Dass ausgerechnet zwei Chemiefirmen Interesse am Konzept der Kavernenbatterie erkennen lassen, ist kein Zufall. Denn aus ökonomischen Gründen lässt sich eine solche Megabatterie sehr wahrscheinlich nicht mit Vanadium-Elektrolyten realisieren. Der entscheidende Fortschritt, der das Jemgumer Projekt überhaupt erst ermöglicht, ist darum gar nicht so sehr die Idee, unterirdische Salzkavernen zu nutzen, sondern der Einsatz eines gänzlich neuen Speichermediums. Und hier ist die Chemie gefragt.

Die flüssige Kochsalz-Polymer-Batterie

Wie das aussehen könnte, hat eine Jenaer Forschungskooperation zwischen der Arbeitsgruppe um Ulrich Schubert von der Universität Jena und dem Batterieentwickler JenaBatteries im Jahr 2015 in einem Beitrag für das Fachmagazin »Nature« vorgestellt. Ihr Elektrolyt basiert auf Kochsalz, Wasser und speziellen Polymeren. Keine Metallsalze mehr, nur noch Stoffe, die recycelbar und ohne Lieferengpässe kostengünstig verfügbar sind. Im Labor hielten die so konstruierten Batterien ohne große Kapazitätsverluste in einem ersten Test 10 000 Ladezyklen aus. Am Ende sollen es sogar 20 000 Ladezyklen sein. Berechnungen zufolge liegt die Lebensdauer ihrer Entwicklung bei rund 25 Jahren – mehr als doppelt so viel, wie man derzeit für Lithiumionenakkus ansetzt. Mit dieser Langfriststabilität steht und fällt die Rentabilität des Projekts.

»Überstehen die Kunststoffe tatsächlich 20 Jahre Batteriebetrieb und können sie mit einer Kapazität von deutlich unter 50 Euro pro Kilowattstunde hergestellt werden, ist das der richtige Weg, um den Redox-Flow-Batterien zum Durchbruch zu verhelfen«, findet auch Dirk Uwe Sauer von der RWTH Aachen, der selbst an der Entwicklung und Lebensdauer von Batterien forscht.

Auch die Membran ist preiswert. Sie besteht aus einem Material, das in der Trinkwasserfiltration und der Dialyse bekannt ist und schon lange in großer Stückzahl hergestellt wird. Sie muss auch nicht besonders feinporig sein, da die zurückzuhaltenden Polymere anders als Vanadiumsalze vergleichsweise große Moleküle sind.

Laden... © mit frdl. Gen. von JenaBatteries GmbH (Ausschnitt) Prinzip einer Redox-Flow-Batterie | In zwei Tanks befinden sich die unterschiedlichen Elektrolyte in einer Salzlösung. Diese können Elektronen binden und wieder abgeben. Der Austausch geschieht an der Membran, die die Flüssigkeiten voneinander trennt und nur die Ionen hindurchlässt. Mit diesem Prinzip können Leistung und Kapazität des Akkus unabhängig voneinander dimensioniert werden.

Größtes Problem: Die erhoffte Kraftbrühe ist noch etwas schwach auf der Brust. Während Lithiumionenakkus mit einer Energiedichte von bis zu 500 Wattstunden pro Liter (Wh/l) aufwarten können, liegen die Elektrolyte der Redox-Flow-Batterien generell schon einmal um den Faktor zehn darunter, auf etwa 30 Wh/l bringen es gebräuchliche Lösungen. Wie hoch ist die Energiedichte der geplanten Jemgumer Megabatterie? Das ist die große Frage, und die gilt es derzeit in realistischen Tests zu ermitteln.

»Alles größer zehn« würde ihm Freude bereiten, sagt Ralf Riekenberg, der das Batterieprojekt für die EWE Gasspeicher leitet. Doch selbst bei 10 oder 11 Wh/l rentiert sich das Vorhaben nur, weil brine4power die gigantische Größe seiner Kavernen ausspielen kann. Zweimal 100 000 Kubikmeter können gefüllt werden. Bisher konnten die Polymere ihre Stärken nur in 50-Liter-Tanks unter Beweis stellen. Dieser »erste wichtige Meilenstein«, so der Projektleiter der EWE, sei gebührend gefeiert worden. Aber viele Fragen bleiben weiterhin offen. »Bevor wir in die Kavernen gehen, wollen wir das Ganze erst mal im Salzbergwerk testen.« Anders als die Hohlräume im Salz der norddeutschen Tiefebene lassen sich diese nämlich auch dann noch auf ihre Standsicherheit inspizieren, wenn sie mit der polymerhaltigen Flüssigkeit gefüllt sind.

