Energiespeicher für Effizienz und Nachhaltigkeit

Aktuelle Innovationen in der Batterieentwicklung

Der Aufschwung der erneuerbaren Energien, das omnipräsente Thema Nachhaltigkeit, aber auch die Umstellung der Autoindustrie von Verbrennungs- auf Elektroantrieb machen die Batterieentwicklung und deren Speicherkapazitäten so wichtig wie nie. Hinzu kommen die rasant steigenden Energiekosten: Diese tun ihr Übriges, um die Entwicklungen voranzutreiben. In der Batterietechnologie zeichnen sich regelrechte Sprünge ab – hin zu kleineren, leichteren und dichteren Batterien.

Das BMWi bezeichnet Batterietechnologie sogar als Schlüsseltechnologie, die mit sehr hohen Wertschöpfungseffekten für die Volkswirtschaft verbunden ist. Deren Beherrschung und Anwendung in großem Maßstab ist demnach eine wesentliche Voraussetzung für den Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit von Deutschland und Europa.

Akkus: Neues aus der Autoindustrie

Mercedes präsentiert mit dem Forschungsfahrzeug Vision EQXX das jüngste Beispiel an Innovation. Die dafür neu entwickelte Batterie speichert fast die gleiche Energiemenge wie der Akku des Vorgängers, obwohl sie 50 Prozent kleiner und 30 Prozent leichter ist. Das Batteriemanagementsystem und die Leistungselektronik wurden auf bestmögliche Reduzierung von Verlusten ausgelegt. Die Anoden-Chemie mit höherem Siliziumgehalt bringt eine höhere Energiedichte.

Zudem ist die Erprobung von 900-Volt-Technologie vorgesehen. Ein aktives „Zellbalancing“ sorgt dafür, dass die Energie gleichmäßig aus den Zellen zu den Spulen fließt.

Das ist nur ein Beispiel für die massiven Technologiesprünge im E-Auto-Bereich. Auch andere Hersteller wie etwa BMW mit ihrem neuen Kompetenzzentrum haben sich wichtige Ziele gesetzt: Die Batterien der Zukunft sollten eine längere Lebensdauer vorweisen und mehr Sicherheit bieten. Kürzere Ladezeiten freuen Verbraucher ebenso wie geringere Kosten für die hochtechnologisierten Akkus. Auch wenn sich die Forschung in Deutschland immer stärker auf die Verbesserung von Batterien für E-Autos konzentriert, kommen Batteriezellen und Akkus doch in zahlreichen Geräten zum Einsatz. Hierzulande wird in verschiedenen Initiativen bereits an der Entwicklung einer Superbatterie gearbeitet. Dabei setzen die Forschenden auf Alternativen zu Lithium.

Problem Rohstoffförderung

Ein großes Problem stellt die Rohstoffförderung dar: Der Bedarf steige schneller, als die Kapazitäten in der Förderung wachsen, erklärt Matthias Wachter vom Bundesverband der Deutschen Industrie gegenüber ZEIT ONLINE. Deutschland ist bei der Herstellung der Batterien auf Auslandsimporte angewiesen. Wichtig sind vor allem Lithium, Mangan, Grafit und Kobalt. Die Wissenschaftler sind stets auf der Suche nach neuen Technologien und setzen auf den verstärkten Einsatz von Kobalt. Auch Magnesium-Schwefel-Zellen können eine Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien sein. Ihr Vorteil liegt in der höheren Leistungsfähigkeit, jedoch verfügen sie über eine geringere Zahl von Ladezyklen.

Umweltfreundliche Materialien auf dem Vormarsch

Die Chemikerin Birgit Esser von der Universität Freiburg hat gemeinsam mit dem Batterieforschungszentrum der Universität Münster bewiesen, dass bei der Herstellung von Akkus auf schädliche Inhaltsstoffe verzichtet werden kann. Die von ihnen entwickelte innovative Batterie ist umweltfreundlich, biegbar und lässt sich in nur drei Minuten laden – und das bis zu 10.000-mal hintereinander. Auf schädliche Inhaltsstoffe wurde komplett verzichtet: Sie enthält weder Nickel noch Kobalt oder Schwermetalle, sondern ist aus dem Kunststoff Polyvinylphenothiazin hergestellt, der mit Ruß beschichtet ist. Zusätzlicher Pluspunkt der Batterie ist ihre geringe Größe, da sie nicht größer als ein 10-Cent-Stück ist. Durch ihre Dünne und Biegsamkeit eignet sich die Batterie für die Integration in intelligente Kleidung und Smartphones.

Batteriespeicher: Wie steht es um die Sicherheit?

Brände von Lithium-Ionen-Batterien und andere Sicherheitsprobleme erweisen sich zunehmend als eines der größten Hemmnisse für eine elektrifizierte Zukunft. Man denke etwa an explodierende Smartphone-Akkus, die für ernsthafte Verletzungen sorgen können.

Aber auch hier hat sich einiges getan. Dieses Jahr hat etwa Nanotech Energy den CES Innovation Award 2022 für seine nicht entflammbaren Lithium-Ionen-Batterien mit Graphen-basierten Elektroden erhalten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien behalten die Batterien von Nanotech Energy auch bei extremen Temperaturen und Witterungsbedingungen (–40 °C bis +50 °C) ihre Funktionsfähigkeit und verkürzen die Ladezeiten erheblich, wobei es Optionen für nachhaltigere Modelle gibt, die sich leicht recyceln lassen. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien entzünden sich bei Penetrationstests sofort und können extreme Temperaturen von fast +750 °C erreichen. Bei den Batterien von Nanotech Energy entstehen ein paar Rauchschwaden mit einer maximalen Temperatur von +100 °C, aber sie können sich weder entzünden noch brennen.

