Kürzlich wurde in Nanning, Guangxi, Chinas erstes Natriumionen-Batteriespeicherkraftwerk mit hoher Kapazität – das Volin-Natriumionen-Batteriespeicherkraftwerk – in Betrieb genommen. Es handelt sich dabei um das Demonstrationsprojekt der ersten Phase des nationalen Schlüsselprogramms für Forschung und Entwicklung „100-Megawattstunden-Natriumionen-Batteriespeichertechnologie“ mit einer installierten Leistung von 2,5 Megawatt/10 Megawattstunden.
Das Kraftwerk wird von der Guangxi Power Grid Company, einem Tochterunternehmen von Southern Power Grid, investiert und errichtet. Die erste Phase hat eine Kapazität von 10 MWh. Das Gesamtprojekt wird eine Kapazität von 100 MWh erreichen und jährlich 73 Millionen Kilowattstunden sauberen Strom erzeugen. Dadurch werden die Kohlendioxidemissionen um 50.000 Tonnen reduziert und der Strombedarf von 35.000 Haushalten gedeckt.
Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien bieten Natrium-Ionen-Batterien deutliche Vorteile hinsichtlich der Rohstoffvorkommen, der einfachen Gewinnung, der geringen Kosten und der besseren Leistung bei niedrigen Temperaturen, insbesondere bei der großtechnischen Energiespeicherung. „Natrium-Ionen-Batterien befinden sich noch in der Entwicklungsphase. Die Kosten können um 20 bis 30 % gesenkt werden. Durch die Optimierung von Batteriestruktur und -prozessen, die Verbesserung der Materialausnutzung und die Erhöhung der Zyklenlebensdauer lassen sich die Stromgestehungskosten auf 0,2 Yuan/kWh senken. Dies ist ein wichtiger technologischer Schritt zur Förderung der wirtschaftlichen Anwendung neuer Speichertechnologien“, erklärte Chen Man, stellvertretender Generalsekretär des Nationalen Technischen Komitees für elektrische Energiespeicherung und technischer Experte auf strategischer Ebene des Southern Power Grid.
Obwohl Chinas Arbeit in den Bereichen Forschung und Entwicklung, Produktion, Standardisierung, Marktförderung und Anwendung von Natriumionenbatterien auf Hochtouren läuft, gibt es international kein Präzedenzfall für die Anwendung der Natriumionenbatterietechnologie in Kraftwerken mit hoher Energiespeicherkapazität.
Im November 2022 startete die Guangxi Power Grid Company gemeinsam mit der South Grid Energy Storage Company, dem Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Zhongkehai Sodium Technology Co., Ltd. und weiteren Projektpartnern offiziell das Forschungsprojekt „Integrationstechnologie und Anwendungsdemonstration eines 100-Megawattstunden-Natriumionen-Batteriespeichersystems“ im Rahmen des nationalen Schlüsselprogramms für Forschung und Entwicklung. „Wir konzentrieren uns auf die Herstellung von Hochleistungs-Elektrokernen, die Systemintegration sowie die Sicherheitsvorkehrungen und -kontrollen und forschen an weiteren Schlüsseltechnologien. Dabei sichern wir uns unabhängige Schutzrechte an der Natriumionen-Batterieherstellungs- und Systemintegrationstechnologie“, erklärte Projektleiter Gao Lik, stellvertretender Direktor der Innovationsabteilung der South China Grid Guangxi Grid Company.
Die Hochleistungsbatteriezelle ist die Basiseinheit des gesamten Natriumionen-Energiespeichersystems. Nach anderthalb Jahren Forschung entwickelte das Projektteam die weltweit erste langlebige, breitbandige und hochsichere 210-Ah-Natriumionen-Energiespeicherbatterie. „Unsere Natriumionenbatterie zeichnet sich durch einen breiten Betriebstemperaturbereich, schnelles Laden und hohe Multiplizität aus und kann in nur 12 Minuten auf 90 % aufgeladen werden“, so Hu Yongsheng, Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.
