Salzbatterien: Vor- und Nachteile einer 40 Jahre alten „Innovation“

Die Zukunft der Energie gehört den Erneuerbaren, aber es gibt keine „Wunderlösungen“, und es ist wichtig, Klarheit zu schaffen.

Die italienische Sendung LE IENE mit dem Titel „Erneuerbare Energien, die Revolution der Akkus und Batterien“ hat ein großes Interesse gegenüber dem Thema der Salzschmelzbatterien geweckt, deren Technologie jedoch weder neu noch perfekt ist. Wir möchten hier ihre Funktionsweise sowie die Vor- und Nachteile analysieren.

Energieersparnis und nachhaltige Entwicklung stehen im Mittelpunkt einer weltweiten Debatte, die im Rahmen der Energiewende zunehmend den Rückgriff auf erneuerbare Energiequellen favorisiert, da man sich immer mehr der Schäden bewusst wird, die im Lauf der Zeit durch die intensive Nutzung der Energieressourcen und den Klimawandel entstehen; die meisten Länder sind mittlerweile davon überzeugt, dass sie die Initiative ergreifen und umweltfreundliche Politiken umsetzen müssen.

Um unsere Gesundheit und unseren Planeten zu schützen, sind deshalb ein radikaler Sinneswandel und ein gemeinsames Vorgehen unabdingbar; aber es ist auch wichtig, Klarheit bezüglich der heutzutage verfügbaren und tatsächlich effizienten Technologien zu schaffen, ohne in die Falle falscher Informationen zu tappen.

Wir sind uns alle einig, dass unsere Zukunft von den erneuerbaren Energien bestimmt wird; man denke hier nur an die Windkraft und die Sonnenenergie, aber Vorsicht: Es handelt sich dabei um zeitweilig aussetzende erneuerbare Energiequellen, die auf natürliche Ströme angewiesen und somit nicht ständig verfügbar und oft schwer zu kontrollieren sind. Die Sonne scheint nämlich nicht immer, und mitunter gibt es auch Windstille über mehrere Tage; es stellt sich somit die Frage, wie man diese Energien voll nutzen kann.

Batterien als Energiespeicher

Mit der Einführung der Lithiumbatterien haben wir heute die Möglichkeit, erneuerbare Energiequellen möglichst umfassend zu nutzen, da die erzeugte Energie gespeichert und anschließend dann eingesetzt werden kann, wenn die natürlichen Quellen vorübergehend nicht produzieren; im Bereich der Energiespeicherung stehen immer mehr Lösungen zur Verfügung, die aber noch nicht alle effizient arbeiten.

Der mediale Aufruhr nach der Sendung des in Italien allseits bekannten Fernsehprogramms LE IENE vom 18. Oktober 2022 mit dem Titel „Erneuerbare Energien, die Revolution der Akkus und Batterien“ hat das Thema der Salzschmelzbatterien wieder in den Mittelpunkt gerückt; es ist eine ohne jeden Zweifel interessante Technologie, die jedoch weder neu noch perfekt ist, wie es dagegen beschrieben wird. In der Sendung von Mediaset werden die Salzschmelzbatterien nämlich als ideale Lösung für die Elektrifizierung dargestellt: extrem leistungsstark, ökologisch, sicher, nahezu unverwüstlich… Aber wo hakt es dabei?

Darüber haben wir in der Folge 45 von Battery Weekly 2022 , unserer wöchentlichen Info-Rubrik zum Thema der Batterien, gesprochen, in der unsere Elektrifizierungsexperten Marco Righi, Alan Pastorelli und Daniele Invernizzi über diese viel diskutierte Technologie aufgeklärt haben: Ursprung, Nutzen, Vorteile, aber vor allen Dingen zahlreiche Nachteile.

Die so genannten „Salzbatterien“, die nicht mit den Natrium-Ionen-Batterien verwechselt werden dürfen, sind in Wirklichkeit Natriumchlorid-Metall-Batterien (SMC) mit einer Kathode auf Metallbasis und einer Anode aus geschmolzenem Natrium, die sich in einem Stahlgehäuse befinden und durch eine Membran aus Keramik getrennt werden, welche für die Ionen, aber nicht für die Elektronen durchlässig ist; die Bewegung der Elektronen erfolgt dagegen über einen externen Stromkreis in der Auflade- oder Entladephase.

