Batteriespeicher fungieren als Kurzzeitspeicher und speichern den Strom durch erzwungene elektrochemische Reaktionen. Sie können schnell Leistung zur Verfügung stellen, um kurzfristige Schwankungen im Stromnetz auszugleichen. Je nach stationär installierter Kapazität lassen sich folgende Speicher voneinander unterscheiden:
- Heimspeicher (< 30 Kilowattstunden (kWh)),
- Gewerbespeicher (30 kWh bis 1 Megawattstunde (MWh)) sowie
- Großbatteriespeicher (> 1 MWh).
Die gesamtheitlich installierte Kapazität in Deutschland entfällt derzeit überwiegend auf kleine Heimspeicher, die oftmals in Verbindung mit PV-Anlagen installiert werden. Bislang entfalten diese nur selten einen systemischen Nutzen oder eine netzentlastende Wirkung, weil oftmals lediglich die Erhöhung des Autarkiegrads oder Eigenverbrauchsanteils im Vordergrund steht.
Alle Batteriespeicher bestehen im Kern aus Batteriezellen, die elektrisch miteinander zu Modulen verbunden werden. Die Module wiederum werden so zusammengesetzt, dass die angestrebten Leistungs- und Kapazitätskenndaten erreicht werden. Die einzelnen Zellen bestehen dabei aus zwei Elektroden, einem Elektrolyten und gegebenenfalls einer Membran als Separator. Im Elektrolyten findet ein Ionentransport statt, während gleichzeitig ein elektrischer Strom durch Verbindungskabel zwischen den Elektroden fließt.
Blei-Säure-Batterien sind bereits seit vielen Jahrzenten etabliert und technisch ausgereift, werden aber zunehmend in ihren Anwendungsfeldern durch Lithium-Ionen-Batterien verdrängt. Die Zellen bestehen aus bleihaltigen Elektroden und einem schwefelsäurehaltigen Elektrolyten. Die gravimetrische Energiedichte, also die nutzbare Energie bezogen auf das Gewicht der Batterie, fällt durch die hohe Atommasse des enthaltenen Bleis sehr gering aus. Dafür sind auch die Materialkosten und dementsprechend die Anschaffungskosten gering. Blei-Säure-Batterien weisen bei hohen Ladezuständen keine beschleunigte Alterung wie Lithium-Ionen-Batterien auf, wodurch sie gut zur Notfallversorgung geeignet sind. Allerdings ist die Zyklenstabilität gering ausgeprägt, was zu verkürzten Lebensdauern führen kann. Aufgrund der potenziell umwelt- und gesundheitsgefährdenden Inhaltsstoffe ist es wichtig, die Stoffkreisläufe der Batterien zu schließen. Das Recycling ist durch die weltweit lange Tradition als Starterbatterie etabliert und weist sehr hohe Sammel- und Verwertungsquoten auf.
Lithium-Ionen-Batterien haben sich durch technologische Fortschritte und eine beachtliche Preisdegression über die letzten Jahre stark verbreitet. Sie werden in allen Größenordnungen eingesetzt, vom kleinen Heimspeicher über Elektromobilität bis hin zu Großbatteriespeicherprojekten. Während in Deutschland nach wie vor kleine Heimspeicher einen Großteil der installierten Kapazität ausmachen, stieg der Anteil an Gewerbe- und Großspeichern kontinuierlich über die letzten zwei Jahre.
Die Zellen von Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einer negativen Elektrode, zumeist Graphit, und einer positiven Elektrode. Für die positive Elektrode kommen viele verschiedene Aktivmaterialien in Frage, jeweils mit spezifischen Vor- und Nachteilen. Die zwei gängigsten sind Lithium-Eisen-Phosphat und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid. Der flüssige Elektrolyt besteht aus organischen Lösungsmitteln mit Lithiumsalzen, wobei auch feste und auf Polymeren basierende Elektrolyte möglich sind. Bezüglich Energiedichte, Effizienz und Lebensdauer sind Lithium-Ionen-Batterien aktuell konkurrenzlos. Allerdings sorgt die Gewinnung der enthaltenen Metalle, wie Lithium und Kobalt, aufgrund umwelt- und menschenrechtlicher Auswirkungen wiederkehrend für öffentliche Diskurse. Kobalt wird dabei nur für ausgewählte Zellarchitekturen benötigt, in denen der Anteil des enthaltenen Kobalts bereits deutlich herabgesetzt wurde. Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien werden konzeptionell ohne Kobalt hergestellt. Den Lithiumbedarf können zukünftig auch Natrium-Ionen-Batterien als Alternative verringern. Sie befinden sich in einem früheren Entwicklungsstadium und sind erst allmählich kommerziell erhältlich. Die gravimetrische Energiedichte ist vergleichbar mit der von Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien.
