Seit vielen Jahren wurden Perowskite als die Zukunft von Solarmodulen angekündigt, doch die Kommerzialisierung verläuft langsam, und nur wenige Hersteller sind bereit, Pilotlinien zu testen. In der Energiespeicherung entwickelt sich eine andere Technologie in die entgegengesetzte Richtung: Sobald Natrium-Ionen-Designs als Alternativen zu Lithiumbatterien vorgeschlagen wurden, begannen Hersteller mit dem Aufbau der Produktion und der Sicherung von Aufträgen.

„Es macht Spaß“, sagte Randy Selesky, Chief Commercial Officer bei ESS Inc. „Ich bin schon lange in diesem Markt tätig, und ich habe nicht gesehen, dass der Markt sich jemals so schnell für etwas begeistert hat.“

Für einen Markt, der früher am besten durch Blei-Säure-Batterien für das Leben ohne Netzanschluss veranschaulicht wurde, wird die heutige globale Energiespeicherbranche, Pumpspeicher ausgenommen, von Lithium dominiert und wächst schnell, da Versorger Batterien installieren, um Solar- und Windstrom vom Tag in die abendlichen Spitzenstunden zu verschieben. Innerhalb des Lithium-Segments hat sich Lithium-Eisenphosphat (LFP) zur am häufigsten installierten Chemie in Netzmaßstab- und Wohnanwendungen entwickelt und machte 2023 weltweit 80% der neuen Batteriespeicher aus — eine Chemie, die in den 1990er Jahren erstmals an der University of Texas at Austin entwickelt wurde, bevor die Fertigung in China skaliert wurde. Obwohl Lithiumbatterien das Wachstum der Branche vorangetrieben haben, bleiben einige ihrer Eigenschaften begrenzend.

Obwohl LFP-Batterien deutlich sicherer und weniger anfällig für thermisches Durchgehen sind als frühere Lithiumchemien, können manche Anwendungen ihr geringes Brandrisiko dennoch nicht akzeptieren. Lithiumbatterien funktionieren außerdem am besten in einem engen Temperaturbereich, und der zusätzliche Strombedarf für Kältemaschinen und Ventilatoren kann Projekte in bestimmten Regionen wirtschaftlich unattraktiv machen. Hinzu kommt, dass die Lithium-Lieferkette von China dominiert wird, was den Aufbau einer vollständig inländischen Energiespeicher-Lieferkette erschwert.

Natrium-Ionen ist keine neue Erfindung. Die Chemie wurde bereits in den 1980er Jahren in Forschungslabors untersucht, bevor der kommerzielle Erfolg von Lithium-Ionen sie an den Rand drängte, und blieb weitgehend ungenutzt, bis CATL, der weltweit größte Batteriehersteller, 2021 seine erste Generation von Natrium-Ionen-Zellen vorstellte. Seitdem sind Natrium-Ionen-Packs in die Serienproduktion kleiner Elektroautos für den Stadtverkehr in China gelangt, darunter Modelle des Autoherstellers JAC.

Natrium-Ionen bietet eine Alternative. Aus Natrium hergestellt — einem ungiftigen Element, das zu den häufigsten in der Erdkruste gehört und ein Hauptbestandteil von Kochsalz ist — können Natriumbatterien ähnlich wie Lithiumbatterien mit Zellen, Modulen und Endsystemen gleicher Größe hergestellt werden. Sie arbeiten zudem in einem breiten Temperaturbereich von -40°F bis 140°F ohne Leistungsabfall, wodurch HVAC-Systeme überflüssig werden. Und da sie nicht auf kritische Mineralien angewiesen sind, könnte die Fertigung von Natriumbatterien theoretisch in den Vereinigten Staaten, Europa, Australien oder anderswo angesiedelt werden.

Anfang dieses Jahres schätzte Morgan Stanley Research, dass Natrium-Ionen-Batterien im Jahr 2027 einen Marktanteil von 2% nach Installation erreichen würden, bis 2030 jedoch auf 20% und bis 2035 auf 37% steigen könnten. Zwei Chemien — Natriumchromoxid (NCO) und Natrium-Eisenphosphat-Pyrophosphat (NFPP) — setzen sich offenbar durch und dürften den Markt in das nächste Jahrzehnt führen. NCO bietet eine höhere Energiedichte, während NFPP günstiger zu produzieren ist, aber beide seien eine geeignete Alternative zu Lithium, sagte Darren Tan, Mitgründer und CEO des Natriumzellen-Entwicklers Unigrid. Natrium-Ionen-Zellen speichern in der Regel weniger Energie pro Gewicht als Lithiumchemien, eine Einschränkung, die vor allem bei Elektrofahrzeugen wichtig ist und bei stationären Speichern am wenigsten ins Gewicht fällt — ein Grund, warum Netzmaßstab-Systeme das erste große Ziel der Technologie sind.