Die Salzbatterien bestehen aus zahlreichen Zellen, in deren Innern sich neben dem Salz eine Mischung aus verschiedenen Materialien befindet, z.B. Aluminiumoxid, Eisen, Natrium oder sonstige Derivate wie Chlorid und Eisensulfid, Nickeldichlorid, Natrium-Tetrachloraluminat usw.

Wie funktionieren die Salzbatterien?

Um ihre Funktionsweise zu erklären, haben wir uns am technischen Datenblatt des in der Sendung zitierten Salzbatterienherstellers FZSONICK orientiert, in welchem der Prozess im Detail dargestellt ist. In der Entladephase sind die aktiven Materialien das Natriumchlorid und die Metallpulver, deren Grundstoff vorwiegend Nickel ist; in der Aufladephase werden diese dagegen in Natriumchlorid und Metall umgewandelt.

Der Elektrolyt im festen Zustand ist das ß-Aluminiumoxid, das den Transport der Natriumionen ermöglicht und die Isolierung zwischen Anode und Kathode sicherstellt. Um zu funktionieren, müssen die Zellen auf eine Temperatur von ca. 250 °C gefahren werden; durch ein entsprechendes Gehäuse sind sie thermisch isoliert.

Viele werden sich fragen: Ist die Temperatur von 250°C nicht zu hoch?
Die hohe Temperatur ist gerade einer der kennzeichnenden Aspekte dieser Batterien. Damit das verwendete Natriumchlorid tatsächlich seine Aufgabe erfüllt, muss es geschmolzen sein, und dies ist der Grund dafür, dass die Temperatur so hoch gehalten werden muss: Die Salzbatterie funktioniert nämlich nur dann, wenn das Salz geschmolzen ist, und dieses Salz, wie übrigens viele andere Salzarten, schmilzt nur bei extrem hohen Temperaturen zwischen 200 und 300 Grad, d.h., diese Temperaturen herrschen im Innern dieser Batterien während ihres Betriebs.

In der nachfolgenden Explosionszeichnung ist die Zusammensetzung einer Salzschmelzbatterie klar und deutlich zu erkennen. Das Herz der Batterie wird durch die einzelnen Elemente (Zellen) mit jeweils ungefähr 2,6 V gebildet; um diese herum sind verschiedene Isolierschichten angeordnet, die als Schutz dienen und die übrigen Teile der Batterie ausmachen, sodass der Kern eine konstante Temperatur von ca. 250-270 °C aufweist.ì

Die Salzbatterien waren eine Innovation… in den 70er Jahren!

Salzschmelzbatterien gibt es in Wirklichkeit seit über 40 Jahren! Es handelt sich dabei nämlich um eine mittlerweile konsolidierte Technologie aus einer historischen Epoche, die streckenweise nicht wenige Gemeinsamkeiten mit unserer heutigen Zeit aufweist und in der sich beispielsweise die Erdölpreise vervielfachten, was eine regelrechte Energiekrise auslöste, derer man durch alternative Lösungen Herr werden wollte.

Der Fall der ZEBRA-Batterie

Eine der Lösungen, um der Energiekrise zu begegnen, konkretisierte sich in der Entwicklung der ZEBRA-Batterie (Zeolite Battery Research Africa) auf der Basis von geschmolzenem Salz, welche zunächst vom südafrikanischen Forscher Johan Coetzer am CSIR (Council for Scientific and Industrial Research) konzipiert und im Jahr 1978 patentiert wurde.

Im Lauf der Jahre hat diese Batterie die Aufmerksamkeit zahlreicher Industrieller auf sich gezogen, die sie weiterentwickelten und perfektionierten, wobei sie innerhalb Europas von verschiedenen Unternehmen in Betracht gezogen wurde, z.B. in England von AERE Harwell, in Deutschland von AEG, in der Schweiz von FAMM, schließlich von MES-DEA, das als erstes Unternehmen die Herstellung mit niedriger Stückzahl offiziell in die Wege leitete und das Produkt auch in einigen Fahrzeugen einsetzte, z.B. in verschiedenen Elektro-Autobussen.

Das Unternehmen besteht auch heute noch, und zwar unter dem Namen FZSONICK; es stellt weiterhin Natriumchlorid-Metall-Batterien her, die mit zunehmend moderneren Systemen implementiert werden.

Sicherlich ist es eine Technologie mit einem gewissen Potenzial, aber da sie in all diesen Jahren nicht den Durchbruch zu einer Herstellung auf breiter Skala geschafft hat, ist dies offensichtlich auch auf die verschiedenen Nachteile in der Anwendung zurückzuführen.