Als wichtigster technischer Partner des Projekts verfügt das Forschungsinstitut für Energiespeicherung der SouthGrid Energy Storage Company über umfangreiche Forschungserfahrung im Bereich der Integration von Lithium-Ionen-Batteriespeichersystemen sowie deren Sicherheitsvorkehrungen und -kontrollmaßnahmen. Es ist zudem am nationalen Schlüsselprogramm für Forschung und Entwicklung „Anwendung von Sicherheitstechnologien über den gesamten Lebenszyklus von Lithium-Ionen-Batteriespeichersystemen“ beteiligt. „Obwohl die Reaktionsprinzipien von Natrium- und Lithiumbatterien ähnlich sind, stellt die Entwicklung eines vollständigen Energiespeichersystems, das die Lade- und Entladeeigenschaften von Natriumbatterien vereint, eine große Herausforderung dar“, erklärte Li Yongqi, technischer Experte der SouthGrid Energy Storage Company, sichtlich bewegt.
Am Beispiel der Systemintegration lässt sich zeigen, dass das Projektteam eine innovative, verteilte Energiespeicherarchitektur auf Basis der Hochspannung von Natrium-Ionen-Batterien einsetzt. Das Gesamtsystem integriert 88 modulare Konverter und realisiert eine „Eins-zu-eins-Zuordnung“ zu den Batterieclustern. Im Vergleich dazu benötigt die herkömmliche verteilte Architektur von Lithium-Ionen-Energiespeichersystemen lediglich gut 40 Konverter. Die Verdopplung der Konverteranzahl dient unmittelbar der Steigerung der verfügbaren Kapazität und des Wirkungsgrads der Energieumwandlung. Der Gesamtwirkungsgrad dieses Natrium-Batterie-Energiespeichersystems liegt bei über 92 %, während Lithium-Batterien üblicherweise unter 90 % liegen. Es wird erwartet, dass dieses System Lithium-Batterien ergänzen und effektiv ersetzen kann und in großtechnischen elektrochemischen Energiespeichern, Elektrofahrzeugen, Baumaschinen und anderen Bereichen Anwendung findet.
Im Hinblick auf Sicherheitsvorkehrungen und -maßnahmen hat das Team eine Wärmemanagementstrategie für das Flüssigkeitskühlsystem sowie ein komplettes Set an Brandschutz- und Brandbekämpfungstechnologien für das Natriumionen-Batterie-Energiespeichersystem entwickelt, wie z. B. eine thermische Barriere auf Modulebene und eine hocheffiziente Feuerlöschanlage.
Die Temperaturdifferenz zwischen den über 22.000 Natrium-Batteriezellen im Gesamtsystem wird auf unter 3 Grad Celsius begrenzt. Dies wird durch die Verwendung von Wärmeableitung und einer thermischen Durchgehbarriere erreicht.Glasfaser-AerogeldeckeAls thermisches Barrierematerial zwischen dem elektrischen Kern verlängert sich die Ausbreitungszeit des thermischen Durchgehens des Batteriemonomers von 30 Minuten auf 2 Stunden, was die Sicherheit des Batteriemoduls erheblich verbessert.
Das Team entwickelte eine Technologie zur effizienten Brandbekämpfung, Kühlung und Verhinderung der Wiederentzündung mit flüssigem Stickstoff. Diese Technologie kann einen anfänglichen Batteriebrand innerhalb von 5 Sekunden löschen und 24 Stunden lang ohne Wiederentzündung oder Explosion gewährleisten. „Die derzeitigen Lithium- und Natrium-Energiespeichertechnologien verbessern sich gegenseitig in ihren Eigenschaften. Dieses System zur Entwicklung und praktischen Anwendung einer effizienten Technologie zur Brandbekämpfung, Kühlung und Verhinderung der Wiederentzündung mit flüssigem Stickstoff für Natrium-Ionen-Batteriespeichersysteme nutzt die Sicherheitstechnologie für den Lebenszyklus von Lithium-Ionen-Batteriespeichersystemen und synchronisiert Lithium-Natrium-Energiespeichersysteme – eine erstmalige Anwendung in der Praxis“, sagte LiYongQi.
Am 28. Januar 2024 gaben Jiang Jianchun, Akademiemitglied der Chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften, Cheng Shijie, Akademiemitglied Zhang Yue, Sun Jinhua, Akademiemitglied der Europäischen Akademie der Wissenschaften, und weitere Experten des Bewertungsausschusses des Chinesischen Maschinenbauverbandes eine Überprüfung der Projektergebnisse bekannt: Die Gesamttechnologie des vom Projektteam entwickelten „10-MWh-Natriumionenbatterie-Energiespeichersystems für elektrische Energiespeicherkraftwerke“ ist international führend.
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Veröffentlichungsdatum: 23. Mai 2024