheit eine hervorragende Option für stationäre Energiesysteme, insbesondere dort, wo Sicherheit und einfache Wartung Priorität haben und die Energiedichte keine Rolle spielt.
Die Natrium-Ionen-Batterien mit organischen Elektrolyten hingegen setzen neue Maßstäbe in Bezug auf Energiedichte und Robustheit, die viele Eigenschaften der Lithium-Ionen-Batterien übertrifft.
Diese Batterien sind besonders für den Einsatz in Photovoltaikanlagen geeignet, wo sie nicht nur die Sicherheit drastisch erhöhen, sondern auch die Rentabilität und Effizienz der Energieverwendung verbessern. Ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturschwankungen und ihre Langlebigkeit machen sie zu einer idealen Wahl für nachhaltige Energiespeicherlösungen.
Sie sehen also: Jeder Typ hat seine spezifischen Stärken und Anwendungsbereiche, die ihn für unterschiedliche Anforderungen und Betriebsumgebungen geeignet machen. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologien und einer zunehmenden Integration in verschiedene Energieinfrastrukturen können wir eine effizientere, wirtschaftlichere und umweltfreundlichere Energieversorgung erwarten.
Ein Blick in die Zukunft
Die Natrium-Ionen-Technologie steht erst am Anfang ihres Potenzials. Bei Salzstrom sind wir bestrebt, diese Technologie weiterzuentwickeln und zugänglich zu machen, um einen signifikanten Beitrag zur Energiewende zu leisten.
Mit unseren Natrium-Ionen-Akkus mit organischen Elektrolyten sind wir sehr gut positioniert, um den stetig wachsenden Herausforderungen des Energiemarktes zu begegnen und eine Schlüsselrolle in der Entwicklung nachhaltiger Energiespeicherlösungen zu spielen.
Und wir laden Sie gern ein, sich uns anzuschließen, wenn wir die Welt der Energiespeicherung neu definieren – für eine saubere, sichere und nachhaltige Zukunft.
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