Als Stromspeicher von Solarstrom dominieren derzeit überwiegend zwei Batterie- bzw. Akkutypen den Markt: Lithium- und Blei-Akkumulatoren. Lithium ist leistungsfähiger, aber aufwendiger in der Produktion. Demnach sind Lithium-Akkus teurer, halten aber länger bei gleichzeitig besserer Performance – vor allem Lithium-Polymer-Akkus (LiPo). Doch beide Akkumulatoren haben schwerwiegende Defizite, die der Elektrifizierung unseres Alltags im Wege stehen. Sie implizieren giftige, umweltbelastende und entzündliche bis explosive Elemente und moralisch bedenkliche Herstellungs- und Entsorgungs- bzw. Recyclingprozesse. Aus diesem Grund upcycelt die LaGrand Handwerk GmbH fälschlich für tot erklärte Akkus aus E-Bikes und Autos, indem sie diese in unbegrenzt haltbare Stromspeicher für Balkonkraftwerke umwandelt.

 

Der beste Stromspeicher für Balkonkraftwerke (Strom trotz Blackout)

 

Die Frage nach einem Stromspeicher ist insbesondere bei Balkonkraftwerken von Bedeutung, denn diese liefern bei einem Stromausfall, einem sogenannten Blackout, ebenfalls keinen Strom. Da ist es sinnvoll, über einen Stromspeicher zu verfügen. Wer schon aber einmal nach einem halbwegs brauchbaren Stromspeicher umgesehen hat, weiß, dass die Preise nicht ohne sind. Der mobile Speicher von Ecoflow ist eine verbraucherfreundliche und ansehnliche Lösung; mit etwas mehr als 1 kWh und einem Preis von knapp 1200€ jedoch eine recht teure. Einen haushaltsüblichen Kühlschrank mit einem Verbrauch von 200Watt pro Stunde wird er nur mit Ach und Krach über die Nacht bringen. 1000 Watt durch 200 Watt ergeben 5 Stunden an Betriebszeit. Bei voller Ladung, bis kaum noch arbeitswillige Ionen in den Zellen stecken. Hinzu kommt, dass es sich bei solchen Speicherlösungen oftmals um brandgefährdete Lithium-Polymer-Akkus handelt, deren Herkunft fast immer unbekannte Fabriken in China sind.

 

Wir upcyceln ausschließlich Lithium-Akkuzellen von LG, Panasonic und Sony, die überwiegend aus E-Bike-Akkus von Bosch stammen. Die daraus entstehenden Akkublöcke verfügen überdies über Zellwächter und mitsamt Unter- bzw. Überspannungsschutz des Spanungswandlers handelt es sich hier um einen recht kommunikativen Stromspeicher, der frühzeitig signalisiert, wenn irgendwelche Zellen ein Problem haben. Ein BMS-Modul (Battery Management System), das sonst Lithium-Akkus kontrolliert, ist dagegen ein recht schweigsamer Zeitgenosse; dieses schaltet den Akku einfach ab, wenn ihm was nicht passt, und der Nutzer hat keine Möglichkeit, seinen Akku je wieder zu betreiben – wenngleich vielleicht nur eine Zelle kaputt ist.

 

Das Sicherheitssystem von Lithium-Akkus – Fluch und Segen zugleich

 

Insbesondere bei den mit Vorsicht zu genießenden Lithium-Polymer-Akkus (LiPo) macht das BMS-Module lieber etwas früher dicht, auch wenn der Akku im Grund noch voll intakt ist; dazu reicht es z.B. den Akku einfach mehrere Monate ohne aufweckende Aufladung liegen zu lassen. Die Zellen entleeren sich, bis das BMS einen kritischen Bereich erkennt und keinen Strom mehr durchlässt. Dies ist übrigens das mehrheitliche Schicksal jener Akkus, die wir zum Upcycling erhalten. Überdies hat sich auf diese Weise auch unser LiPo-Akku aus unserer Drohne verabschiedet. Klar, ein neuer Akku kostet für unsere Drohne “nur” 50€, aber die Kosten für die Umwelt läppern sich, wenn jeder seine im Tiefschlaf befindlichen no-Name LiPo-Akkus einfach über die Recycling-Kette zurück nach China entsorgt.

 

Weil die sicherheitsbedingte vorzeitige Abschaltung von Lithium-Akkus das große Problem von aktuellen Stromspeichern ist, ersetzen wir das BMS durch Zellwächter und einen zuverlässigen Service, bei dem sich unsere Augen, Hände und Hirnhälften mit den Stromspeichern befassen. Sollte der Zellwächter einen ungewöhnlichen Leistungsabfall signalisieren, werden defekte Zellen einfach ausgetauscht und der Akku kann wieder mit voller Kapazität betrieben werden. Damit verliert der Nutzer nie die Kontrolle über seinen Stromspeicher und ist nicht gezwungen, einen komplett neuen Akku für viele Tausend Euro zu kaufen. Wenige schwache Zellen sollen nicht das gesamte System gefährden. Mit LaGrand haben Sie einen Ansprechpartner und schnelle Hilfe zur Hand statt ein eigensinniges chinesisches BMS-Modul.

