Energiespeicherung mit Wasser und Kochsalz

Die Fähigkeit, große Energiemengen zu speichern, wird immer wichtiger, je weiter wir in der Energiewende voranschreiten. Die Lithium-Ionen-Technologie ist zwar effizient, aber auch kostspielig. Außerdem werden die Rohstoffe für solche Batterien immer knapper und ihr Abbau kann zu Umweltschäden führen. Mit AQUABATTERY gibt es eine preiswertere und umweltfreundliche Alternative, um Strom zu speichern: mit Kochsalz und Wasser. 

Woher genau die Idee stammt, Energie mit Wasser und Kochsalz zu speichern, ist schwer zu sagen. Tatsache ist, dass Emil Goosen, COO bei AQUABATTERY, seit seiner Studienzeit von diesem Konzept fasziniert ist. Vor langer Zeit nahm Goosen zusammen mit einem Kommilitonen (heute ein Kollege) am 'Energy Battle' teil, einem Studentenwettbewerb in Groningen. "Wir wurden von Fujifilm dorthin eingeladen, um neue Anwendungen für die kürzlich entwickelte Membran zu finden. Während des Wettbewerbs arbeiteten wir an einer Idee zur Herstellung einer Batterie auf der Basis von Wasser und Kochsalz, indem wir Energie in Süß- und Salzwasser speicherten. Dabei haben wir die damals neue Fujifilm-Membran verwendet. Zur gleichen Zeit lief am Afsluitdijk ein Projekt, bei dem Süß- und Salzwasser zur Energiegewinnung genutzt wurde. Dabei wurde ebenfalls Trinkwasser aus salzhaltigem Meerwasser gewonnen, wobei die gleiche Membran verwendet wurde. Man könnte den ersten Prozess als einen Entladungsprozess und den zweiten als einen Aufladungsprozess betrachten. So kamen wir auf die Idee, diese beiden Prozesse in einer Durchflussbatterie zu kombinieren."

Operation

Anno 2024 ist AQUABATTERY noch unzählige Labor- und Pilotanlagen entfernt, und das junge Unternehmen ist weltweit das einzige, das es geschafft hat, diese Technologie über die Forschungsphase hinaus zu bringen. "Es mag nicht nach Raketenwissenschaft klingen, aber es ist immer noch eine ziemliche Herausforderung, den ganzen Prozess zum Laufen zu bringen", weiß Goosen.

Die Technologie der AQUABATTERIE funktioniert folgendermaßen: Es gibt drei Behälter, die alle mit einer Lösung aus Wasser und Kochsalz gefüllt sind. Diese Lösung durchläuft einen Schornstein, der die Lösung unter Zuführung von Strom und mit Hilfe mehrerer Membranen in eine Säure und eine Base (HCl und NaOH, in Wasser gelöst) trennt. Sowohl die Säure als auch die Base landen in ihren eigenen Gefäßen. Im Einzelnen sieht die Gleichung wie folgt aus: H2O und NaCl werden mit Hilfe von Elektrizität zu HCl (Säure) und NaOH (Base). Bei der umgekehrten Reaktion, bei der die Säure und die Base den Stapel erneut durchlaufen, wird Strom freigesetzt, und die Konzentrationen von Salz und Süßwasser werden wieder auf den Ausgangswert zurückgeführt. 

Die verwendeten Membranen ähneln denen, die bei der Trinkwassergewinnung und in einem Elektrolyseur-Stapel verwendet werden. Die Membranen werden durch Polymere gebildet. Die Elektroden sind derzeit mit Titan beschichtet, aber es wird an einer Alternative gearbeitet. "Wir suchen ständig nach Optimierungsmöglichkeiten für die von uns verwendeten Komponenten und Materialien", erklärt Goosen.

Lokale Speicherung

AQUABATTERY befindet sich jetzt in der Phase etwas größerer Pilotprojekte. Goosen: "Wir stellen jetzt Durchflussbatterien in der Größe von Seecontainern her. In ein oder zwei Jahren werden wir wahrscheinlich darüber hinausgewachsen sein. Zurzeit wird zum Beispiel an einer Pilotinstallation in einem Solarpark von Deltares in Delft gearbeitet. Deltares möchte die Möglichkeiten der lokalen Stromspeicherung erkunden. "Die Anlage, die wir bauen werden, hat eine Speicherkapazität von etwa 10 Stunden", sagt er. 

Abgeglichene Kosten der Lagerung

Die AQUABATTERIE hat einige unbestreitbare Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien: Es werden keine teuren und umweltschädlichen Mineralien verwendet, und die Batterie baut während ihrer Lebensdauer nicht ab. Die Tatsache, dass Lithium um ein Vielfaches teurer ist als Wasser mit Kochsalz, ist offensichtlich. "Der teuerste Teil unserer Durchflussbatterie ist der Stack. Die erwartete Lebensdauer eines Stacks beträgt 20 Jahre", weiß Goosen. "Wie viel billiger unsere Lösung im Vergleich zu Li-Ion ist, hängt vor allem von der Lebensdauer der Energiespeicher ab. Es macht einen großen Unterschied, ob man Energie für vier, acht oder hundert Stunden speichert. Ausschlaggebend sind also die nivellierten Kosten der Speicherung. Energiespeicherlösungen werden auf der Grundlage dieses Wertes verglichen. Dieser Wert wird durch die Effizienz der Lösung, die Lebensdauer, aber auch durch andere Investitionsfaktoren bestimmt.