„Neue Technologien dienen immer dazu, neue Märkte oder neue Anwendungen zu eröffnen“, sagte Tan. „Wenn wir auf Kunden treffen, die LFP bereits für ihre Anwendungen nutzen, sagen wir ihnen, dass sie großartige Arbeit leisten und so weitermachen sollten — außer sie haben bestimmte Herausforderungen wie zu wenig Leistung oder zu wenig Sicherheit, die Laufzeit ist zu kurz, sie müssen in Kälte oder extremer Hitze arbeiten. Dann treten wir ein, um diese Probleme zu lösen.“

Der Markt für Natrium-Ionen nimmt Gestalt an

Das Potenzial der Natrium-Ionen-Technologie hat Unternehmen aus allen Bereichen des Energiespeichermarkts angezogen. Der Pionier der Flow-Batterien ESS hat Interesse gezeigt und will im nächsten Jahr sein erstes Natrium-Design im Netzmaßstab vorstellen. Selesky sagte, der Schritt in Richtung Natrium sei kein Abschied von Langzeit-Flow-Batterien, sondern eine Ergänzung der Lithium-Alternativen des Unternehmens.

„Lithium macht immer noch 95% des Marktes in diesem Zwei- bis Acht-Stunden-Segment aus. Das ist das erste Produkt, das wir gesehen haben, das direkt mit den traditionellen Einsatzbereichen von Lithium-Ionen konkurrieren kann“, sagte er. „Wir sahen darin die Chance, 95% des Marktes anzugehen und dabei unsere 14-jährige [Erfahrung] mit Installation, Integration und laufender Wartungsunterstützung zu nutzen.“

Selesky sagte, ESS werde seine F&E in Richtung einer Flow-Batterie mit 16 bis 48 Stunden Entladezeit verlagern, weil es weiterhin viele Anwendungsfälle gebe, in denen Langzeitspeicher notwendig seien.

„Wir sehen darin die perfekte Gelegenheit, Iron-Flow neu aufzustellen“, sagte er. „Wenn man im Langzeitbereich tätig ist, schafft man einen Markt, und dieser Markt wird noch immer erst geschaffen. [Die Arbeit mit Natrium] gibt uns die Möglichkeit, auf das Schwungrad aufzuspringen und wirklich mit der Produktentwicklung durchzustarten.“

ESS wird in seinem 1.2-MWh-AC-Energiespeichersystem NFPP-Zellen des Start-ups Alsym verwenden. Alsym, ein in Boston ansässiger Entwickler von Natrium-Ionen-Zellen, produziert an der Ostküste eine kleine Menge, und ESS wird die Zellen an seinem Produktionsstandort in Oregon zum Energiespeichersystem „Bridge“ montieren.

„[NFPP] folgt denselben Eigenschaften, denen ESS seit seiner Gründung folgt — kein Brandrisiko und sicher“, sagte Selesky. „Unser erster Start ist 2027, und dann folgt ein zweiter Start, der die Energiedichte erhöht, Ende 2028. So schnell entwickelt sich diese Technologie. Ich kann schon jetzt sehen, was aus der F&E in drei Jahren herauskommen wird.“

Die Entwicklung geht so schnell voran, dass Peak Energy, ein 2023 gegründetes Unternehmen, bereits eine Fertigung im Multi-Gigawattstunden-Maßstab aufbaut. Das Unternehmen liegt auf Kurs, sein in Sacramento gefertigtes GS1-Speichersystem bis Mitte 2027 auszuliefern.

Brandon Kelly, Chief Scientist von Peak Energy, sagte, der schnelle Aufstieg des Unternehmens sei Teil des ursprünglichen Plans gewesen.

„Der Ansatz von Peak ist, schnell zum Produkt zu kommen, nicht 10 Jahre im Labor zu entwickeln und dann ein Produkt auf den Markt zu bringen und zu versuchen, einen Markt zu finden“, sagte er. „Es gibt eine starke Marktnachfrage, und es gibt eine Technologie, deren Grundchemie ein viel besseres Produkt ermöglicht, um diese Nachfrage zu bedienen — vom Produkt selbst über die Lieferkette bis zur Energiesicherheit hier in den USA.“

Das GS1 ist ein NFPP-System mit 3.1 MWh, das Kelly als „perfekt geeignet für Netzmaßstab-Speicher“ bezeichnete. Das zentrale Verkaufsargument von Peak Energy ist die passive Kühlung der Natriumbatterien, wodurch Kältemaschinen und Ventilatoren entfallen.