Die VOR- und NACHTEILE von Salzbatterien

Zwar konnte sich die Technologie der Salzschmelzbatterien nie richtig durchsetzen, aber wie jede Energiequelle, die Respekt verdient, hat sie ihre Vor- und Nachteile, und je nach Anwendungsbereich kann sie mehr oder weniger effizient eingesetzt werden.

Wir möchten deshalb im Detail die Vor- und Nachteile der Salzbatterien erörtern.

Vorteile einer Salzbatterie

• Sicherheit
• Lebensdauer, die mit der von Lithiumbatterien vergleichbar ist
• Einfache Entsorgung und Recyclingfähigkeit
• Gebrauch von einfach zu beschaffenden Materialien

Nachteile einer Salzbatterie

• Um zu funktionieren, muss sie konstant auf einer hohen Temperatur (>250°C) gehalten werden.
• Um die Betriebstemperatur zu halten, wird ständig Energie verbraucht.
• Nicht leistungsstark aufgrund der hohen Auflade- und Entladeströme
• Höhere Kosten im Vergleich zu Lithiumbatterien
• Für Speicherungen über mittlere und lange Zeitperioden nicht einsetzbar

Unter den interessantesten Aspekten dieser Technologie, vor allen Dingen in der heutigen Zeit, in der die instabile internationale geopolitische Situation für verschiedene Problematiken in Verbindung mit der Materialbeschaffung sorgt, muss man die Zusammensetzung der Salzschmelzbatterien zweifellos einbeziehen: Diese bestehen nämlich aus einfach zu beschaffenden und in der Natur verfügbaren Rohstoffen, wie beispielsweise einfaches Kochsalz, Nickel, Eisen und Keramik, welche zudem problemlos entsorgt werden können.

Darüber hinaus garantieren sie eine lange Lebensdauer: Das technische Datenblatt von FZSONICK, welches wir analysiert haben, zählt mehr als 4.500 Auflade- und Entladezyklen zu 80%: Ein optimaler Datenwert, der, sollte er bei allen Nutzungen real sein, dem der Lithiumbatterien mit LFP-Chemie nahezu gleichkommt.

Die Salzbatterie gewährleistet letztendlich hohe Sicherheitsstandards, da dank ihrer Zusammensetzung ein Brennen oder Explodieren a priori ausgeschlossen werden kann.

Salzbatterien sind daher sicher, langlebig und nachhaltig. An dieser Stelle stellt sich natürlich die Frage, warum sie in 40 Jahren den Lithiumbatterien nie ihre herausragende Position streitig gemacht haben?

Die eigentliche Achillesferse der Salzschmelzbatterien war, ist und bleibt die Notwendigkeit einer konstant sehr hohen Temperatur für den eigenen Betrieb, und zwar in einer Größenordnung von 250-300 °C, da das Salz nur bei diesen Temperaturen den geschmolzenen Zustand aufweist. Dieser Aspekt ist die Ursache für verschiedene Problematiken. Nehmen wir beispielsweise eine Batterie mit 48 V und 200 Ah, welche 9,6 kWh Energie bereitstellt, und analysieren wir, was in einer bestimmten Aufladephase passiert.

In der Grafik ist deutlich zu erkennen, dass die Aufladephase erst dann beginnt, wenn die Innentemperatur 270°C erreicht hat. Betrachten wir die untere Achse mit der Zeitangabe, stellen wir fest, dass 10,5 bis 11 Stunden nur für das Erreichen der Schmelztemperatur notwendig sind, damit die Batterie überhaupt funktionieren kann. Angesichts dieser langen Warm-up-Zeiten liegt es auf der Hand, dass diese Technologie im Fahrzeugsektor nie den Durchbruch geschafft hat.

Ein weiterer, sehr einschneidender Aspekt in Verbindung mit der Temperatur ist die Selbstentladung. Ausgehend von einem SOC (Ladezustand) von 100% erfolgt zur Aufrechterhaltung der Temperatur die vollständige Entladung der Batterie in 80 Stunden auf null.

