Natrium-Schwefel-Thermalbatterie
Abkürzung: Na-S-Thermalbatterie
nicht eindeutige Abkürzungen Natrium-Schwefel-Batterie, Na-S-Batterie (vgl. Metall-Schwefel-Batterien (nicht thermal))
Neben der hier beschriebenen Natrium-Schwefel-Thermalbatterie, welche zur Gruppe der Thermalbatterien gehört, arbeiten Wissenschaftler auch an einem anderen Natrium-Schwefel-Batterietyp, der bei Zimmertemperatur betrieben wird und deshalb zu den nicht thermalen Metall-Schwefel-Batterien gezählt wird (siehe dort).
Aufbau
Der Elektrolyt in einer Na-S-Thermalbatterie ist ein Festkörper, der aus keramischem Aluminiumoxid besteht, das nur für Natriumionen durchlässig ist. Er wird als zylinderförmiger Becher eingesetzt, in dem sich das flüssige Natrium befindet, das die Anode bildet. Der Raum zwischen Separatorbecher und Zellenaußenwand ist mit einer geschmolzenen Natriumpolysulfid-Schwefel-Mischung als Kathode gefüllt. Die Betriebstemperatur liegt zwischen 300 und 350 °C, um die Elektroden flüssig zu halten, weshalb eine Aufheizvorrichtung Teil der Batterie ist.
elektrochemische Reaktion
Eigenschaften
Die Zellspannung liegt im voll geladenen Zustand bei etwa 2,1 V, entladen werden kann bis 1,5 V. Die theoretisch erreichbare Energiedichte beträgt rund 750 Wh/kg. Typische Energiedichten liegen derzeit bei 100 bis 120 Wh/kg. Im Jahr 2008 wurde ein praktischer Wert von 226 Wh/kg bei einer Temperatur von 350 °C erreicht.
Seit den frühen 1990er Jahren werden Na-S-Thermalbatterien in Japan hergestellt. Meist werden Module von 30 bis 50 kW und 200 bis 360 kWh zu einer Batterie zusammengeschlossen, die mindestens eine Leistung von 800 kW und eine Kapazität von 5 bis 7 MWh aufweisen.
Leistungsdaten
- typische Energiedichte: 100 bis 120 Wh/kg (theoretisch ca. 750 Wh/kg)
- typische Leistung: 0,5 bis 50 MW
- typische Kapazitäten: bis zu 350 MWh
- energetischer Wirkungsgrad: 75 bis 85 Prozent
- Reaktionszeit: eine bis wenige Millisekunden (wenn auf Betriebstemperatur)
- typische Lebensdauer: mehr als 15 Jahre
- typische Investitionsausgaben (CAPEX): 400 bis 600 Euro/kWh bzw. 3.000 bis 4.000 Euro/kW
Anwendung
Diese Batterietypen werden aus preiswerten Rohstoffen hergestellt, die in großen Mengen verfügbar sind. Wegen der hohen Betriebstemperatur und der hochkorrosiven Natriumpolysulfide werden sie vor allem für große industrielle Anwendungen wie stationäre Speicher für elektrischer Energie eingesetzt – oft in Verbindung mit Windkraft- oder Photovoltaikparks zur Pufferung des unregelmäßigen Energienangebotes. In Japan steht eine große Anlage neben einer Windkraftanlage mit einer Kapazität von 245 MWh und 34 MW Leistung.
Na-S-Thermalbatterie werden zudem in Anlagen zum elektrischen Lastausgleich und zur Netzstabilisierung erprobt und eingesetzt. Mehr als 350 MW für ein Peak-Shaving von 6 bis 7 Stunden sind schon installiert worden. Mittlerweile gibt es mehr als 190 Orte, an denen Na-S-Thermalbatterie eingesetzt werden.
Literatur
- Holze, R.; Ensinger, W., Roempp – Stichwort Natrium-Schwefel-Hochtemperatur-Akkumulator, Georg Thieme Verlag KG: Stuttgart (2011); Online (jüngster Zugriff: 31.05.2018)
- EASE, Hrsg., Energy Storage Technology Descriptions: Sodium Sulphur Battery, EASE – European Associaton for Storage of Energy: Brüssel (2016); Online (jüngster Zugriff: 31.05.2018)