Billiger, schneller Speicher für Wind- und Solarstrom

Stanford (USA) – An sonnigen, böigen Tagen sorgen Solar- und Windkraftwerke schon heute kurzfristig für eine Überproduktion an Strom. Gegen den Mangel an Zwischenspeichern, die diese Stromspitzen kappen und das Stromnetz entlasten sollen, entwickelten kalifornische Forscher nun eine neuartige langlebige Alkali-Batterie. Dank einer nanostruktuierten Elektrode ließ sich der Stromspeicher so schnell auf- und entladen, dass sie eine fluktuierende Stromerzeugung selbst im Minutentakt ausgleichen könnte. Laut dem Bericht der Forscher in der Zeitschrift „Nature Communications“, wären dazu mehrere Container große Batterieblöcke nötig, die direkt mit dem Stromnetz verbunden werden.

Verästelte Struktur aus kleinen Kügelchen unter dem Mikroskop.
Nanostruktur der Elektrode

„Günstige Stromspeicher, die schnell reagieren, lange halten und eine hohe Effizienz bieten, sind für den Ausbau von Wind- und Solaranlagen sowie anderer fluktuierenden Kraftwerke nötig“, erklären Mauro Pasta und seine Kollegen von der Stanford University. Diese Anforderungen im Blick, verbesserten sie die bereits seit Jahrzehnten genutzte Technologie der Alkali-Batterien. Für die Stromspeicher, in denen Ionen der Alkalimetalle Natrium oder Kalium sehr effizient von einer speziellen, kristallinen Kupferverbindung (Kupferhexacyanoferrat) aufgenommen und abgegeben werden können, entwickelten sie eine nanostrukturierte und porös aufgebaute Elektrode auf Basis des leitfähigen Kunststoffs Polypyrrol. Gefüllt mit einem wässrigen Elektrolyten zeigte der Prototyp dieser Batterie ein Ladeverhalten, das ideal für günstige, stationäre Stromspeicher ist.

Die wichtigste Eigenschaft dieser Batterie ist die Schnellladefähigkeit. So kann der Stromspeicher binnen Minuten mit Strömen, die einem Vielfachen der eigentlichen Speicherkapazität entsprechen, auf- und entladen werden. Herkömmliche Bleiakkus und auch Lithiumionen-Akkus mit sehr hoher Ladedichte werden dagegen durch zu große Ladeströme leicht zerstört. So erreicht der Prototyp bei einem fünfzigfach die Kapazität übersteigenden Ladestrom – kurz 50C genannt – noch eine Speichereffizienz von knapp 80 Prozent.

Die spezifische Leistung dieser Alkali-Batterien ist allerdings mit gerade mal 100 Watt pro Kilogramm weitaus geringer als bei anderen Akku-Typen. Die Folge: Tonnenschwere Stromspeicher von der Größe ganzer Container wären nötig, um die Megawatt-Leistung beispielsweise von Windparks aufnehmen zu können. Da das verwendete Material jedoch sehr günstig und auf dem Land oft genug Platz zur Verfügung steht, wären diese Alkali-Batterien dennoch für stationäre Einsätze geeignet. Zudem überzeugte die Forscher die hohe Stabilität ihres Prototypens: Selbst nach 1.000 Ladezyklen zeigte der Stromspeicher noch 99,9 Prozent seiner urspünglichen Kapazität. Bis zur Einsatzreife dieser Alkali-Batterien müssen die Forscher allerdings noch die guten Eigenschaften auch im Megawatt-Maßstab belegen.