 

Lithium-Ionen-Akkuzellen als Stromspeicher in einer Munitionskiste aus Holz
3,3 kWh im shabby-chic-Look

Der diskrete, individuell zugeschnittene Stromspeicher

 

Stromspeicher sind allemal nicht schön. Es sind überwiegend klobige, schwere Blöcke, die Platz einnehmen.  Das müssen sie aber nicht sein. Unsere Akkublöcke verschwinden z.B. in ansehnlichen Möbeln aus Holz. Obwohl Holz, da brennbar, irgendwie falsch klingt, ist es genau richtig, da nicht leitfähig, flexibel, leicht, kostengünstig und umweltfreundlich. Gewiss wird das Innere des Möbelstücks (z.B. eine Schatzkiste, eine Sitzkiste etc.) mit einem Brandschutz imprägniert, der bei einem etwaigen Brand zu einem nicht brennbaren Gas umgewandelt wird und das Feuer erstickt. Sie können sich also nicht nur die Dimension ihres Stromspeichers aussuchen, sondern auch seine Erscheinung in Form eine Möbelstücks. Dies können Sie selbstverständlich auch selbst herstellen und per Anleitung feuerfest machen, während wir lediglich die Akkublöcke liefern.

Neben Details.Fairsichern.Wert® ist das Kredo bei LaGrand: Es gibt für alles eine Lösung. Sie müssen lediglich mit Ihren Bedingungen und Vorstellungen eine Email mitsamt Mobilrufnummer für WhatsApp, Signal, iMessage oder Threema verfassen, und dann kann es Stück für Stück weiter gehen. Idealerweise vollziehen Sie mit den Akkublöcken erst einmal einen unverbindlichen und kostenfreien Test von zwei Wochen, um zu prüfen, wie sich unser Stromspeicher verhält und wie Ihr persönliches Speichersystem überhaupt ausfallen soll. Ein großer Block, oder viele kleine? Wie auch immer, unsere Akku-Manufaktur kann fast alles umsetzen.

 

Haltbarkeit von alten Akkus

 

Klingt ja ganz toll, haben Sie sich beim Lesen vielleicht gedacht, doch es handelt sich immer noch um alte Zellen und keine neuen, wie lange halten die Dinger dann überhaupt? Und wenn nicht, dann unterstelle ich Ihnen diese kluge Frage einfach mal. Ja, es stimmt, es sind alte Akkus, um die 5 Jahre alt. Allerdings ist die Todesursache der defekten Zellen in der Regel nicht eine Ausreizung der Ladezyklen, sondern eine Unterforderung. E-Bikes und Autos können auch mal sehr lange stehen, und dieses Stehen schadet der Chemie in den Zellen.

Die von uns geretteten Zellen haben diese Härteprüfung jedoch überlebt und haben durch LaGrand noch ein ganzes Akkuleben von guten 5 Jahren vor sich – ggf. sogar mehr. Zumal bei der Herstellung ein Trick zum Tragen kommt, der die Zellen nie bis zu ihrem Zenit auflädt; dies kann die Lebensdauer nämlich verdoppeln. Dies gilt auch für Ihr Smartphone und alle anderen Geräte mit Lithium-Akkus; halten Sie es immer zwischen 30-80%, dann hält Ihr Akku sehr, sehr lange. Und an dieser Stelle sei daran erinnert, dass einzelne Zellen stets von uns ausgetauscht werden können, wenn sie schwächeln. Nach der einjährigen Garantie kann dann z.B. ein Wartungsvertrag geschlossen werden.

 

Achtung, der folgende Sektor enthält detailreiche Informationen zum Thema Akkus (weil, naja, ich finde das Thema anscheinend gut). Sofern Sie nur wissen wollten, wo Sie den besten Stromspeicher für Ihr Balkonkraftwerk erhalten können und dazu noch einen Freund, der Ihnen bei der Installation und Wartung zur Seite steht, dann können Sie hier stoppen und gleich eine Email verfassen. Ansonsten wünsche ich Ihnen viel Spaß beim Weiterlesen. -Manuel Krämer, Geschäftsführer der LaGrand Handwerk GmbH

 

Beispiele für die Schattenseiten von Lithium- und Blei-Akkus:

 

 

Salzhügel in einer Salzwüste in Argentinien mit Maschinen im Hintergrund, die das Lithium für Akkus und Stromspeicher abbauen
Lithiumabbau in der Salzwüste Salina Grandes in Argentinien | ©Adobe Stock / Kseniya Ragozina

 

 

 

  • Die Elektroden von Lithium-Akkus besitzen einen flüssigen Elektrolyten. Dadurch können Dendriten (verirrte Lithiumpartikel) zur gegenüberliegenden Elektrode wandern und einen explosiven Kurzschluss verursachen.

