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Interview mit Stephan Lux, Fraunhofer ISE

Mein Name ist Stephan Lux vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme und ich arbeite hier im Team für Batteriesysteme und Module.

Warum ist es eigentlich so schwierig Strom zu speichern?

Die Speicherung von Strom findet von je her in Batterien statt. Man muss sagen, dass die Batterietechnologie in den letzten Jahren kaum weiterentwickelt worden ist, und die Entwicklungstätigkeiten hauptsächlich im asiatischen Raum stattgefunden haben. Energiespeicherung ist in den letzten Jahren und Jahrzehnten in Deutschland kaum ein Thema gewesen, außer bei Pumpspeicherkraftwerken.

An welchen Technologien forschen Sie hier in Freiburg?

Wir beschäftigen uns mit dem Aufbau von Batteriesystemen auf der Basis von Lithium-Ionen-Batterien, Blei-Batterien und Redox-Flow-Batterien.

Welcher dieser drei Batterietypen ist für welche Anwendung geeignet?

Wir sehen momentan für die kurz- und mittelfristige Speicherung elektrischer Energie die Lithium-Ionen-Batterien ganz klar vorne. Die Blei-Batterie ist im begrenzten Rahmen auch geeignet. Sie hat eine geringere Lebensdauer, zeichnet sich aber durch einen geringeren Preis aus. Redox-Flow-Batterien eignen sich eher für längerfristige Speicherungen.

Welche Anforderungen stellt ein Hausbesitzer an seine Batterie im Keller und welche Anforderungen muss eine Batterie erfüllen, die in einem Smart Grid eingesetzt wird?

Der Hausbesitzer hat meistens den Anspruch, dass er seinen selbst produzierten Solarstrom selber benutzen möchte. Das heißt, wenn er am Tag einen Energieüberschuss hat, möchte er den abspeichern und dann am Abend wenn er nach Hause kommt selber nutzen. Wenn wir das Thema Smart Grid betrachten, dann ist es zum Beispiel sehr wichtig, dass man die vorhandenen Netze entlastet, Energieflüsse verteilt und das Gesamtsystem betrachtet.

Wie weit ist es noch bis zu der Batterie, die sich jeder PV-Anlagen-Besitzer in den Keller stellen kann? Was muss da noch geschehen?

Wir sehen im Moment eine Vielzahl von Systemen in niedrigen Stückzahlen auf den Markt kommen. Was noch passieren muss ist eine Preisreduktion, da die Systeme bisher für den Eigenverbrauch in den wenigsten Fällen wirtschaftlich arbeiten.

Wie lange dauert das noch?

Meine persönliche Prognose wären drei bis fünf Jahre.

Sehen Sie in der aktuellen Änderung des EEG ein Risiko oder eine Chance für die weitere Entwicklung der Speichersysteme?

Oh, die Frage ist schwierig zu beantworten. Allgemein steigende Strompreise könnten die Wirtschaftlichkeit natürlich schneller voranbringen.

Welcher Batterietyp ist für Fahrzeuge am besten geeignet?

Was wir im Moment sehen ist eindeutig der Trend zu NMC-basierten Lithium-Ionen-Batterien im Fahrzeug. Blei-Batterien oder Redox-Flow-Batterien kommen wegen der geringen Energiedichte im Allgemeinen nicht in Frage. Es ist die Frage in welche Richtung das weitergehen wird und welche Technologie nach den NMC-Batterien kommen wird.

Zu welchen Fragestellungen forscht das Fraunhofer ISE bei Batterien für Elektromobilität?

Das Fraunhofer ISE kommt von der Anwendung her, aus dem Bereich der regenerativen Energien. Wir haben uns aber sehr stark weiterentwickelt. Unsere Schwerpunkte, die wir im Bereich Batterieforschung haben, sind eher auf der systemischen Seite. Wir stellen im Allgemeinen keine Batterien hier im Hause her, sondern befassen uns mit der Anwendung in Systemen und mit der Zustandsbestimmung. Die Fragestellung ist zum Beispiel, wie ist der Ladezustand und wie ist aktuell der Alterungszustand? Wir haben statistische Verfahren zur Zustandserkennung, die wir einsetzen und mit der Industrie weiterentwickeln. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Alterungsuntersuchung. Den Fahrzeugbauer interessiert natürlich wie schnell die Batterie in der Anwendung altert, wie die Betriebsbedingungen sind und wie man das Ganze verbessern kann.

Ein Ort oder eine Insel, wie die Insel Pellworm, möchte unabhängig werden vom Netz. Was braucht es dafür?

Wenn man solche Inselanwendungen betrachtet ist es natürlich sehr wichtig zu analysieren, was dort für Verbraucher eingesetzt sind, wo Lastspitzen sind und wie man Energie erzeugen kann. Auf einer Insel wie Pellworm – wo Kollegen aus anderen Fraunhofer-Instituten engagiert sind – ist natürlich Windkraft sehr wichtig und Solaranlagen. Wenn man so ein Netz ganz abkoppeln möchte kommt man meistens an fossilen Erzeugern wie Dieselgeneratoren nicht vorbei. Deren Laufzeit kann man natürlich stark minimieren wenn man Speicher einsetzt, damit man die Dieselgeneratoren nur noch minimal eingesetzt werden müssen für Zeiten, in denen auf dieser Insel Flaute ist und keine solare Einstrahlung vorhanden ist. Natürlich steht da immer der Systemgedanke im Vordergrund, dass man entsprechend die Verbraucher- und Erzeugersysteme intelligent vernetzt damit man eine maximale Autarkie erreichen kann.

Auf Pellworm gibt es Redox-Flow-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien und ein intelligentes Netz. Was steckt hinter diesen Technologien?