EWE Gasspeicher und JenaBatteries haben dann beispielsweise zu klären, ob die aktiven Inhaltsstoffe tatsächlich wie gewünscht langzeitstabil sind. Auch das chemische Verhalten des Elektrolytsystems ist nicht vollständig vorhersehbar. Die Moleküle seien beispielsweise recht anfällig dafür, unerwünschte Nebenreaktionen einzugehen, bemerkt der Fraunhofer-Forscher Peter Fischer. Das könnte dann die Leistungsfähigkeit des Stromspeichers vermindern und auf Dauer Probleme bereiten. Auch der technische Ablauf des Auf- und Entladens birgt Störungspotenzial. Die Flüssigkeit muss ständig hin und her gepumpt werden, sie läuft durch Ventile und passiert die Membran. »Das kann schon super funktionieren, aber nur, wenn alles super sauber ist«, sagt der Batterieexperte Olaf Wollersheim von Solarwatt Innovation. Im ungünstigen Fall könnte die Sole Verunreinigungen aus den Kavernenwänden aufnehmen und die Membran verstopfen.

Laden... © EWE (Ausschnitt) Schnitt durch die Salzkavernen unter Jemgum | Unterhalb des Betriebsgeländes der EWE befinden sich die Salzkavernen in einigen hundert Metern Tiefe.

Ein Pluspunkt bei der Nutzung einer Salzkaverne ist, dass die stark salzhaltige Sole direkt vor Ort anfällt. Dennoch, so nachhaltig das Gesamtsystem sei, meint Riekenberg, »umweltfreundlich ist das nicht«. Die Batterieflüssigkeit – die Jenaer Forscher setzten in ihrer »Nature«-Studie auf die kommerziell erwerblichen Polymere TEMPO und ein Viologen – sollte besser nicht ins Grundwasser geraten. Einige Viologen-Verbindungen können beispielsweise herbizid wirken. Die Wissenschaftler geben, etwas versteckt im Anhang ihrer Veröffentlichung, zu bedenken, dass erste Tests einen gewissen Einblick in die Toxizität gegeben haben, aber langfristige Ökotoxizitätstest und Tierversuche erforderlich seien, um die Auswirkungen der Polymere auf Wildtiere und Pflanzen vollständig zu bewerten.

Eher unwahrscheinlich ist ein Versickern der Flüssigkeit aus der Kaverne selbst. Die größere Gefahr, das zeigen die Erfahrungen mit der Erdöllagerung, lauert im Leitungssystem. 2013 führte beispielsweise ein Leck an einer Verteileranlage in Etzel in der Nähe von Wilhelmshaven zum Austritt von 40 Kubikmeter Rohöl. In Gronau traten an verschiedenen Stellen auf den Äckern bis zu 53 000 Liter Öl aus, nachdem eine Rohrleitung in der Erdölkaverne in 217 Meter Tiefe undicht wurde.

Jede Menge Forschung ist also noch nötig. Und womöglich schafft es ja am Ende eine ganz andere Elektrolytlösung in den Jemgumer Untergrund. »Es gibt ja noch viele andere Varianten«, sagt Riekenberg. Batterieforscher erproben beispielsweise Flüssigkeiten auf Basis von Lignin, einem der häufigsten Bestandteile von Holz, und auf Basis von Chinonen, die ebenfalls in Pflanzen vorkommen. »Diese Verfahren sind noch nicht so weit, aber wir beobachten diese.«

Auch beim aktuellen Zeitplan scheint noch Bewegungsspielraum gegeben. Ursprünglich war die Inbetriebnahme der Kavernen für 2023 geplant, inzwischen wurde sie auf 2025 verschoben. Doch Riekenberg reagiert relativ gelassen auf diese Frage. Bis zum nächsten wichtigen Meilenstein, der Bergwerkserprobung, könne es noch bis 2021 dauern. Aber er sei eben Berufsoptimist, denn »die Energiewende geht nicht ohne Speicher«.