 

  • Blei-Akkus können nicht einfach recycelt werden, sondern werden entweder exportiert, oder hierzulande zerlegt und Kohlenmonoxid-intensiv verbrannt, um diese Verbrennungswärme in Strom umzuwandeln. Auch das fällt unter „Recycling“.
Entsorgte Stromspeicher und Akkumulatoren in Containern auf einer Mülldeponie
Entwicklungsländern – Endstation für entsorgte Stromspeicher | ©Adobe Stock / dmitrydesigner

 

 

Funktion einer Batterie

 

Batterien sind sogenannte Primärelemente. Der Strom einer Batterie entsteht aus der chemischen Reaktion zwischen den beiden in ihr befindlichen metallischen Elementen. Die Elektronendifferenz der beiden Elemente in der Batterie (Elektroden) bildet die chemische Energie der Batteriezelle.

 

Ungebundene Elektronen auf der Atomhülle eines Elements wollen stets mit anderen freien Elektronen in der Hülle anderer Atome Bindungen eingehen. Der effizienteste ist hier der bevorzugte Weg. Durch die Bindungswilligkeit von Elektronen verfügt das Universum über unzählig viele Atomverbindungen, die eigenständige Materialien ergeben. Natriumchlorid ist zum Beispiel eine sehr starke Verbindung zwischen Natrium-Kationen (positiv geladene Natrium-Atome) und Chlor-Anionen (negativ geladene Chlor-Atome).

 

Elemente, die auf ihrer Atomhülle nur wenige zusätzliche Elektronen brauchen, um eine vollständig gefüllte (stabile) Hülle zu besitzen, sind potenzielle Elektronen-Akzeptoren. Elemente, die für eine saturierte Atomhülle nur wenige Elektronen abgeben müssen, sind potenzielle Elektronen-Donatoren.

 

Der Elektrolyt macht die Batterie

 

Je unterschiedlicher die Elektronenladungen auf den Atomhüllen der miteinander reagierenden Elemente in einer Batterie, desto höher der Elektronenaustausch. Die Reaktion findet über einen leitfähigen Elektrolyten statt. Natriumchlorid in Wasser ist zum Beispiel ein Elektrolyt, wenngleich ein schwacher. Wasser ist kein guter Leiter und Natriumchlorid hat einen neutralen pH-Wert von 7. Je saurer oder basischer ein Elektrolyt, desto besser können Elektronen ihn passieren. Schwefelsäue oder Natriumhydroxid (Ätznatron) sind weitaus bessere Elektrolyten.

 

Der Elektronenaustausch wird in elektrischer Spannung wiedergegeben. Die Maßeinheit der Spannung lautet Volt (nach dem Erfinder der ersten Batteriezelle: Alessandro Volta).

 

Spannung allein sagt aber noch nichts über den elektrischen Strom aus. Die Ladung ist entscheidend und gibt an, wie viel Elektronen-Bewegung in einem leitenden Element bzw. einer Batterie-Zelle stecken. Gemessen wird die Ladung in Ampere (benannt nach dem Pionier der Elektrodynamik: André-Marie Ampère).

 

Jedes Element hat von Natur aus eine bestimmte Ladung. Mithilfe eines Elektrolyten können Elemente ihre unterschiedlichen Ladungen austauschen. Nachdem diese Ladung (z.B. zum Betreiben eines Gerätes) vollständig ausgetauscht und in elektrischen Strom umgewandelt wurde, ist die Batterie leer und nicht mehr aufladbar. Die chemische Energie wurde nicht umkehrbar in elektrische Energie umgewandelt. Diese Entladung des Elements wird Oxidation genannt. Rost ist zum Beispiel die sichtbare Elektronenabgabe von Eisen an Sauerstoff – das Eisen ist oxidiert.

 

Eine leere Batterie ist nichts anderes als eine Zelle, deren Elektronen-Donator vollständig oxidiert wurde. Die Batterie muss dann speziell entsorgt werden. Diese Nutzungslimitierung macht Batterien für energieintensive Geräte des Alltags umwelttechnisch höchst problematisch.

