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Chemische Energiespeicher - mobile Energiespeicher

Chemische mobile Energiespeicher

Auch chemische Energiespeicher können als mobile Energiespeicher zum Einsatz kommen. Am weitesten verbreitet sind dabei die Akkumulatoren und Batterien. Hierbei gibt es eine grobe Unterteilung:

Blei-Akkumulatoren für die Stromversorgung im Auto
Nickel/Cadmium-Akkumulatoren
Nickel/Metallhydrid-Akkumulatoren
Adam-Eva-Systeme

Die Akkumulatoren gehören dabei in die Gruppe der elektrochemischen Energiespeicher. Daneben gibt es:

  • Stoffliche Energieträger,
  • Chemische Speicher für Wasserstoff und
  • Thermochemische Speicher.

Funktionsweise der Akkumulatoren

Akkumulatoren stellen im Grunde nichts anderes dar, als Batterien, die wieder aufgeladen werden können. Sie bestehen aus verschiedenen galvanischen Elementen, meist als Kombination zweier Elektroden und einem Elektrolyten. Die Funktionsweise arbeitet dabei nach folgendem Grundprinzip:

  • Beim Ladevorgang wird die elektrische Energie, auch bekannt als Ladestrom, in chemische Energie umgewandelt.
  • Diese kann in Form des Entladestroms als Gleichstrom wieder abgegeben werden.

Unterschiede bei den Akkumulatoren ergeben sich aus den Materialien, aus denen sie hergestellt werden. Dadurch entstehen auch unterschiedliche Nennspannungen. Wichtig für eine korrekte Einordnung verschiedener Akkumulatoren sind:

  • Energiedichte,
  • Anzahl realisierbarer Ladezyklen,
  • mögliche Verluste durch Selbstentladung.

Vor- und Nachteile der Akkumulatoren

Akkumulatoren bieten dabei für die chemische Energiespeicherung zahlreiche Vorteile, denen aber genauso einige Nachteile gegenüber stehen, wie folgende Aufstellung zeigt:

Vorteile Nachteile
Universell einsetzbar (verschiedene Größen, mobil, stationär) Speicherverluste durch Nebenreaktionen beim Laden bzw. Selbstentladung
Lebensdauer abhängig von Aufbewahrung, Lade- und Entladezyklen Lebensdauer abhängig von Aufbewahrung, Lade- und Entladezyklen

Arten der Akkumulatoren

In folgendem Überblick sollen die verschiedenen Arten der Akkumulatoren kurz zusammen gefasst werden:

Blei-Säure-Akkumulatoren Nickelbasierte Akkumulatoren Lithium-Ionen-Akkumulatoren Hochtemperatur-Batterien Redox-Flow-Batterien Hybrid-Flow-Batterien
Seit mehr als 100 Jahren bekannt. Leichter als Blei-Säure-Akkumulator. Hohe Energiedichte. Elektroden sind flüssig, Elektrolyt ist fest. Elektroden und Elektrolyte sind verflüssigt. Verwandtschaft mit Redox-Flow-Batterien.
Zuverlässig, preisgünstig, kurzzeitig hohe Stromstärken möglich. Effizient, robust und technisch ausgereift. Wenig robust. Hohe Temperaturen notwendig, um Elektroden zu verflüssigen. Energiespeicherndes Material wird außerhalb der Batterie gelagert (externer Speicher). Eine oder mehrere elektroaktive Komponenten sind in fester Form vorhanden.
Einsatz als Starterbatterien für Kfz, in Notstromaggregatoren, Elektrofahrzeugen oder U-Booten. Höhere Energiedichte als Blei-Säure-Akkumulator, aber trotzdem noch geringe Energiedichte im Vergleich zum gesamten Speicherspektrum. Weiterentwicklungen: Lithium-Polymer- und Lithium-Titanat-Akkumulatoren. Ein Vertreter ist die Natrium-Nickelchlorid-Batterie, die auch als ZEBRA-Batterie bekannt ist. Andere Beispiele sind Natrium-Schwefel-Batterien. Gespeicherte Energiemengen unabhängig von Zellengröße. Dadurch Begrenzung der Speicherkapazität.
Vergleichsweise geringe Selbstentladung, kein Memoryeffekt. Hohe Zyklenzahlen möglich (1.000 – 2.000 Ladezyklen) Kein Einsatz metallischen Lithiums. Arbeitstemperatur von 300 bis 350° C für Be- und Entladung nötig. Inhalte externer Elektrolyttanks gelangen mittels Pumpen in die Zelle. Bekannt sind Zink-Brom- und Cer-Zink-Batterien.
Nicht geeignet zur Schnellladung. Lange Lebensdauer, schneller Ladevorgang und hohe elektrische Leistung auch bei Temperaturen bis zu -30°C. Elektrolyte sind wasserfreie organische Lösemittel, die ein Lithium-Salz enthalten. Kaum Nebenreaktionen, hoher Wirkungsgrad, geringe elektrochemische Alterung. Wegfall modularer Grenzen beim Speichern von Energie.  
Vertragen keine Tiefentladungen. Vollständige Entladung möglich. Vertragen keine hohen Lade- und Entladeströme, wodurch sie schneller altern können. Häufige Temperaturschwankungen wirken sich negativ aus. Kein Memoryeffekt, kaum Selbstentladung, unempfindlich gegenüber Tiefentladung.  
Bestehen aus 2 Blei-Elektroden mit Schwefelsäure als Elektrolyt. Giftigkeit von Cadmium, daher zunehmend Ersatz durch Ni-MH-Akkumulatoren. Schutzschaltung notwendig, damit Strom, Spannung und Temperatur in sicheren Bereichen bleiben. Standheizung ist sinnvoll. Lange Lebensdauer  
Vergleichsweise hohe Spannung und hohe Belastbarkeit. Ni-MH-Systeme sind mit Energiedichten 30 – 50 % über denen von Ni-Cd-Systemen ausgestattet. Einsatz für Digitalkameras, Mobiltelefone, mobile PCs und Co. Einsatz als Probevarianten bei verschiedenen Fahrzeugflotten, aber meist ungeeignet bei langen Standzeiten.    
Nahezu vollständig wiederverwertbar und mit geringem Wartungsaufwand behaftet. Einfachere Entsorgung bei Ni-MH-Systemen.        
Hohes Gewicht und starke Empfindlichkeit bei Temperaturen über 45° C. Schnell be- und entladbar.        
  Hohe Empfindlichkeit der Ni-MH-Systeme auf Überladung, Überhitzung und falsche Polung.        
  Hohe Selbstentladung (bis zu 50 % über der von Ni-Cd-Akkumulatoren).