Salzbatterien: Vor- und Nachteile einer 40 Jahre alten „Innovation“

Unter den interessantesten Aspekten dieser Technologie, vor allen Dingen in der heutigen Zeit, in der die instabile internationale geopolitische Situation für verschiedene Problematiken in Verbindung mit der Materialbeschaffung sorgt, muss man die Zusammensetzung der Salzschmelzbatterien zweifellos einbeziehen: Diese bestehen nämlich aus einfach zu beschaffenden und in der Natur verfügbaren Rohstoffen, wie beispielsweise einfaches Kochsalz, Nickel, Eisen und Keramik, welche zudem problemlos entsorgt werden können.

Darüber hinaus garantieren sie eine lange Lebensdauer: Das technische Datenblatt von FZSONICK, welches wir analysiert haben, zählt mehr als 4.500 Auflade- und Entladezyklen zu 80%: Ein optimaler Datenwert, der, sollte er bei allen Nutzungen real sein, dem der Lithiumbatterien mit LFP-Chemie nahezu gleichkommt.

Die Salzbatterie gewährleistet letztendlich hohe Sicherheitsstandards, da dank ihrer Zusammensetzung ein Brennen oder Explodieren a priori ausgeschlossen werden kann.

Salzbatterien sind daher sicher, langlebig und nachhaltig. An dieser Stelle stellt sich natürlich die Frage, warum sie in 40 Jahren den Lithiumbatterien nie ihre herausragende Position streitig gemacht haben?

Die eigentliche Achillesferse der Salzschmelzbatterien war, ist und bleibt die Notwendigkeit einer konstant sehr hohen Temperatur für den eigenen Betrieb, und zwar in einer Größenordnung von 250-300 °C, da das Salz nur bei diesen Temperaturen den geschmolzenen Zustand aufweist. Dieser Aspekt ist die Ursache für verschiedene Problematiken. Nehmen wir beispielsweise eine Batterie mit 48 V und 200 Ah, welche 9,6 kWh Energie bereitstellt, und analysieren wir, was in einer bestimmten Aufladephase passiert.

*[Fig.3]

In der Grafik ist deutlich zu erkennen, dass die Aufladephase erst dann beginnt, wenn die Innentemperatur 270°C erreicht hat. Betrachten wir die untere Achse mit der Zeitangabe, stellen wir fest, dass 10,5 bis 11 Stunden nur für das Erreichen der Schmelztemperatur notwendig sind, damit die Batterie überhaupt funktionieren kann. Angesichts dieser langen Warm-up-Zeiten liegt es auf der Hand, dass diese Technologie im Fahrzeugsektor nie den Durchbruch geschafft hat.

Ein weiterer, sehr einschneidender Aspekt in Verbindung mit der Temperatur ist die Selbstentladung. Ausgehend von einem SOC (Ladezustand) von 100% erfolgt zur Aufrechterhaltung der Temperatur die vollständige Entladung der Batterie in 80 Stunden auf null.

*[Fig.4]

Aus der obigen Grafik geht hervor, was passiert, wenn die Batterie vom Batterieladegerät getrennt wird und dann im Ruhezustand verbleibt: Das interne BMS (Battery Management System) verwendet die gespeicherte Energie, um die Betriebstemperatur zu halten, wodurch jedoch die eigene Energie verbraucht wird. Solange demnach Energie vorhanden ist, wird die Temperatur konstant gehalten, die Batterie entlädt sich jedoch sehr schnell. Man sieht, dass der SOC in 80 Stunden auf null absinkt, was bedeutet, dass in 24 Stunden 30% der Energie verbraucht wird, nur um funktionstüchtig zu bleiben (d.h. in einem Batteriesatz von 9,6 kWh gehen 3 kWh pro Tag verloren, nur um die Temperatur der Batterie zu halten).

Ist die Batterie vollständig entladen, beginnt unmittelbar danach die Abkühlung, und sie kann erst wieder nach einem Warm-up den Betrieb erneut aufnehmen.

Es handelt sich dabei um eine Problematik, die erhebliche Konsequenzen nach sich ziehen kann, wie das folgende konkrete Beispiel zeigt:

Ein Automobil ist mit einem einwandfrei funktionierenden Salzschmelzbatteriesatz ausgestattet und legt eine längere Strecke zurück. Der Fahrer erreicht das vorgesehene Ziel, er parkt das Fahrzeug, schaltet es aus und lässt es für unbestimmte Zeit auf dem Parkplatz stehen. Was passiert, wenn sich der Batteriesatz abkühlt? Die Batterie entlädt sich, und das Fahrzeug kann nicht mehr gestartet werden. Dies ist einer der wesentlichen Nachteile: Die Salzbatterien verbrauchen viel Energie, und um sie betriebsbereit zu halten, müssten sie konstant an einer Ladesäule angeschlossen sein.

Nutzen und Anwendungen: Wo macht es Sinn, eine Salzbatterie einzusetzen?

Die Selbstentladung ist eigentlich kein Merkmal der Batteriezelle, sondern sie hängt von der vorhandenen Wärmeisolierung ab. Je stärker jedoch die Isolierung ausfällt und somit die Wärmeabgabe an die Umgebung eingeschränkt wird, desto geringer ist die Toleranz gegenüber intensiven Arbeitsbeanspruchungen, bei denen Energie auch vom inneren Widerstand erzeugt wird, woraufhin keine Wärme mehr abgegeben werden kann und folglich Übertemperatur entsteht.