 

Die Superpower von Akkumulatoren

 

Akkumulatoren oder Akkus sind im Gegensatz zu Batterien Sekundärelemente. Sie speichern elektrische Energie in Form von chemischer Energie. Das magische Wort ist hier speichern. Nachdem der Elektronen-Donator der Akku-Zelle seine Elektronen vollständig über den Elektronen-Akzeptor an den Verbraucher abgegeben hat, ist der Akku wie eine Batterie ebenfalls leer. Allerdings ist das Leben eines Akkus damit nicht vorbei. Der Akku kann im Gegensatz zur Batterie wieder aufgeladen werden. Sein Elektronen-Akzeptor oxidiert nicht. Jedenfalls lange nicht so schnell wie der in einer Batterie.

 

Das Geheimnis einer Akku-Zelle liegt vor allem in seinen Additiven. Diese Additive schützen den Elektronendonator vor Oxidation. Passivierung der Anode ist der Fachbegriff für diesen Schutz. Dies geschieht, indem das Additiv beim Entladevorgang des Akkus einen Schutzfilm um den Elektronendonator ausbildet. Dieser Schutzfilm löst sich mit der Aufladung wieder. Meistens handelt es sich bei diesem Additiv um ein Oxid, das schneller an der Anode ist als der korrosive Stoff in der Zelle.

 

Über- und Tiefenentladung können diesen Schutz jedoch zerstören. Darum verfügen Lithium-Akkus über einen kleinen Chip, der die Tiefenentladung verhindert. Zum einen, um die Oxidation zu reduzieren, aber auch um die Ausbildung von Dendriten zu verhindern. Lithium, das während der Ladevorgänge in den Elektrolyten übergeht, wandert durch inkorrekte (Ent-)Ladevorgänge nicht zurück zur Elektrode, sondern verbleibt im Grenzbereich zwischen Kathode und Anode. Dieser Grenzbereich ist durch einen Separator getrennt. Es handelt sich hier um eine sehr dünne, mikroperforierte Barriere – i.d.R. aus einem Kunststoff. Dieser Separator verhindert, dass sich Anode und Kathode zu nahe kommen und einen Kurzschluss auslösen. Doch die vom Lithium gebildeten Dendriten können diese Barriere über Zeit durchbrechen.

Aufbau eines Lithium-Akkus als zylindrische Zelle
Aufbau eines Lithium-Akkus als zylindrische Zelle | ©Adobe Stock / Naeblys

Ein Lithium-Akku, der nicht mehr zuverlässige Leistung aufbringt, sollte unbedingt gewechselt werden. Im besten Fall kündigen sich gefährlich werdende Dendriten durch eine stetig schlechter werdende Akku-Performance an.

 

Quick Info: In hochwertigen Uhren befinden sich keine Batterien, sondern Federn, die durch die Bewegung des Handgelenks aufgezogen werden. Die Spannung der Feder (Spiralfeder) treibt das Uhrwerk an. Es handelt sich hier somit um mechanische Energie.

 

Die Säulen einer sauberen Elektrifizierung

 

Gewiss sind Akkumulatoren für die voranschreitende Elektrifizierung unserer Welt unabdingbar. Aber ein Akku ist nicht gleich umweltfreundlich oder moralisch vertretbar. Indem für die Elektrifizierung der reichen Länder Mensch und Natur der armen Länder geopfert werden, wiederholen wir nur die Fehler der Ära der fossilen Energieträger.

 

In seinem Buch „Speed & Scale“ verweist John Doerr auf die Ärmsten Regionen der Welt als größte Leidtragende des Klimawandels, wenngleich sie die geringste Schuld tragen. Die Ärmsten der Armen vor Dürre, Smog und Flutwellen zu schützen, ist solidarisch und moralisch notwendig. Sie stattdessen mit den Giften unserer Stromspeicherung zu verfluchen und wegzusehen, ist dagegen eine groteske Ironie. Smartes, regionales Ucycling alter Akkus mit gleichzeitigem Empowering der Ärmsten durch Bildung und saubere Energietechnologien impliziert Win-Win. Wir reduzieren unseren CO2-intensiven Sondermüll und die Abhängigkeit von chinesischen Stromspeichersystemen. Die vernachlässigten Regionen der Welt können durch den Aufbau einer sauberen, unabhängigen und replizierbaren Energiewirtschaft neue Lebensstandards entwickeln.

 

Die Hauptsäule einer ökologisch und moralisch vertretbaren Elektrifizierung besteht aus sauberen Stromgeneratoren wie Solarpanels oder Windgeneratoren. Womöglich auch Atomkraftwerke wie jenes von Bill Gates und seinem Forschungsunternehmen „Terrapower”. Dieses soll Kernschmelzen-sicher sein und als Energiequelle Atommüll nutzen. Der erste kleine modulare Reaktor wird aktuell in einer Fabrik gefertigt und später in Wyoming, USA, aufgebaut. Allein das ist revolutionär, trägt aber nicht zur Entmonopolisierung der Stromerzeugung bei.