Neben Lithium und Kobalt werden für Lithium-Ionen-Batterien noch weitere Rohstoffe, wie Kupfer, Aluminium, Nickel und Graphit, benötigt. Seltene Erden sind dagegen nicht enthalten. Die Gewinnung all der Rohstoffe ist mit großen Umweltauswirkungen in den Herkunftsländern verbunden. Die Einhaltung von Menschenrechts- und Umweltschutzstandards gestaltet sich aufgrund langer, undurchsichtiger globaler Lieferketten als schwierig. Um den Bedarf an Primärrohstoffen zu verringern ist es daher notwendig, die Wertstoffkreisläufe weitestmöglich zu schließen. Dabei sind vor dem Recycling und der Rückgewinnung einzelner Metalle die Weiternutzungs- und Reparaturpotenziale auszuschöpfen. Ausgediente funktionsfähige Lithium-Ionen-Batterien aus der Elektromobilität können beispielsweise als stationäre Energiespeicher dienen. Für dieses Anwendungsfeld ist die Energiedichte eine weniger kritische Größe als für mobile Anwendungen, da dadurch lediglich der selten limitierende Platzbedarf ansteigt. Dazu muss zuvor der Alterungszustand systematisch charakterisiert werden.
Redox-Flow-Batterien unterscheiden sich grundlegend von den zuvor genannten Konzepten. Es werden dabei zwei Elektrolyte in externen Tanks eingesetzt, die über Pumpen durch die Reaktionszellen zirkulieren. Die beiden Kreisläufe sind in den Zellen über ionenleitende Membranen kontaktiert, wodurch ein Ladungsausgleich stattfinden kann. Darüber hinaus ist das Aktivmaterial, welches beim Laden und Entladen elektrochemisch reagiert, nicht Bestandteil der Elektroden. Es liegt wie bei Brennstoffzellen gelöst im Elektrolyten vor und kann zum Beispiel aus metallischen Verbindungen von Vanadium, Eisen oder Zink bestehen. Auch organische und polymere Aktivmaterialien sind möglich. Die elektrochemischen Reaktionen laufen an den Elektrodenoberflächen ab. Über die Größe der Tanks kann die Kapazität variiert werden, über die Pumpgeschwindigkeit des Elektrolyten und die Elektrodenoberfläche die Leistung der Redox-Flow-Batterie. Das ermöglicht große Flexibilität bei der Auslegung, weist allerdings auch einen erhöhten Flächenanspruch auf. Die gravimetrische Energiedichte bei der Vanadium-Redox-Flow-Batterie fällt etwa um den Faktor 10 geringer aus als bei Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien. Insbesondere für große stationäre Anwendungen können Redox-Flow-Batterien allerdings perspektivisch eine Alternative darstellen. Sie ermöglichen kostengünstig höhere Kapazitäten mit längeren Ausspeicherzeiten als Lithium-Ionen-Batterien, sodass sie die Lücke zwischen Kurz- und Langzeitspeichern schließen können. Zudem lassen sich Redox-Flow-Batterien nach dem Ende ihrer Lebenszeit vergleichsweise leicht zerlegen. Der werthaltige Elektrolyt lässt sich entweder wiederaufbereiten, sofern die Wirtschaftlichkeit gegeben ist, oder thermisch verwerten. Die Zahl der in Deutschland installierten Redox-Flow-Batteriespeicher stieg zwar zuletzt an, vor allem durch Heimspeicher getrieben, wird aber von den installierten Lithium-Ionen-Batterien deutlich übertroffen.
