Zink
In den letzten sieben Jahren wurden 110 Dörfer in Afrika und Asien mit Strom aus Batterien versorgt, die Zink und Sauerstoff verwenden, die Grundlage eines von NantEnergy in Arizona entwickelten Energiespeichersystems.
Zink ist aufgrund seines großen Angebots, seiner grundlegenden Stabilität und seiner niedrigen Kosten eine attraktive Alternative zu Lithium, aber bisher gab es nur wenige Bemühungen, es in großem Maßstab kommerziell nutzbar zu machen. Das Zink-Luft-Batteriesystem von NantEnergy ersetzt eine zweite Elektrode durch eine, die „Luft atmet“, indem sie Sauerstoff aus der Atmosphäre nutzt, um Energie aus Zink zu gewinnen.
Einem von Lux Research veröffentlichten Bericht zufolge „ist Zink-Luft eine gut geeignete Chemie für Mikronetze, die eine kostengünstige Energiespeicherlösung bietet. Durchflussbatterien lassen sich nur schwer auf die Größe eines typischen Mikronetzes verkleinern, und Lithium-Ionen-Batterien sind bei den Kosten nicht konkurrenzfähig.“
Wichtig ist, dass NantEnergy auch eine Technik entwickelt hat, die es ermöglicht, dass Zink seine Ladung über einen längeren Zeitraum behält, wodurch das übliche Problem der begrenzten Wiederverwendbarkeit von Zink- und Zink-Luft-Batterien gelöst wird. Nach Angaben des Unternehmens kann diese Methode vor Ort ohne seltene oder teure Materialien hergestellt werden, wodurch die Abhängigkeit von Importen verringert und ein Beitrag zu Arbeitsplätzen und zur lokalen Wirtschaft geleistet wird.
Zink-Luft-Batterien enthalten außerdem keine giftigen Verbindungen und sind weder hochreaktiv noch entflammbar, so dass sie recycelt und sicher entsorgt werden können.
Zu beachten ist jedoch, dass Zink zwar eines der am häufigsten vorkommenden Metalle auf der Erde ist, seine Verwendung in großem Maßstab als Alternative zu Lithium in Zukunft jedoch Probleme aufwerfen könnte. Sri Narayan, Chemieprofessor an der University of Southern California, erklärte gegenüber der New York Times:
„Bei der derzeitigen Produktionsrate von Zink reichen die Zinkreserven etwa 25 Jahre.“
„Es ist also nicht klar, ob die vorhandenen Reserven ausreichen, um den enormen Bedarf zu decken, der sich aus der Nachfrage nach netzbasierten Batterien ergeben wird.“
Natrium-Schwefel
Natrium-Schwefel-Batterien sind eine weitere Alternative zu Lithium und werden bereits in großem Umfang an Standorten auf der ganzen Welt eingesetzt.
Im Februar 2019 wurde in Abu Dhabi die weltweit größte Speicherbatterie installiert, die Natrium-Schwefel-Batteriezellen verwendet. Sie ist fünfmal größer als die zweitgrößte Speicherbatterie mit 108 Megawatt (MW)/648 Megawattstunden (MWh).
Natrium-Schwefel-Batterien haben eine längere Lebensdauer als ihre Lithium-Ionen-Gegenstücke, mit einer Lebensdauer von etwa 15 Jahren im Vergleich zu den zwei oder drei Jahren, die von Lithium-Batterien erwartet werden. Natrium und Schwefel sind außerdem reichlich vorhanden und preiswert, was eines der Hauptprobleme von Lithiumbatterien entschärft.
Allerdings birgt der Umgang mit Natrium und Schwefel aufgrund der Flüchtigkeit beider Reaktanten Risiken. Flüssiges Natrium, das mit Wasser in der Atmosphäre in Berührung kommt, stellt aufgrund der stark exothermen Reaktion ein erhebliches Risiko dar, das bei Arbeiten in großem Maßstab explosiv werden kann.
Natrium-Schwefel-Batteriefabriken und -Anlagen, in denen sie verwendet werden, waren Schauplatz einer Reihe von Bränden, wie z. B. 2011 im Werk Tsukuba in Japan, das den Hersteller NGK dazu veranlasste, die Produktion seiner Natrium-Schwefel-Batterien vorübergehend einzustellen.
Ein weiterer Nachteil von Natrium-Schwefel-Batterien ist die hohe Betriebstemperatur von 300 °C, die zur Verflüssigung des Natriums erforderlich ist. Diese hohen Temperaturen könnten die keramische Membran beschädigen, die die Anoden- und Kathodenkomponenten der Batterie trennt, und könnten auch die Flüchtigkeit der Reaktanten in den Batterien verschlimmern.
Wasserstoff-Brennstoffzellen
Wasserstoff wird von einer Reihe von Energieunternehmen als kohlenstoffneutrale Alternative zu verflüssigtem Erdgas angepriesen, und Wasserstoff-Brennstoffzellen werden auch als Alternative zu herkömmlichen Lithiumbatterien entwickelt.
Wasserstoff-Brennstoffzellen haben ein zehnmal besseres Energie-Gewicht-Verhältnis als Lithiumbatterien, was auf die Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff als Reaktionsmittel zurückzuführen ist. Das bedeutet, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen leichter sein und weniger Platz einnehmen können, während sie die gleiche Leistung wie Lithium-Batterien liefern, wodurch Ressourcen eingespart werden.
Wasserstoff ist in der Atmosphäre extrem reichlich vorhanden, was ihn zu einer attraktiven Alternative zu Materialien mit begrenztem Vorrat wie Lithium oder Zink macht.
Wasserstoff-Brennstoffzellen haben außerdem eine größere Reichweite als Lithiumbatterien und erzeugen bei der Energieerzeugung nur Wasser und Wärme, was sie im Vergleich zu herkömmlichen Batterien zu einer effizienten und kohlenstoffneutralen Energiequelle macht.
Bei der Herstellung von Batterien (und den von ihnen angetriebenen Geräten) wird zwar Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt, doch kann dieser Effekt durch den Einsatz erneuerbarer Energiequellen gemildert werden. Bei der Herstellung von Wasserstoffbatterien wird auch weniger Kohlendioxid verbraucht als bei Lithiumbatterien, da kein energieintensiver Abbau erforderlich ist.
Wasserstoff-Brennstoffzellen sind jedoch eine relativ neue Technologie und haben ihre eigenen Nachteile.
Wasserstoff ist, ähnlich wie Natrium, leicht entzündlich und kann bei unsachgemäßer Handhabung explosiv reagieren. Die Temperierung der Brennstoffzellen ist wichtig, um flüchtige Reaktionen zu vermeiden, und weil Brennstoffzellen flüssiges Wasser benötigen, um zu funktionieren, im Gegensatz zu Dampf oder Eis.
Die Speicherung von Wasserstoff ist teuer und energieintensiv, sowohl als Gas als auch als Flüssigkeit bei niedrigen Temperaturen. Obwohl Wasserstoff in der Atmosphäre reichlich vorhanden ist, ist seine Herstellung und sein Transport schwierig und teuer, vor allem in großem Maßstab.