 

Weitere essenzielle Säulen sind Mobilität und Wohnen. Nur durch den sehr unwahrscheinlichen Erfolg von Tesla, erobern nun hochleistende E-Autos unsere Straßen. Die Elektrifizierung der öffentlichen Transportmittel ist unspektakulärer, doch nicht weniger progressiv. Wie einer unserer Gründach-Kunden nutzen stetig mehr Menschen selbst produzierten Strom für Ihr Fahrzeug. Neue Wärmepumpen beheizen immer mehr Häuser per Strom – idealerweise auch hier mit PV-Strom vom eigenen Dach. Strombedarf und saubere Stromproduktion wachsen täglich. Parallel sinkt der Bedarf an fossilen Energieträgern. Jeder Verbrennungsmotor, der durch einen E-Motor ersetzt wird, jede Gas- oder Ölheizung, die durch eine Wärmepumpe ersetzt wird, sorgen für das Vorankommen der Energiewende. Strom ist seit über 100 Jahren das Monopol riesiger Konzerne. Nun wird Strom dezentralisiert, demokratisiert und solidarisiert.

Darstellung von Sonneneruptionen auf der Sonnenoberfläche, die Elektrogeräte und Akkus zerstören können
Sonnenenergie entsteht aus der in ihr ablaufenden Kernfusion. Wasserstoff wird in Helium umgewandelt. Der dabei entstehende Masseverlust dieser Reaktion strahlt Energie ins Weltall ab. Sonneneruptionen sind Energie-Schockwellen, die das Potenzial haben, unsere elektronischen Geräte zu zerstören | ©Adobe Stock / Peter Jurik

 

Die Stromspeicherung als Richtungsweiser in der Klimakrise

 

Nun haben wir auf der einen Seite die saubere Stromproduktion und auf der anderen den sauberen Stromkonsum. Das Bindeglied dieser Säulen ist die saubere Stromspeicherung.

 

Wie im Holzbau sind zwei vertikale Träger (Stiele) allein noch kein robustes Bauwerk. Es ist eine zuverlässige Verstrebung vonnöten, die das Bauwerk für Schubkräfte stabilisiert. Wenn die Elektrifizierung unserer Gesellschaft also ein Haus ist, dann steht es auf Stielen mit ungleicher Verstrebung. Die einen haben ein Zimmer mit robustem Rahmenbau, andere haben nur einen kümmerlichen Bretterverschlag als Zimmer. Andere wiederum kommen gar nicht erst ins Haus, sondern müssen im Anbau mit den Mülltonnen leben. Fest steht aber, dass schon der nächste Sturm das gesamte Haus zerstören kann – egal in welchem Zimmer man sich befindet.

 

Die aktuelle Batterieforschung geht derzeit primär in eine Richtung: Performance. Seit einem Jahrzehnt wird die hochleistungsfähige Solid-State-Batterie angekündigt. Sie soll sich in wenigen Minuten komplett aufladen und ewig halten. Zielmarkt: Autoindustrie. Die Stromspeicherung, die ihr Augenmerk auf Ökologie statt High-Performance legt, genießt kaum Attraktivität. Dies ist reine Marktlogik. Hersteller von Akkumulatoren sind nur bei hoher Stückzahl wettbewerbsfähig. Dazu benötigen sie aber Maschinen, die ihre Akkus bauen. Diese Maschinen sind meist komplexer als das Produkt selbst. Die Autoindustrie ist besonders stark in der Massenproduktion. Sie verfügt über die Ressourcen, eine vielversprechende Akkutechnologie schnell wettbewerbsfähig zu machen. Ein Akkuhersteller, der für seine Investoren Zahlen liefern muss, buhlt um die Produktions- und Investmentpower der Autoindustrie. Den Lithium-Akkumulator abzulösen, ist der Heilige Gral eines jeden Unternehmens, das sich auf die Herstellung von Akkus spezialisiert hat.

 

Der Super-Akku der Zukunft

 

John B. Goodenough ist der Pate der Akkuforschung. Er war maßgeblich an der Entwicklung des Lithium-Akkus beteiligt, der heute unsere Smartphones betreibt. Am 25.07.2022 wurde er 100 Jahre alt und forscht noch immer an neuen Akkus. 2016 enthüllte er seinen jüngsten Vorschlag für das nächste große Ding nach dem Lithium-Akku: Ein Glas-Akku. Dieser Super-Akku besteht aus metallenem Lithium oder Natrium in hauchdünner Folienform als Anode (negativ geladene Elektrode). Die Kathode (positiv geladene Elektrode) besteht aus einer Mixtur, die entweder von Graphit, Schwefel, Mangandioxid oder einer metallorganischen Verbindung aus Eisen (Ferrocen) dominiert wird. Diese Mixtur wird auf eine ebenfalls hauchdünne Kupferfolie (die als Stromkollektor dient) aufgetragen.

