Die Energiewende hängt an der Frage, wie Strom gespeichert werden kann. Während Quantenbatterien als Zukunftsvision gelten, kämpft das Stromnetz mit einem grundlegenden Problem: Viele Batteriespeicher werden marktgetrieben und nicht netzdienlich eingesetzt – und können dem Netz dadurch sogar schaden. Die Lösung könnte in einem neuen Marktdesign liegen.
Quantenbatterie: Erster Machbarkeitsnachweis, aber winzige Kapazität
Wissenschaftler der australischen Forschungsorganisation CSIRO haben kürzlich den Bau der „weltweit ersten Quantenbatterie“ vermeldet. James Quach, Leiter des Forscherteams, spekuliert, dass Elektroautos dank dieser Technik eines Tages schneller laden könnten als Benziner tanken. Doch die Entdeckung ist vorerst nur ein Labor-Experiment. Die gespeicherte Energie ist verschwindend gering: Etwa eine Milliardstel Wattsekunde, schätzt ein Quantenforscher an einem deutschen Institut.
Die Quantenbatterie funktioniert unter anderem auf Basis der Supraleitung, einem quantenmechanischen Effekt. In Supraleitern kann Strom verlustfrei im Kreis fließen und ist damit gespeichert. „Der Charme der Quantenbatterie liegt in ihrer schnellen Be- und Entladung“, sagt Birger Horstmann, Quantenphysiker am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, „also dort, wo winzige Mengen Strom in sehr kurzer Zeit benötigt werden.“ Die Technik könnte etwa für die Energieversorgung winziger Sensoren interessant werden. Allerdings beträgt die Leistungsdichte aktuell nur ein Tausendstel dessen, was Supercaps – elektrochemische Kondensatoren mit hoher Leistungsdichte – schaffen. Als Langzeitspeicher sind Quantenbatterien in naher Zukunft ungeeignet: „Der Aufwand, um die Speicherung aufrechtzuerhalten, ist groß – auch der Energieaufwand“, so Horstmann.
Natrium-Ionen-Batterien: Ernste Konkurrenz für Lithium
In der Stromwirtschaft bleibt die Lithium-Ionen-Batterie der Standard, doch die Natrium-Ionen-Variante wird zur ernsthaften Konkurrenz. Ausschlaggebend war die Ankündigung des chinesischen Batterie-Riesen CATL im Juli 2021, Natrium-Ionen-Batterien zu bauen. Inzwischen produziert CATL die Zelle unter dem Namen Naxtra in Serie. Bei dieser „Drop-in-Technologie“ lassen sich bestehende Fertigungslinien für Lithium-Ionen-Akkus problemlos umrüsten.
Natrium hat gegenüber Lithium entscheidende Vorteile: Es ist Bestandteil von Kochsalz und steht auf Platz sechs der häufigsten Elemente der Erdkruste. Internationale Abhängigkeiten gibt es damit nicht. Der Nachteil ist die etwas geringere Energiedichte. „Die Speicherkapazität der Naxtra-Zelle ist von der Lithium-Eisenphosphat-Batterie nicht mehr allzu weit entfernt“, sagt Adrian Herrmann, Batterieforscher an der RWTH Aachen. An die Energiedichte von Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid werde sie aber nicht herankommen. Daher wird sich der Markt ausdifferenzieren: Für stationäre Zwecke könnte Natrium sehr attraktiv werden, während in höheren Automodellklassen Lithium unangreifbar bleibt.
Feststoffbatterie: Hoffnungsträger mit offenen Herausforderungen
Erst die Feststoffbatterie könnte den Markt aufmischen. Sie nutzt als Elektrolyten keinen flüssigen, sondern einen festen Stoff. Auch das Start-up Skellium der RWTH arbeitet an Lithium-Metall-Elektroden für Festkörperbatterien. Der Durchbruch steht jedoch noch aus. „Die Herstellung sicherer Kontakte zwischen Anode und Feststoff-Elektrolyt ist bislang die Herausforderung“, erklärt Batterieexperte Herrmann.
Netzdienlichkeit: Das eigentliche Problem der Speicher
Zusätzlichen Speicher benötigt die Stromwirtschaft im Zuge der Energiewende – doch die optimale Einbindung der Batterien ins Stromnetz ist das drängendere Thema. Nur wenige Batteriespeicher werden heute explizit netzdienlich genutzt. Zu den Ausnahmen zählen die Speicher der Übertragungsnetzbetreiber. Transnet BW baut im baden-württembergischen Kupferzell gerade einen Netzbooster – einen großen Batteriespeicher, der Netzfrequenz und -spannung stabilisiert. Das Unternehmen spricht von „kurativer Netzführung“. Der Speicher komme „nur zum Einsatz, um eine Höherauslastung des Netzes abzusichern, beziehungsweise Störungen im Netz zu beheben“, so Transnet BW. Er werde „nicht marktseitig eingesetzt“. Ähnliche Projekte hat Tennet in Audorf bei Rendsburg und Ottenhofen bei München in Bau.
Investoren nutzen Batterien hingegen marktgetrieben. Das wäre unproblematisch, wenn die Preissignale am Strommarkt mit den Bedürfnissen des Netzes harmonieren würden – tun sie aber oft nicht. Beispiel: Bei starker Windeinspeisung im Norden fällt der einheitliche deutsche Spotmarktpreis stark, sodass auch Speicher im Süden billig laden – selbst wenn der Windstrom den Süden gar nicht erreicht. Jeder Speicher, der dann im Süden Strom aufnimmt, erhöht den Redispatch-Bedarf, also Eingriffe in die Stromproduktion.
Gebotszonen teilen? Neues Marktdesign gefordert
Leonhard Gandhi, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg, hält einen einheitlichen deutschen Großhandelspreis auf Dauer für nicht haltbar. „Der Druck wird zunehmen, die Gebotszonen zu teilen“, sagt er. Wenn weitere Speicher hinzukommen, könnte das System aus dem Ruder laufen – etwa weil E-Auto-Besitzer Ladevorgänge an Preissignalen des Strommarkts optimieren. Nötig sei ein Strommarkt, der physikalische Realitäten zumindest einigermaßen abbildet.
Eine Studie der Beratung Neon Neue Energieökonomik im Auftrag des Großspeicher-Projektierers Eco Stor hat sich im vergangenen Herbst mit Anreizen zur Netzdienlichkeit von Großbatterien beschäftigt. „Großbatterien können zur Entlastung des Stromnetzes beitragen – heute tun sie das jedoch nur in begrenztem Umfang“, heißt es darin. Die Gutachter schlagen ein Redispatch-Preissignal vor: Es müsse einen Auf- oder Abschlag auf den Börsenpreis geben, je nach Netzsituation vor Ort. So würden Speicher gezielt in Richtung netzdienlicher Betriebsweisen gedrängt, ohne deren Teilnahme an den Spotmärkten einzuschränken.
Damit ist die Regulatorik gefragt. Gelingt es, die Preissignale so zu setzen, dass alle Marktakteure ihre Speicher bei betriebswirtschaftlicher Optimierung zugleich systemdienlich betreiben, wäre das für das Netz ein großer Fortschritt – ein Quantensprung quasi.