Aus der obigen Grafik geht hervor, was passiert, wenn die Batterie vom Batterieladegerät getrennt wird und dann im Ruhezustand verbleibt: Das interne BMS (Battery Management System) verwendet die gespeicherte Energie, um die Betriebstemperatur zu halten, wodurch jedoch die eigene Energie verbraucht wird. Solange demnach Energie vorhanden ist, wird die Temperatur konstant gehalten, die Batterie entlädt sich jedoch sehr schnell. Man sieht, dass der SOC in 80 Stunden auf null absinkt, was bedeutet, dass in 24 Stunden 30% der Energie verbraucht wird, nur um funktionstüchtig zu bleiben (d.h. in einem Batteriesatz von 9,6 kWh gehen 3 kWh pro Tag verloren, nur um die Temperatur der Batterie zu halten).

Ist die Batterie vollständig entladen, beginnt unmittelbar danach die Abkühlung, und sie kann erst wieder nach einem Warm-up den Betrieb erneut aufnehmen.

Es handelt sich dabei um eine Problematik, die erhebliche Konsequenzen nach sich ziehen kann, wie das folgende konkrete Beispiel zeigt:

Ein Automobil ist mit einem einwandfrei funktionierenden Salzschmelzbatteriesatz ausgestattet und legt eine längere Strecke zurück. Der Fahrer erreicht das vorgesehene Ziel, er parkt das Fahrzeug, schaltet es aus und lässt es für unbestimmte Zeit auf dem Parkplatz stehen. Was passiert, wenn sich der Batteriesatz abkühlt? Die Batterie entlädt sich, und das Fahrzeug kann nicht mehr gestartet werden. Dies ist einer der wesentlichen Nachteile: Die Salzbatterien verbrauchen viel Energie, und um sie betriebsbereit zu halten, müssten sie konstant an einer Ladesäule angeschlossen sein.

Nutzen und Anwendungen: Wo macht es Sinn, eine Salzbatterie einzusetzen?

Die Selbstentladung ist eigentlich kein Merkmal der Batteriezelle, sondern sie hängt von der vorhandenen Wärmeisolierung ab. Je stärker jedoch die Isolierung ausfällt und somit die Wärmeabgabe an die Umgebung eingeschränkt wird, desto geringer ist die Toleranz gegenüber intensiven Arbeitsbeanspruchungen, bei denen Energie auch vom inneren Widerstand erzeugt wird, woraufhin keine Wärme mehr abgegeben werden kann und folglich Übertemperatur entsteht.

Die Salzschmelzbatterien können somit nicht im Automobilsektor oder im Segment der Maschinen und Industriefahrzeuge eingesetzt werden, in denen rasche Aufladungen, hohe Entladeleistungen und die Möglichkeit längerer Stillstände ohne Autonomieverlust gefordert sind.

Der ideale Zyklus für diese Batterien würde folgendermaßen aussehen:

• Häufiger Einsatz mit Entladezeiten zwischen 2 und 10 Stunden
• Mit einer Leistung im mittleren Bereich, um die Aufheizung zu unterstützen, ohne dass jedoch Übertemperatur entsteht.
• Netzgebundene Anwendungen, bei denen die Batterie immer angeschlossen bleiben kann.

Die nachfolgende Grafik zeigt den bestmöglichen Einsatz mit 2 bis 10 Stunden Total Backup Time; dies heißt konkret, dass gespeicherte Energie tatsächlich genutzt wird; eine ideale Bedingung vor allen Dingen im Sommer, wenn die Produktion der Photovoltaikanlage auf vollen Touren läuft. Im Winter mit geringer Produktion muss man jedoch einkalkulieren, dass ein konstanter Energieverlust Platz greift, um die Aktivität der Batterie aufrechtzuerhalten.

Anmerkungen*

^{Quelle Abb. 1: Beispiel für eine Salzbatterie. Bild aus dem GeoPop-Artikel vom 19/11/22. bit.ly/3ESXSox
Quelle Abb. 2: Zusammensetzung einer Salzbatterie. Bild entnommen von der Website des Herstellers FZSONICK am 22/11/22. http://bit.ly/3XmpvNP
Quelle Abb. 3: Ladekurve der Salzbatterie mit Vorheizphase. Das Bild stammt von der Website des Herstellers FZSONICK vom 22.11.22. http://bit.ly/3XmpvNP
Quelle Abb. 4: Selbstentladung von Salzbatterien. Das Bild stammt von der Website des Herstellers FZSONICK vom 22.11.22. http://bit.ly/3XmpvNP
Quelle Abb. 5: Verbesserte Bedingungen für Salzbatterien (2 bis 10 Stunden Reservezeit). Bild entnommen von der Website des Herstellers FZSONICK am 22/11/22. http://bit.ly/3XmpvNP}