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Zukunft der PV-Akkutechnologie: Die Natrium-Schwefel-Batterie im Detail

Wie funktioniert eine Natrium-Schwefel-Batterie? Welche Vor- und Nachteile hat diese Akkutechnologie? Lohnen sich Natrium-Schwefel-Batterien als Solarstromspeicher?

Die Natrium-Schwefel-Batterie (NAS-Batterie) blickt auf eine lange Einsatzzeit zurück. Als die Spezial-Batterie Anfang der 70er Jahre erstmalig entwickelt und dann auch gebaut wurde, galt diese als eine Revolution in der modernen Akkutechnologie. Aufgrund ihrer enormen Leistung wurde sie daher als Akku in Satelliten eingesetzt. Aufgrund ihres komplexen Aufbaus wurde die Natrium-Schwefel-Batterie aber relativ schnell von leichteren und leistungsstärkeren Akku-Varianten abgelöst und geriet langsam aber sicher in Vergessenheit.

Aktuell steigt jedoch wieder das Interesse an Natrium-Schwefel-Batterien, da sie sich durch eine Reihe außergewöhnlicher Eigenschaften auszeichnet. Im Vergleich zu anderen Batterietechnologien, verfügt die NAS Batterie über

  • eine höhere Kapazität,
  • eine höhere Energiedichte sowie
  • eine längere Lebensdauer.

Daher eignen sie sich besonders gut für stationäre Anwendungen – im Gegensatz zu beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, deren Stärke die Bereitstellung hoher Leistung auf kürzere Zeit ist.

Das NAS Batteriesystem unterstützt dabei, Strom auf Basis erneuerbarer Energien wie etwa aus Sonnen- und Windkraft störungsfrei und zeitversetzt in bestehende Stromnetze einzuspeisen. Durch den Einsatz von Batterien mit großer Speicherkapazität können vorhandene Übertragungsnetze ohne teuren Ausbau weiter genutzt werden, weil der Strom nicht sofort nach der Erzeugung, sondern bedarfsgerecht abgegeben werden kann.

Weitere Anwendungsgebiete sind die Stabilisierung der Stromverfügbarkeit für industrielle Kunden, sowie Microgrids und Insel- beziehungsweise inselfähige Netze. Durch den Einsatz in diesen Anwendungsgebieten helfen NAS Batterien, Energiekosten zu reduzieren und Umweltbelastungen zu verringern.

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Funktionsweise von Natrium-Schwefel-Batterien

Anders als bei herkömmlichen Blei-Akkus oder Lithium-Ionen-Batterien arbeitet in der Natrium-Schwefel-Batterie kein flüssiges Elektrolyt, sondern ein festes, natriumhaltiges Alu-Oxid. Herzstück bildet eine flüssige Natrium-Anode zusammen mit einer flüssigen Schwefel-Kathode. Dabei sind die einzelnen Zellen so aufgebaut, dass sie von Wasser geschützt sind, da dies in Verbindung mit dem Natrium zu gefährlichen Reaktionen führen kann. Um Strom zu speichern und abzugeben, benötigt die Natrium-Schwefel-Batterie eine Betriebstemperatur zwischen 270 und 350 Grad. Daher gehört die NaS-Zelle auch zur Kategorie der Hochtemperatur-Batterien.

Während bei Blei- oder Zink-Kohle-Batterien feste Elektroden durch einen flüssigen Elektrolyten getrennt sind, sind bei der Natrium-Schwefel-Batterie flüssige Elektroden von einem festen Elektrolyten getrennt. (Grafik: energie-experten.org)
Während bei Blei- oder Zink-Kohle-Batterien feste Elektroden durch einen flüssigen Elektrolyten getrennt sind, sind bei der Natrium-Schwefel-Batterie flüssige Elektroden von einem festen Elektrolyten getrennt. (Grafik: energie-experten.org)

Die negative Elektrode der Na-S-Zelle besteht aus flüssigem Natrium. Der Festelektrolyt ist ein keramisches, protonenleitfähiges Material, das ß’’-Alumina. Die positive Elektrode besteht im geladenen, energiereichen Zustand aus flüssigem Schwefel. Im energiearmen Zustand besteht die positive Elektrode aus einem Gemisch aus Natriumsulfide Na2S2 und Na2S4 gebildet.

Die flüssigen Elektroden sind mit festen Kontakten versehen. Als Kontakt für die negative Elektrode wird dabei Stahl verwendet. Um den Kontakt für die positive Elektrode herzustellen, nutzt man im Inneren der Schwefel-Elektrode ein Kohlefasergewebe, die Elektrodenkammer ist aus Chrom.

Während der Entladung gibt das Natrium je negativ geladene Elektronen (e) ab, die positiv geladenen Natrium-Ionen wandern über die Festelektrolytmembran zur positiven Schwefel-Elektrode. Zusammen mit einem über den äußeren Stromkreis geflossenen negativen Elektron bildet sich dann Natriumpolysulfid (siehe Schemazeichnung). Bei der Ladung der Natrium-Schwefel-Batterie dreht sich dieser Prozess um.

Vor- und Nachteile von Natrium-Schwefel-Akkus

Vorteile

Entscheidender Vorteil dieses Aufbaus ist, dass die Natrium-Schwefel-Batterie mehrere Tausend Lade-Zyklen absolviert und sowohl hohe Leistungen, wie auch mit langsamen Entladungen problemlos klarkommt. Aufgrund ihres Aufbaus sind sie relativ leicht und in der Produktion günstig. Speziell die Möglichkeit, schnell große Leistungsspitzen abrufen zu können, macht die Natrium-Schwefel-Batterie zu einer idealen Batterie im Elektroauto oder für größere Photovoltaikanlagen. Denn auch hier müssen öfters mal größere Leistungsspitzen abgefangen werden.