 

Das Konzept vom Glas-Akku sorgte in der Fachwelt vor allem für Skepsis. Immerhin soll sich der Glas-Akku mit seiner Nutzung verbessern statt verschlechtern. Im ersten Moment widerspricht das dem zweiten Satz der Thermodynamik: In einem geschlossenen Raum nimmt die Zustandsgröße (Entropie) eines Stoffes niemals ab. Hier handelt es sich um ein fundamentales physikalisches Gesetz, das sich auch anders herum formulieren lässt. In jedem offenen Raum, nimmt die Entropie eines Stoffes zu. In unserer Realität interagiert jeder Stoff mit seiner Umgebung – vor allem in Form von Energieabgabe. Ideen, die dieses physikalische Gesetz brechen – wie das Perpetuum Mobile – sind in der realen Welt nicht funktional und können auch nicht geschützt werden. Wie also kann ein Akku mit seiner Nutzung besser statt schlechter werden?

 

Zwischen Genialität und Bruch der physikalischen Gesetze

 

Nur die physikalischen Gesetze sind Gesetze. Alles andere sind Vorschläge.

 

Ein Akku, der sich nicht in Betrieb befindet, gibt seine Energie langsam an seine Umgebung ab. Dies ist die gefürchtete Selbstentladung. Ein Akku in Betrieb mit wiederkehrenden Ladezyklen dagegen befindet sich in einem semi-geschlossenen Raum. Es fließt regelmäßig Strom, der ihn in seinen ursprünglichen Zustand (stromgeladen) zurückkehren lässt. Was den Zustand bisheriger Akkus jedoch über Zeit nachteilig verändert, ist vor allem der flüssige Elektrolyt. Dort staut sich während der Ladevorgänge Wärme, die den Elektrolyten ausdehnen und Gase emittieren lässt. Dies sorgt für eine Entropieveränderung des Elektrolyten erschwert dem Dopanten* stetig mehr, die Anode zu passivieren. Die Oxidation der Anode ist dadurch nur eine Frage der Zeit. Der Akku nimmt mit seiner Nutzung an Leistung ab.

 

*Durch das sogenannte Doping werden einzelne Atome (Dopanten oder Doping Agent) in einem Element durch ein anderes ersetzt, wodurch das Ausgangselement verbesserte Eigenschaften erhält – wie Leitfähigkeit oder Schutz der Anode (Passivierung).

 

Der Glas-Akku von Goodenough besteht aus einen Elektrolyten aus festem Glas. Die genauen Bestandteile sind Lithiumhydroxid, Lithiumchlorid und Bor (als Dopant für die Steigerung der Induktivität). Die Elektroden sind Mikrometer-dünn. Die Probleme des gegenwärtigen Lithium-Akkus wie die Gasung des Elektrolyten, Oxidation und Dendritenbildung sind beim Glas-Akku nicht gegeben. Somit kann auch hochkonduktives, aber mit Wasser explosiv reagierendes metallenes Natrium oder Lithium als Anode verwendet werden. Im Solid-State Glas-Akku finden keine Nebenreaktionen statt, sodass der Zustand dieses Akkus im mit Strom versorgten Raum nichts weiter als reine Konduktivtät mit kaum merklicher Selbstentladung ist. Das macht den Glas-Akku zurecht kontrovers, dennoch verstößt das Konzept nicht gegen physikalische Gesetze.

Schematische Darstellung von flüssigen Akkus und Festkörperakkumulatoren
Akkus mit Flüssigelektrolyten gegen Festkörperakkumulatoren | ©Adobe Stock / PATTARAWIT

 

Performance oder Klimaschutz

 

Ob der Glas-Akku überhaupt möglich ist, wird aktuell in Kanada erforscht. Hier kommt das Dilemma der Batterie- bzw. Akkuforschung zum Tragen. Ein herausragendes Akkumulator-Konzept, das keine physikalischen Gesetze bricht, ist noch lange kein guter Akkumulator. Ein Stromspeicher, der die Welt verändern soll, benötigt eine weitere Erfindung: Die Maschine, die ihn massenhaft bauen kann. Kann diese Maschine nicht zu verhältnismäßigen Kosten gebaut werden, bleibt jeder noch so geniale Akku ein Prototyp des Labors.