Verständnis der Ebenen

Sowohl die Prozesssicherheit als auch die Prozesseffizienz erfordern ein Verständnis für die Füllstände in den drei verschiedenen Behältern. Goosen: "Um es klar zu sagen: Die drei Behälter werden während des Prozesses nie leer. Das Wasser aus dem Tank, der die Salzlösung enthält, läuft nach dem Durchlaufen des Schornsteins einfach zurück in den Behälter. Nur die Ionen werden in den Basen- und Säurebehälter transportiert. Die Füllstände in den Gefäßen unterscheiden sich also auch in den verschiedenen Phasen des Prozesses nicht sehr stark, müssen aber trotzdem im Auge behalten werden. Das liegt daran, dass während des Prozesses Osmose auftreten kann, was sich natürlich auf die Werte auswirkt. Wasser kann sich auch ausdehnen und zusammenziehen, was sich in den Füllständen bemerkbar macht. Außerdem kann es irgendwo ein Leck geben. Kurzum: Man muss die Pegelstände wirklich kennen."

Ebenso wichtig ist, dass die Daten des Füllstandsmessers zur Bestimmung des Ladezustands (SOC) der Batterie verwendet werden. Goosen: "Die Volumenkonzentration multipliziert mit den Füllständen in den Behältern ergibt den SOC. Dieser liefert einen zuverlässigen Indikator für den Ladezustand." 

Art der Messung

Die Messgeschwindigkeit ist nicht das wichtigste Kriterium bei der Auswahl einer Messmethode. Ein bis zwei Messungen pro Minute sind für diese Anwendung mehr als ausreichend, weiß Goosen. "Während der Pilotphase haben wir viele Lösungen geprüft. Wir begannen mit in Wasser suspendierten Kohleelektroden. Dann testeten wir verschiedene Arten von Ultraschallsensoren, bei denen sich herausstellte, dass Kondensation zuverlässige Messwerte verhindert. Wir haben auch mit einer Schwimmermessung experimentiert, die wir als Unterfüllungs- und Überfüllungsschutz eingesetzt haben. Das hat an sich funktioniert, aber es liefert keine echten Echtzeitdaten, so dass man einen Prozess damit nicht steuern kann.

Nach einiger Zeit entscheidet sich das Team von AQUABATTERY für die Radar-Füllstandmessung. "Diese Art der Messung passt am besten zu unserer Anwendung. Wir haben dann verschiedene Sensoren von unterschiedlichen Anbietern verglichen und sind dann recht schnell bei VEGA gelandet. Sie liefern gute Sensoren zu wettbewerbsfähigen Preisen. Aufgrund unserer Spezifikationen wurde uns der VEGAPULS C11 aus der BASIC-Serie empfohlen."

Akkurat und einfach

Für VEGA ist die Anwendung bei AQUABATTERY relativ einfach, sagt Jeroen Pellicaan, Account Manager bei VEGA. "Wir haben es mit Tanks ohne Rührwerke zu tun, in denen es keine Schaumbildung gibt. Basierend auf diesen Bedingungen und den anderen Spezifikationen des Kunden ist ein BASIC-Radar-Füllstandsensor eine gute Wahl. Für eine relativ geringe Investition erhält man eine sehr genaue und zuverlässige Füllstandmessung, die zudem sehr einfach zu bedienen ist."

Einer der Vorteile der berührungslosen Radar-Füllstandssensoren ist, dass der Sensor selbst nicht mit dem Medium in Berührung kommt. Pellicaan: "Bei dieser Art von Lösung hätte man sonst noch mit Auskristallisierung auf der Linse oder Verschmutzung an anderen Stellen zu tun. Unser Sensor hängt über der Flüssigkeit, und das gewährleistet eine wartungsfreie Lösung."

Schnelle Inbetriebnahme

Der Sensor wurde von einem AQUABATTERY-Mitarbeiter selbst installiert. "Es funktioniert wirklich sehr intuitiv", weiß Goosen. "Man muss sich nur die Anleitung schnappen und dann ist der Sensor sehr schnell einsatzbereit."

Bei AQUABATTERY werden die Daten des Füllstandsmessers über den 4-20-mA-Ausgang an eine SPS und dann an das eigene Batteriemanagementsystem (BMS) gesendet. "Darin haben wir einen Unter- und Überfüllungsalarm programmiert, so dass wir keine Überraschungen erleben", sagt er. 

Skalierbar

Goosen setzt mit AQUABATTERY auf großtechnische Anwendungen in Solar- und Windparks sowie an Orten, an denen Energie vor Ort für die Speicherung "hinter dem Zähler" erzeugt wird. "Unsere kleinste Einheit wird wahrscheinlich bald die 100 kW für Geschäftsanwendungen sein. Eine Anwendung als Heimbatterie für Haushalte ist für uns zu klein."

Die Anlagen von AQUABATTERY sind in hohem Maße skalierbar. "Es ist wirklich nur eine Frage der Hinzufügung weiterer Fässer zu der Anwendung und man kann wieder weitermachen. Es ist auch möglich, größere Fässer zu verwenden." 

Der große Vorteil der Möglichkeit, Energie lokal zu speichern und später wieder zu nutzen, ist, dass man nicht auf das überlastete Stromnetz zurückgreifen muss. Dennoch ist Goosen auch realistisch: "Mit Batteriespeichern allein wird man es nicht schaffen, aber als Teil des großen Ganzen ist die lokale Speicherung eine sehr gute Idee." 

Die Anlagen von AQUABATTERY werden voraussichtlich ab 2026 auf dem Markt erhältlich sein.