„[Bei Kältemaschinen] gibt es bewegliche Teile, Kältemittel, Kühlflüssigkeit, Filter, Ventilatoren, jede Menge Lärm. Es ist großartig, dass wir das können, und ich freue mich, dass es vieles ermöglicht. Aber das sind technische Workarounds, die wir bei Lithium anwenden müssen, damit es zur Anwendung passt“, sagte er. „Weil diese Version von Natrium-Ionen temperaturtoleranter ist, können wir sie einfach heißer werden lassen und trotzdem die Lebensdauer erreichen. Selbst in unserem passiven System liegen wir nach 20 Jahren noch bei 85% Gesundheitszustand. Lithium-Ionen liegt selbst mit Flüssigkeitskühlung bei rund 65%. Und bei Natrium gibt es keine beweglichen Teile, wodurch der Wartungsaufwand stark sinkt. Das ist eine schöne Einfachheit, die bereits auf der Ebene der Chemie ermöglicht wird.“

Spielraum im Wohnbereich

Während sich ein Großteil der Aufmerksamkeit im Energiespeichermarkt auf Netzmaßstab-Anwendungen richtet, kann auch der Wohnbereich von Natrium-Designs profitieren.

Unigrid, ein F&E-Unternehmen für Natrium-Ionen-Zellen, das an der University of California San Diego entstand, entwickelt die Technologie seit Beginn des Jahrzehnts. Das Unternehmen hat kürzlich eine Partnerschaft mit dem Hersteller Syntropic Power angekündigt, um NCO-Batterien in den Vereinigten Staaten zu produzieren.

„Es erfüllt alle Anforderungen. Es hat eine hervorragende Zyklenlebensdauer, hohe Sicherheit, hohe Leistung, gute Kosten“, sagte Tan über die NCO-Chemie. „Der einzige Nachteil ist, dass es in China nicht verfügbar ist, man kann es also nicht einfach am Markt kaufen. Wir arbeiten mit Gießereien zusammen, um diesen neuen Produktionsprozess zu entwickeln. Dass es nicht verfügbar ist, bedeutet auch, dass wir die Einzigen sein werden, die es liefern, und das ist einer unserer wichtigsten Vorteile.“

Unigrid testet eine NCO-Batterie. Quelle: Unigrid

Die Herstellung von Natrium-Ionen-Batterien ist der Produktion von Lithiumbatterien so ähnlich, dass viele der großen Lithiumanbieter — BYD, CATL und Hithium — bestehende Lithium-Fertigungslinien rasch für Natrium-Designs anpassen. Das bedeutet aber auch, dass sie sich stärker auf die Skalierung von Natrium-Batterien im Netzmaßstab konzentrieren, bei denen NFPP-Chemien typischerweise im Vordergrund stehen. Da Unigrid sich auf NCO-Chemie konzentriert, zielt das Unternehmen laut Tan auf den weniger umkämpften Bereich der Wohnspeicher.

„In China gibt es so etwas wie einen Wohnmarkt nicht, daher dominieren die großen chinesischen Akteure diesen Bereich nicht. Das ist auch der Grund, warum Wohnbatterien historisch unerschwinglich waren“, sagte er. „Bei Batteriespeichern im Versorgungsmaßstab wird um jeden Cent gekämpft, und dann gibt es [Wohnbatterien], die immer noch bei 10,000 $ und darüber liegen. Wir haben erkannt, dass dies für uns eine Gelegenheit ist, einzusteigen und den Status quo zu verändern. Natrium-Ionen ist ein Neustart.“

Unigrid hat einen Prototyp für eine Wohnbatterie entwickelt, die 9.25-kWh Na+Casa, die bei extremen Temperaturen ohne externe Kühlsysteme arbeiten kann und eine Zykluslebensdauer von über 10,000 Zyklen bei 100% Entladetiefe hat. Die 9.25-kWh-Kapazität wurde durch die derzeitigen Brandschutzvorschriften der National Fire Protection Association bestimmt, die mit der Entwicklung von Natrium-Ionen noch nicht Schritt gehalten haben. Natriumbatterien gelten weiterhin als Teil der Kategorie „alle anderen“ statt Blei, Lithium oder Flow und sind auf 10 kWh begrenzt.

Die 9.25-kWh-Kapazität eines einzelnen Geräts mag geringer sein als die heute im Wohnmarkt verfügbaren Lithium-Modelle mit 15 kWh, doch Tan sagte, Natriumbatterien hätten andere Vorteile und sollten dennoch in Betracht gezogen werden.

„Anders als bei Lithium-Ionen, wo ein großer Teil der Kosten auf Lithium und kritische Materialien entfällt, ist es bei Natrium-Ionen genau umgekehrt“, sagte Tan. „Die Rohstoffe für Natrium-Ionen sind extrem günstig, und der größte Teil [der Kosten] liegt in der Fertigung. Das bedeutet, dass das Potenzial, die Kosten von Natrium-Ionen zu senken, viel größer ist. Heute ist es noch teurer als Lithium-Ionen, aber ich erwarte, dass es in den nächsten fünf bis 10 Jahren sehr deutlich sinken wird.“

Natriumbatterie-Unternehmen setzen ihre Versprechen möglicherweise bereits um, doch bald könnten sie den Energiespeichermarkt regelrecht dominieren.