Dossier Batterien Von der Zelle übers Strom-Konto bis zur Strom-Autarkie

Energy 2.0 war am 18. Juni 2015 mit Experten aus dem Kreis seiner Leser unterwegs, um sich vor Ort über neueste Trends bei Batterien und Brennstoffzellen zu informieren. Prof. Dr. Werner Tillmetz, Vorstand des Zentrums für Sonnenenergie und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm und auch Redaktionsbeirat der Energy 2.0, hatte ein zweiteiliges Besuchsprogramm arrangiert:

• Am Vormittag konnten sich die Teilnehmer im Weiterbildungszentrum für innovative Energietechnologien der Handwerkskammer Ulm (WBZU) von der Funktionsweise von Brennstoffzellen informieren und im Labor live von ihren Notstromfähigkeiten überzeugen (mehr zu Batterieanwendungen in der Gebäudetechnik und aktuellen Aspekten der Elektromobilität sowie Brennstoffzellen finden Sie im zweiten Teil dieses Berichts bei unserem Schwestermagazin Urban 2.0).

• Nach weiteren spannenden Vorträgen bildete am Nachmittag die Besichtigung des ZSW-Labor für Batterietechnologie eLaB den Höhepunkt des Tages, in dem nicht nur Batterien analysiert und getestet werden können, sondern sich seit wenigen Monaten auch die industrienahe Produktion von Batteriezellen untersuchen lässt.

Wie bitte: Batteriezellen aus Deutschland?

Soll Deutschland eine eigene Produktion für Batteriezellen aufbauen? Tatsächlich fertigen ja einige Unternehmen in Deutschland Batterien, aber die Zellen dafür kommen heute ausschließlich aus Asien – und das obwohl die Lithium-Ionen-Technik in 1980er Jahren in Deutschland erfunden wurde. Kommerzialisiert hat die Technologie jedoch später Sony, weil das japanische Unternehmen die lange Betriebszeit als Wettbewerbsvorteil für seine Unterhaltungselektronik erkannte. Von dort breitete sich das Produktionsknowhow über Korea bis nach China aus, so Prof. Tillmetz.

Das Grundverständnis, die Zulieferer für Materialien wie BASF oder Umicore und natürlich der Maschinen- und Anlagenbau zur Herstellung von Batteriezellen sei aber in Deutschland durchaus vorhanden. Wenn nicht das Know-how, so sei allerdings die Erfahrung für die Produktion der chemisch delikaten Zellen verlorengegangen. Denn die Herstellung gerade der für Automotive-Anwendungen gewünschten Speicherzellen hoher Energiedichte erfordert den Aufbau möglichst dünner, aber hinreichend poröser Elektroden-Schichten.

In der Praxis gibt gerade für die Lithium-Ionen-Technologie es eine enorme Vielfalt an Kathoden- und Anodenmaterialien, und Hunderte von Varianten sowie Rezepturen für ihre Herstellung. „Da muss man einfach mal anfangen“, lautet aber die Devise von Prof. Werner Tillmetz. Genau darin liegt die Funktion des eLaB, in dem sich mit industriellen Anlagen ausgehend von den Rohmaterialen alle Schritte der Produktion von Batteriezellen unter realistischen Bedingungen studieren lassen.

Wachsendes Interesse an Zellfertigung

Nachdem die Politik in Deutschland die Batterieproduktion jahrzehntelang geringgeschätzt hat, registriert Prof. Tillmetz seit einiger Zeit bei Forschungsministerin Johanna Wanka und neuerdings auch beim Energieminister Sigmar Gabriel ein zunehmendes Interesse, die Zellfertigung wieder in Deutschland anzusiedeln. Schützenhilfe erhielten sie auf dem Nationalen Gipfel für Elektromobilität vorige Woche in Berlin noch vom Ersten Vorsitzenden der IG Metall, der die gesamte Wertschöpfungskette „inklusive der Zellfertigung“ wieder in Deutschland sehen will.

Völlig ungelöst ist aber die Frage, wer die nötigen Investitionen riskieren soll. In den USA werfen Börsenkurs-orientierte Unternehmen wie Tesla den Asiaten mit der Ankündigung einer Gigafab, die bis 2028 fünf Milliarden Dollar Investment verschlingen soll, den Fehdehandschuh hin. Wer einem solchen Beispiel in Deutschland folgen sollte, ist nicht zu sehen.

Auf dem Weg zur Stromautarkie dank Batterien

Von einer energetisch dezentral versorgten Siedlung in Weinsberg, die seit 2014 in Betrieb ist, berichtete Produktmanager Oliver Seeger von ADS-Tec. Das Familienunternehmen stellt unter anderem Hochleistungsbatteriesysteme und Speicherkomplettlösungen her. Mit der Cloud-Lösung Big-LinX ermöglicht es Energiemanagement sowie Simulation, Monitoring, Reporting und lokale Applikationen.

In Weinsberg beziehen die 23 Haushalte mittlerweile nur noch 3 % Strom aus dem Netz. Zu ihrer 97%igen Stromautarkie verhelfen ihnen unter anderem ein 192 kWh großer Batteriespeicher für Solaranlagen mit insgesamt 145 kW Spitzenleistung und zur Pufferung der Stromerzeugung aus einem BHKW. Die Batterie steigert dabei die solare Eigenversorgung von 54 % um 16 Prozentpunkte auf 70 %, den KWK-Anteil von 20 % auf 27 %.