Ja, die sogenannte Redox-Flow-Batterie hat den großen Vorteil, dass man diese Batterie ziemlich schnell erweitern kann um längerfristig Energie zu speichern. So ein Ausbau ist bei Lithium-Ionen-Batterien mit sehr hohen Kosten verbunden.
Wenn man solche Systeme wie eine Redox-Flow-Batterie und eine Lithium-Ionen-Batterie koppelt, wären zum Beispiel Lithium-Ionen-Batterien für kurze Zeiten einzusetzen und die Redox-Flow-Batterie für längere Zeiträume.

Was ist das Besondere an der Redox-Flow-Batterie?

In einer Redox-Flow-Batterie haben wir einen flüssigen Elektrolyten vorliegen, der entsprechend oxidiert beziehungsweise reduziert wird, und dann von einem Tank in einen anderen gepumpt wird. Man muss sich das Ganze so vorstellen, als wenn man diesen flüssigen Energieträger hat, der durch Ladung und Entladung verändert wird und dann in einen anderen Tank gepumpt wird. Wenn man sich vorstellt man vergrößert die Menge des Elektrolyten, dann kann man die Kapazität der Batterie relativ schnell erhöhen. Das Funktionssystem ist praktisch dasselbe wie bei einer ganz normalen Batterie, mit dem Unterschied dass man hier den Elektrolyten hin- und herpumpt und ihn bei einer normalen Batterie meist in gebundener Form an Ort und Stelle vorliegen hat. Mit einer normalen Batterie würde ich jetzt eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Blei-Batterie oder eine Nickel-Metallhybrid-Batterie bezeichnen. In einer Lithium-Ionen-Batterie habe ich Lithium-Ionen vorliegen. Diese Lithium-Ionen wandern bei der Aufladung in die sogenannte Anode und bei der Entladung wandern sie wieder von der Anode zur Kathode zurück. Dadurch wird Energie gespeichert. Es ist nur eine begrenzte Menge von Lithium-Ionen im Material vorhanden, aber in einer Redox-Flow-Batterie kann ich die Elektrolytmenge vergrößern.

In so einem Stromnetz gibt es gerade auf einer Insel mit Wind- und Sonnenenergie extreme Spitzen der Stromproduktion und dann wieder Flauten. Wie kann eine intelligente Technik helfen einen Lastausgleich herzustellen?

Ich könnte zum Beispiel in Fällen, in denen ich so große Lastspitzen habe, meine überschüssige Energie in einer Lithium-Ionen-Batterie speichern. Ich könnte natürlich auch im Sinne von Smart Grids, Energiespitzen abpuffern, in dem ich zum Beispiel Elektroautos in diesem Zeitraum fülle oder Energie in anderen Verbrauchern zwischenspeichere. Es ist denkbar ein Schwimmbad um ein Grad Celsius aufzuheizen um dort Energie abzufangen. Im nächsen Zeitraum muss ich dieses Schwimmbad entsprechend nicht mehr heizen. Das ist auch eine Form der Zwischenspeicherung von Energie. Oder ich könnte chemische Anlagen, die das zulassen, mit einer höheren Temperatur betreiben für kurze Zeit. Oder ich könnte die Temperatur in einem Kühlhaus weiter herunterfahren und müsste im nächsten Zeitraum dafür keine elektrische Energie mehr aufbringen. Das sind Dinge, die man tun kann um Lastspitzen und Spitzen der Energieerzeugung zusammen zu bringen und auf intelligente Art und Weise zu nutzen.

Das heißt nicht nur die eigentlichen Batterietechnologien sondern auch andere Dinge werden als „Batterien“ genutzt?

Ja, im Sinne von Smart Grids und intelligenter Vernetzung habe ich natürlich die Möglichkeit Lasten intelligent zuzuschalten. Der Eigenheimbesitzer kann als Form von Intelligenz um die Mittagszeit seine Geschirrspülmaschine laufen lassen oder seine Waschmaschine. Das kann ich natürlich genauso auch in großen Netzen automatisiert betreiben und große Verbraucher in Zeiten von hoher Energieerzeugung zuschalten beziehungsweise in Zeiten von Flauten entsprechend abschalten. Natürlich kann ich Energie nicht nur in Batterien elektrochemisch speichern sondern auch thermisch. Im Bezug auf eine Insel braucht man natürlich ein entsprechendes Management für solche Systeme und das ist auf Pellworm auch Forschungsgegenstand.

Was haben Forschungsprojekte an entlegenen Standorten für die Speichertechnologie bisher gebracht und wohin geht die aktuelle Entwicklung?

Im Ausblick muss man sagen, natürlich macht die Vernetzung, die Steuerung, die Kopplung an Netze wie SmartGrids große Fortschritte, was weiterhin Forschungsgegenstand ist. Durch neue Technologien tun sich auch neue Möglichkeiten auf, gerade was die Weiterentwicklung der Batteriezellen angeht. Wir haben jetzt zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, die bis zu 5000 oder 10 000 Zyklen durchhalten, was mit der Bleitechnologie undenkbar gewesen wäre.

Was möchten Sie noch hinzufügen?

Wir hoffen natürlich sehr, dass wir auch mit der Änderung des EEG weiterhin sinnvoll Forschung betreiben und in Deutschland auch vermarkten können.

Inwiefern betrifft das EEG auch die Forschung?

Wir haben eine starke Vernetzung von Markt und Forschung weil Fraunhofer Institute natürlich immer auch industrienahe Forschung betreiben. Das heißt wenn es in Deutschland oder auf der Welt keinen Markt gibt für diese Produkte, ist auch Forschungsarbeit zusammen mit Forschungspartnern und industrienahe Arbeit sehr schwierig.