 

Inwiefern der Glas-Akku von John B. Goodenough dazugehört, wird sich zeigen. Allerdings sagen die produktionsintensiven Komponenten bereits eines voraus: Um ein sauberer Stromspeicher zu werden, muss erst die Glasherstellung revolutioniert werden. Glas wird mithilfe von enormer Hitze aus Quarzsand und Kalk hergestellt. Diese Hitze wird aktuell nur durch gasbetriebene Brennöfen erreicht. Eine Hoffnung ist die Wasserstoff-betriebene Glasherstellung. Dass der Glas-Akku irgendwann auch der Stromspeicher von solarproduzierenden Dächern oder den ärmsten Menschen der Welt sein kann, bleibt wohl bis auf Weiteres eine sehr optimistische Vorstellung.

 

Die Problematik bei Festkörperakkumulatoren

 

Ein fester Elektrolyt wie beim Solid-State-Akku geht immer auch mit Einbußen beim Leistungsgewicht einher. Flüssige Elektrolyte haben eine geringere Dichte als feste und sind somit leichter, während ihre Ionenleitfähigkeit über jener von nichtflüssigen Elektrolyten liegt. Demnach benötigt ein Festkörperakkumulator mehr Gewicht als ein Akku mit flüssigem Elektrolyten gleicher Leistung. Um die Automobilbranche zu revolutionieren, darf ein E-Auto nicht nur sauber sein; es muss auch leistungsfähiger sein. Das Leistungsgewicht des Akkus ist die Achillessehne von Tesla und Co. im Kampf um den Automarkt. Die aktuellen Risiken und Nebenwirkungen der aktuellen Lithium-Akkus mit flüssigem Elektrolyten müssen hingenommen werden.

Schematische Darstellung eines Solid-State-Akku mit diversen Schichten
Der Stromspeicher der Zukunft ist “All-Solid-State” | ©Adobe Stock / Павел Печёнкин

Anders sieht dies bei Bussen aus. Hier sind die Anforderungen an die Gewichtsleistung flexibler. Darum verfügt der eCitaro von Mercedes über einen Semi-Festkörper-Akku, der an verschiedenen Haltestellen oder Streckenabschnitten wiederaufgeladen werden kann. Es handelt sich hier um einen ca. 250kg schweren Lithium-Ionen-Polymer-Akku (LiPo) mit einem gelartigen Polymer-Elektrolyt. Da der Elektrolyt im Gel gebunden ist, gilt dieser Akku als Solid-State. Doch im Gegensatz zum Glas-Akku von John B. Goodenough handelt es sich hier nicht um einen absolut festen Elektrolyten. Dendriten können auch hier nach Jahren der Nutzung nicht ausgeschlossen werden. Ansonsten wäre hier auch der Einsatz von weitaus leitfähigerem metallenem Lithium unbedenklich. Ein weiterer Nachteil ist die notwendige Erwärmung des Akkus auf 70-80°C, damit der Elektrolyt leitfähig und der Akku betriebsbereit ist.

Auch in Bremen wird akribisch an Akkus mit komplett festen Elektrolyten geforscht. Doch auch hier erreichten die Forscher bislang „nur“ kleine funktionsfähige Prototypen. Ein Festkörper-Akkumulator in industriellen Maßstäben, der ein wettbewerbsfähiges Leistungsgewicht aufweist, bleibt das Ziel am Horizont. Der Herstellungsprozess für hohe Leistungsanforderungen ist enorm aufwendig und aktuell nicht zu verhältnismäßigen Kosten realisierbar. Darum gibt es aktuell auch keinen Solarspeicher aus einem Festkörper-Akku. Die Herstellung war bislang nicht wettbewerbsfähig.

Upcycling von defekten Akkus

 

In der gesellschaftlichen Debatte um die Energiewende stehen primär neue Technologien im Fokus. Zweifelsfrei sind disruptive Technologien essenziell für eine Abkehr von fossilen Brennstoffen. Die Hoffnung auf eine saubere Technologie in Sachen Stromerzeugung und Stromspeicherung beendet allerdings nicht die verschwenderische Lebensweise, die wir uns angeeignet haben – weil wir es konnten. Eine lebenswerte Welt, die wir gerne vererben, beginnt mit einem Paradigmenwechsel in der eigenen Denkweise. Ohne ein Verlernen der alten Gewohnheiten entsteht keine positive Veränderung. Dies bezieht sich auf die Klimakrise und alle anderen Probleme, mit denen wir als Menschen konfrontiert sind. Unser Müll ist der Spiegel unseres Seins.