Batterien als Stromkonto

Gemeinsam mit MVV Energie wird im Strombank-Projekt, bei dem mehrere Haushalte einen Speicher analog zu einem Bankkonto nutzen können, geht es auch darum, neue Geschäfts- und Abrechnungsmodelle zu testen: Die eigenproduzierte, aber selbst nicht verbrauchte Energie wird für die spätere Verwendung gespeichert oder anderen Teilnehmern zur Verfügung gestellt. Neuland betritt man auch mit dem „Rent a Storage“-Projekt (Storent), in dem Lithium-Ionen-Speicher sich in Größen von 0,25 bis 1 MW(h) mieten lassen. Das soll den Kunden bei geringem Kapitaleinsatz die Möglichkeit geben, Erfahrungen mit der Technik unter ihren individuellen Rahmenbedingungen zu gewinnen.

Generell, so Prof. Tillmetz, führt die weltweit steigende Nachfrage der Automobilhersteller und ihre große Einkaufsmacht zu sinkenden Preisen und höherer Auslastung in der Zellproduktion. Oliver Seeger wies aber darauf hin, dass sich Batteriesysteme nicht im selben Maße verbilligen dürften. Das liege an dem zuletzt gestiegenen Dollarkurs und den vergleichsweise stabilen Kosten für andere Komponenten wie etwa Wechselrichter.

Intelligente Regelung dezentraler Anlagen

Das einfache Kappen von Lastspitzen, mit dem Unternehmen höhere Stromtarife vermeiden, sei heute nicht unbedingt mehr sinnvoll, argumentierte Prof. Dr. Georg Kleiser von der Hochschule Ulm. Ursprüngliche Idee war, eine Überlastung der damals noch zentralen Energieerzeugungskapazitäten zu vermeiden. Heute jedoch könne es aus Netzsicht beispielsweise geradezu sinnvoll sein, dass ein Industrieunternehmen seine Last über den angestrebten Spitzenwert anhebt, wenn es beispielsweise damit gelingt, die in der Region erzeugte Mittagsspitze der solaren Erzeugung aufzufangen.

Um solche Potenziale für die „Versorgungssicherheit und Netzstabilität durch intelligente Regelung dezentraler Anlagen“ zu heben, untersucht das Projekt VuNdieRd derzeit, welche Anlagen im Ulmer Raum für eine solche Regelung in Frage kommen. Problem ist laut Prof. Kleiser, dass in den jeweils für sich errichteten und optimierten Anlagen die Wärme- und Stromerzeugung entkoppelt werden müsse, um sie in einen virtuellen Verbund aufnehmen zu können.

Intelligentes Lastmanagement zur Optimierung der Eigenstromnutzung

Dr. Jann Binder, Leiter des Fachgebiets „Photovoltaik: Module Systeme Anwendungen“ beschäftigt sich am ZSW unter anderem mit der Frage, wie sich PV-Strom mit Hilfe von Stromspeichern ins Verteilnetz integrieren und sich der lokale Verbrauch optimieren lässt.

Am Beispiel eines Einfamilienhauses rechnete er den OnTour-Teilnehmern vor, wieviel Eigenverbrauch und Autarkie bereits mit Hilfe einer angepassten PV-Anlage in Verbindung mit elektrischen Speichern möglich sind. Wird die Heizung mit Vorrang betrieben, wenn die Sonne scheint, können mit 7 kWp an PV und 5 kWh Speicher etwa 45 Prozent des jährlichen Energieverbrauchs für Haushaltsgeräte und Heizung gedeckt werden. Die erreichbaren Autarkiegrade hängen von den Lastprofilen ab, und können durch gezielte Steuerung von Speichern und Lasten verbessern.

Bisher haben sich PV-Anlagen ohne Speicher über den Einspeisetarif amortisiert. Bei den heutigen Einspeisetarifen, ist ein gewisser Anteil von Eigenverbrauch notwendig um Kostendeckung zu erreichen. Bei weiter fallenden Einspeisetarifen wird der Eigenverbrauch zur wesentlichen Komponente und erzwingt eine kleinere PV Anlage um hohe Eigenverbrauchsanteile zu erzeugen. Mit einer Batterie erhöht sich der Eigenverbrauch und auch großer PV Anlagen werden trotz geringer Einspeisetarifen wieder lohnend. Dazu müssen jedoch Batteriekosten sinken.

Bisher könne man bei Batterien von einem Preis von 1000 Euro/kWh ausgehen, was sich laut Binder noch nicht lohne. Rentabel wären 650 bis 800 Euro pro Kilowattstunde, doch davon seien wir nicht mehr weit weg, so der Experte. Gleichzeitig besteht der Wunsch, dass Batterien die PV Einspeisung netzdienlicher gestalten, indem die Erzeugungsspitzen über Mittag abgesenkt werden. Das ZSW entwickelt dafür beispielsweise verzögerte Ladealgorithmen, die aus der Beobachtung der Vergangenheit, optimalen Lade- und Verbrauchsfahrpläne für die Zukunft bestimmen und Speicher sowie Lasten, etwa die Wärmepumpe, entsprechend steuern.

Im Projekt EnVisaGe wird das intelligente Lastmanagement auf ein virtuelles Kraftwerk übertragen. Dabei wird die Eigenstromnutzung lokal je Gebäude optimiert und ein kooperatives Verhalten erzielt, das bis zu einem bestimmten Grad netzdienlich ist und dennoch dem Eigenverbrauch nicht in die Quere kommt.

Wie gut das Energiemanagement verschiedener Batteriehersteller ist, können diese am ZSW testen lassen. Sie haben dort die Möglichkeit, eigene Lastprofile in die Testumgebung zu laden.

Weitere Informationen

Zweiter Teil dieses Berichts im Urban 2.0 -Dossier Automotive-Batterien und Brennstoffzellen: 560 km Reichweite, 56 % Wirkungsgrad

Gleichstrom-Kopplung von Batterien: Das Leuchtturmprojekt „Smart Green Tower“