Nachteile

Entscheidender Nachteil der Natrium-Schwefel-Batterie ist deren hohe Betriebstemperatur. Daher benötigt die Natrium-Schwefel-Batterie meist eine spezielle Verschalung, um den hohen Hitzeanforderungen standhalten zu können. Nutzt man die Natrium-Schwefel-Batterie dann in Zonen mit hohen Außentemperaturen, erreicht diese nahezu eigenständig ihre Arbeitstemperatur. Schaltete man den Akku eine Zeit lang aus, muss durch Zusatzgeräte die benötigte Wärme zum Erreichen der Betriebstemperatur erzeugt werden.

Außerdem muss die Verschalung extrem stabil sein, da eine enorme Gesundheitsgefahr entsteht, wenn Natrium und Schwefel miteinander wirken. Daher müssen Natrium-Schwefel-Batterien im Vergleich zu herkömmlichen Akkus eine wesentlich robustere Außenhaut besitzen und sich nur schwer beschädigen lassen. Zudem sollten Tiefentladungen vermieden werden, da diese die Batterie nachhaltig beschädigen können.

Übersicht der Vor- und Nachteile von Natrium-Schwefel-Batterien
VorteileNachteile
Fängt langsame Entladungen und Leistungsspitzen abHohe Betriebstemperatur
Günstige ProduktionGefährliche chemische Reaktion
Kein flüssiges ElektrolytBeschädigung durch Tiefenentladung

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Anwendungen von Natrium-Schwefel-Batterien

Aktuell werden Natrium-Schwefel-Batterien in PV-Großprojekten z. B. in Japan eingesetzt. Dabei helfen sie Leistungsspitzen abzufangen und dienen als Puffer-Stromspeicher in der modernen Stromversorgung. In Berlin-Adlershof gleicht seit Ende 2012 eine 1-Megawatt Natrium-Schwefel-Batterie als Demonstrationsanlage erstmals in Europa Netzschwankungen aus und wird vom Übertragungsnetzbetreiber für den Regelenergiemarkt eingesetzt. Aufgrund der komplexen Speichertechnik werden Natrium-Schwefel-Akkumulatoren noch nicht in kleinerem Maßstab im privaten PV-Bereich eingesetzt.

Einige wenige Hersteller von Stromspeichern arbeiten aber an praktischen Weiterentwicklungen, um die Natrium-Schwefel-Batterie auch im privaten PV-System sinnvoll einsetzen zu können. So entwickelt u.a. das US-Startup Aquion Energy ein kommerziell nutzbares Modell für den privaten PV-Gebrauch. Dabei soll das Ziel sein, einen Natrium-Schwefel-Batterie-Speicher zu produzieren, dessen Speicherkosten bei 200 US-Dollar/ Kilowattstunde liegen und auch bei stark schwankenden Temperaturen eine gleich bleibende Speicherleistung garantiert. Aktuell schafft der Prototyp fast 5.000 Voll-Zyklen bei einer Lebensdauer von 10 Jahren.

Mit der ersten deutschen Natrium-Schwefel-Großbatterie gleichen Younicos und Vattenfall kurzfristige Netzschwankungen in Berlin aus. (Foto: Younicos)
Mit der ersten deutschen Natrium-Schwefel-Großbatterie gleichen Younicos und Vattenfall kurzfristige Netzschwankungen in Berlin aus. (Foto: Younicos)

Natrium-Schwefel- und Lithium-Ionen-Akkus im Vergleich

Lithium-Ionen-Akkus, die heute in fast jedem zweiten PV-System zum Einsatz kommen, verursachen etwa doppelt so hohe Stromspeicher-Kosten als Natrium-Schwefel-Batterien, da Natrium- und Kohlenstoff-Elemente besonders günstig und massenverfügbar sind. Moderne Lithium-Ionen-Akkus weisen mit etwa 7.000 Ladezyklen jedoch eine längere Nutzungsdauer auf. Der Gesamtkostenunterschied beider Batterie-Technologien ist also relativ gering.

Entwicklungsstand von Natrium-Schwefel-Batterien

Aktuell sind Natrium-Schwefel-Batterien aber noch zu groß, um sie im heimischen PV-System einzusetzen. Die wenigsten Anlagen-Betreiber haben einen extra Raum für die Akku-Technik zur Verfügung, und den würde man zum aktuellen Stand der Technik benötigen.

In großen Stromspeicher-Photovoltaik-Systemen stellt die Natrium-Schwefel-Technologie eine wirklich innovative Lösung dar, die speziell im mediterranen Raum für die autarke Stromversorgung ganzer Inseln genutzt werden könnte. Setzt sich die Technik weiter durch, gehen Energie-Experten davon aus, dass sie zukünftig auch in einem kleineren Maßstab für die private Solarstromspeicherung eingesetzt werden kann.

Mehrere NAS-Batterie-Module sind in Containern zu Langzeitenergiespeichern zusammengefasst (Foto: BASF New Business GmbH)
NAS Batterien vom japanischen Keramikhersteller NGK INSULATORS, LTD. waren weltweit die ersten kommerziell erhältlichen Batterie mit einer über Stunden speicherbaren Energiemenge von mehr als 1 Megawatt. Seit Juni 2019 vertreibt BASF NAS-Batterien von NGK. (Foto: BASF New Business GmbH)

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"Funktion und Einsatz von Natrium-Schwefel-Batterien" wurde am 11.06.2019 das letzte Mal aktualisiert.