Eingangs habe ich Beispiele der Schattenseiten in der Herstellung und Entsorgung unserer beliebtesten Akkus aufgezeigt. Eine neue Akku-Technologie mag viele dieser Defizite beseitigen. Doch was bleibt, sind die Blei- und Lithium-Akkus, die sich bereits im Umlauf befinden. Es werden täglich mehr. Tesla recyclelt seine Lithium-Akkus. Auch VW betreibt einen Recycling-Kreislauf für seine Lithium-Akkus. Doch nicht jeder Verkäufer von Lithium-Akku-Fahrzeugen verfügt über die Ressourcen wie Tesla und VW. Hier müssen die alten Akkus den Weg in den allgemeinen Recycling-Kreislauf finden. Die Recyclingquote ist für Lithium- und Blei Akkus zwar hoch, doch der Recyclingprozess ist vor allem für große Akkus logistisch und energetisch aufwendig und somit ein ökologisches Minusgeschäft. Auch hier gilt für eine Verbesserung des Recycling-Kreislaufs: Think global, act local.

Grafische Darstellung eines ökologisch sauberen Blei-Akkumulators als Symbol für das Upcycling von Blei-Akkus
Alte Blei-Akkus werden durch Upcycling zur “Green Energy” | ©Adobe Stock / Maksym Yemelyanov

Da sich Blei-Akkus hauptsächlich in Autos befinden, bilden Sie den Großteil der im Umlauf befindlichen Akkumulatoren. Besonders Akkus von Fahrzeugen, die lange standen, haben sich tiefenentladen. Um die Elektroden hat sich dadurch eine Bleisulfatschicht gebildet. Dieser Prozess nennt sich Sulfatierung. Sulfat auf den Elektroden beeinträchtigt die Leistung des Akkus, sodass er sich nicht mehr für die energieintensive Starthilfe von Verbrennermotoren eignet. De facto sind diese Akkumulatoren nicht defekt, aber für ihren Einsatz unbrauchbar. Vom Kfz-Mechaniker werden sie als defekt deklariert, ausgetauscht und entsorgt. Anschließend gehen sie in den ineffizienten Recycling-Kreislauf von Autobatterien über.

Das nachhaltige zweite Leben von Autobatterien

Die Sulfatierung wird allgemein als irreversibel bezeichnet. Dies in den meisten Fällen aber nicht der Fall. Mithilfe von hohen Stromschüben kann das Sulfat von den Elektroden gelöst werden. Dies bedeutet nicht, dass ein sulfatierter Blei-Akku lediglich reanimiert und wieder ins Auto eingebaut werden soll. Wenngleich dies möglich wäre. Der Clou besteht darin, den ineffizienten Kreislauf zu vermeiden, indem mehrere entsulfatierte Akkus ein zweites Leben als Stromspeicher von Solaranlagen erhalten. Der Stromspeicher einer Solaranlage wird ständig mit neuem Strom versorgt und auf Leistung geprüft. Das macht entsulfatierte Blei-Akkus zum idealen Upclycling-Baustein für Stromspeicher, der die Umwelt gleich doppelt entlastet. Es entfällt der aufwendige Recyclingprozess, zudem müssen keine neuen Akkus in Umlauf gebracht werden. Im weiteren Stadium des Upcyclings werden aus den reanimierten Blei-Akkus dann absolut sichere und leistungsfähigere Festkörperakkumulatoren gemacht.

Grafische Darstellung eines Wohnhauses, das gleoichzeitig nachhaltige Energie produziert und speichert
Häuser von Morgen sind nicht nur Wohneinrichtungen, sondern holisitsch gedachte Kraftwerke für ein sauberes, dezentrales Energienetz | ©Adobe Stock / hellokisdottir

LaGrand® ermöglicht vielen Hauseigentümern mit der Installation von kleinen Solarkraftwerken die Produktion von Solarstrom, wo große Solaranlagenbauer abgewunken haben. Als Inhaber der LaGrand Handwerk GmbH ist mir vor allem die Praxis von „grünem Handwerk“ und die smarte Wiederverwendung von Abfällen ein starkes Anliegen. Folglich ergibt es für mich nur Sinn, neben der Begrünung von Dächern und der Montage von kleinen Solaranlagen, unsere Umwelt auch mit dem Upcycling von Blei-Akkumulatoren zu entlasten. Wenn Sie also einen alten Blei-Akku aus Ihrem Fahrzeug holen, oder irgendwo defekte bzw. nicht mehr verwendete Akkus entdecken (ganz gleich welcher Art), dann sichern Sie diese bitte und geben uns Info. Damit sorgen Sie dafür, dass diese Akkus nicht auf einer Mülldeponie oder in einem Exportcontainer enden, sondern als saubere und ungefährliche Stromspeicher in Ihrer Nachbarschaft dienen können. Jeder gerettete Akku macht einen Unterschied. 


Featured Image: ©Adobe Stock / malp