Die Salzschmelzbatterien können somit nicht im Automobilsektor oder im Segment der Maschinen und Industriefahrzeuge eingesetzt werden, in denen rasche Aufladungen, hohe Entladeleistungen und die Möglichkeit längerer Stillstände ohne Autonomieverlust gefordert sind.

Der ideale Zyklus für diese Batterien würde folgendermaßen aussehen:

• Häufiger Einsatz mit Entladezeiten zwischen 2 und 10 Stunden
• Mit einer Leistung im mittleren Bereich, um die Aufheizung zu unterstützen, ohne dass jedoch Übertemperatur entsteht.
• Netzgebundene Anwendungen, bei denen die Batterie immer angeschlossen bleiben kann.

Die nachfolgende Grafik zeigt den bestmöglichen Einsatz mit 2 bis 10 Stunden Total Backup Time; dies heißt konkret, dass gespeicherte Energie tatsächlich genutzt wird; eine ideale Bedingung vor allen Dingen im Sommer, wenn die Produktion der Photovoltaikanlage auf vollen Touren läuft. Im Winter mit geringer Produktion muss man jedoch einkalkulieren, dass ein konstanter Energieverlust Platz greift, um die Aktivität der Batterie aufrechtzuerhalten.

*[Fig.5]

Lithiumbatterien werden noch für viele Jahre ihre Führungsposition im Bereich der Elektrifizierung und auch bezüglich der Energiespeicherung halten

Nicht wenige Technologien haben sich mit der Zeit als ökologische Alternativen zu den umweltverschmutzenden fossilen Energiequellen etabliert, und die Salzbatterien zählen zweifellos dazu. Das Signal ist somit positiv, und man beobachtet ein zunehmendes Engagement hin zu einer sauberen Energiewende für das Wohl unseres Planeten.

Aber wenn der Begriff „Batterie“ noch nahezu ausschließlich mit Lithium in Verbindung gebracht wird, muss man nicht weit nach den Gründen suchen.

Performance und Verfügbarkeit

Die hohe Ausbeute der Lithiumbatterien macht diese zu den unangefochtenen Spitzenreitern im Bereich der Elektrifizierung; sie bieten eine hohe Energiedichte und garantieren durchgehend optimale Performances. Darüber hinaus sind Lithiumbatterien in zahlreichen chemischen Verbindungen verfügbar, wobei verschiedene Elemente und Zusammensetzungen zur Anwendung kommen, um unterschiedlichsten Nutzungssituationen gerecht zu werden.

Ihr breit angelegter Einsatz hat im Lauf der Jahre zu einem guten Kompromiss zwischen Preis und Qualität geführt und den Zugriff darauf erleichtert, aber sie haben noch einen weiteren entscheidenden Vorteil: die Verfügbarkeit in verschiedenen Formaten, d.h., dank ihrer Energiedichte können Lithiumbatterien je nach vorliegendem Bedarf der Anwendungen oder Speichersysteme, an denen ihre Installation vorgesehen ist, passend dimensioniert werden.

Zuverlässigkeit und Sicherheit sind möglich

Die Lithiumbatterien verdienen es nicht, als wenig sicher eingestuft zu werden. Der Batteriehersteller spielt eine wesentliche Rolle zur Gewährleistung langfristiger Sicherheit und Zuverlässigkeit, (link art. sicurezza produttore) und zwar ausgehend von der Wahl der richtigen Chemie (die LFP-Chemie ist beispielsweise die sicherste und stabilste, die auf dem Markt angeboten wird) bis hin zum korrekten Zusammenbau der Zellen und einer intelligenten Steuerelektronik, die stabile Leistungen langfristig zu garantieren in der Lage ist.

Wiederverwendung und zweites Leben

Schließlich ist es wichtig, darauf hinzuweisen, dass am Ende der Nutzlebensdauer einer Lithiumbatterie in einem Fahrzeug oder bei einem Rückgang der Restkapazität bis unter 80% es noch zahlreiche Einsatzmöglichkeiten in anderen Bereichen gibt, z.B. Energiespeicherung zur Versorgung von Verbrauchern in Wohnungen und Gebäuden. Dies erlaubt eine Verbesserung der Funktionsweise der Stromnetze und gleichzeitig eine umfassendere Nutzung der von Anlagen erneuerbarer Energiequellen erzeugten Energie.

Wir möchten klarstellen, dass der Zweck dieses Artikels nicht darin besteht, eine Technologie zu verurteilen und eine andere zu loben; es ist uns wie immer ein Anliegen, möglichst viel Klarheit zu schaffen, vor allen Dingen in einem Bereich wie dem der Batterien, der sich jeden Tag weiterentwickelt und dabei stets neue und untereinander sehr unterschiedliche Technologien hervorbringt.

Die Zukunft der Energie gehört ohne jeden Zweifel den Erneuerbaren, und wir alle orientieren uns mittlerweile an nachhaltigen Lösungen, aber uns muss bewusst sein, dass es keine „Wundertechnologien“ gibt: Jede weist positive und negative Aspekte auf, und unsere Aufgabe in diesem Zusammenhang besteht darin, uns möglichst umfassend zu informieren, dabei Vorzüge, Defekte, Grenzen und Zweckmäßigkeiten in die Waagschale zu legen und die Ziele, die wir erreichen möchten, eindeutig abzustecken.