Redox-Flow: Energiegroßspeicher der Zukunft

Wer Energiespeicher im größeren Maßstab nutzen möchte, stößt auf die Redox-Flow-Technologie. Die Flüssigbatterien bestehen aus zwei miteinander verbundenen Tanks mit getrennten Kreisläufen. Diese enthalten die energiespeichernden Elektrolytlösungen. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien lassen sich so große Energiemengen von bis zu einigen Gigawattstunden Strom generieren. Redox-Flow-Batterien punkten zudem mit einer guten Recyclingfähigkeit: Das enthaltene Vanadium kann zu neuem Elektrolyt werden. Die Lebensdauer beläuft sich somit auf rund 15 bis 20 Jahre.

Diese externen Energiespeicher sind eine relativ junge Technologie. Die aufwendige Konstruktion hat einen hohen Platzbedarf – für kleine Verbraucher eignet sie sich nicht. Vielversprechend ist das Speichermedium hingegen für den stationären Einsatz im Industriebereich: in der Elektromobilität, zur Energieversorgung von Industriegebieten, Dörfern oder sogar ganzen Städten. Auch als Reservequelle für Solar- und Windenergie oder als Notstromspeicher werden Redox-Flow-Batterien erprobt. Umweltfreundlich, zyklenfest, nicht enzündlich und explosionssicher – doch die Technologie birgt auch Nachteile. Sie basiert meist auf dem kostenintensiven Vanadium, ein Schwermetall und somit kritischer Rohstoff. Um die Umweltfreundlichkeit der stationären Energiespeicher zu steigern, sucht die Forschung derzeit nach innovativen Speichermaterialien und einem effektiven Zelldesign.

Kann eine Solar-Batterie ein Kohlekraftwerk ersetzen?

Das weltweit größte solarbetriebene Batterie-Energiespeichersystem ging 2021 in Florida in Betrieb. Die Anlage soll eine Leistung von 409 MW haben und 900 MWh Strom liefern: Genug, um 329.000 Haushalte mehr als zwei Stunden lang zu versorgen. Die Batterie wird vom bestehenden Manatee Solar Energy Center aufgeladen und erhöht die Vorhersehbarkeit der Solarenergie. Eine Giga-Solaranlage vor Ort speist schließlich die Batterien. Die Batterieanlage soll in Zeiten hoher Solarstromerzeugung stabil laufen und Verbraucher mit versorgen, auch wenn die Sonne nicht scheint. Damit könnte die Anlage als Erste ihrer Art Kohlekraftwerke ersetzen.

2,9 Milliarden Förderung für die Akkus der Zukunft

Bereits 2019 wurde ein von Frankreich koordiniertes Vorhaben von gemeinsamem europäischem Interesse („IPCEI“) genehmigt. 2021 folgte die Genehmigung des von Deutschland koordinierten zweiten wichtigen IPCEI Projekts, um Forschung und Innovation in der Wertschöpfungskette von Batterien zu unterstützen. Davon profitieren erneut mehrere deutsche und in Deutschland ansässige Unternehmen. Für den hiesigen Forschungsstandort bedeutet das einen großen Erfolg. Das Projekt mit dem Namen „European Battery Innovation“ sieht vor, dass zwölf Mitgliedstaaten der EU in den kommenden Jahren Mittel in Höhe von bis zu 2,9 Milliarden Euro bereitstellen werden. Die 42 beteiligten Unternehmen werden in fast 300 geplanten Kooperationen und mit über 150 externen Partnern wie Universitäten, Forschungseinrichtungen und KMU in ganz Europa eng zusammenarbeiten, so die EU-Kommission in ihrer Mitteilung.

Welche Unternehmen gefördert wurden und woran sie arbeiten

2022 wurden vom Haushaltsausschuss des Deutschen Bundestages beispielsweise Bundesmittel in Höhe von 20 Millionen Euro für ein Forschungsvorhaben im Bereich der Batterietechnologie von SAX Power beschlossen. Gemeinsam mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und der Universität Ulm erhalten sie den zweistelligen Millionenbetrag, um Forschung und Weiterentwicklung von innovativen Batteriespeichern entscheidend voranzutreiben.

ACI Systems arbeitet an einem wasserneutralen und wettbewerbsfähigen Verfahren, um mit minimalem CO2-Fußabdruck Lithium aus Sole herzustellen.

Alumina Systems entwickelt Batteriezellen auf Basis der Na/NiCl2-Technologie und pilotiert ihre Fertigung.

BMW – bereits im ersten Batterie-IPCEI gefördert – will im Rahmen des zweiten IPCEI die Li-Ion-Zellen der „übernächsten Generation“, darunter auch Solid-State-Batterien, entwickeln.

Das Projekt der Cellforce Group umfasst die Entwicklung von zukunftsfähigen Hochleistungsbatteriezellen in einer hervorragenden Qualität.

Der Automatisierungsspezialist Manz will in dem Projekt „Lithium-Batteriefabrik der Zukunft“ hocheffiziente Maschinen und Prozesse zur vollautomatischen Herstellung von Lithiumbatterien entwickeln.

Northvolt plant die Entwicklung einer wettbewerbsfähigen europäischen Wertschöpfungskette für Batterien zu unterstützen – die Schweden prüfen offenbar, neben dem Projekt mit Volkswagen in Salzgitter eine weitere Batteriefabrik in Deutschland zu bauen.

Welche Rolle werden Akkus für Unternehmen spielen?

Die deutsche Technologie macht mittlerweile auch China Konkurrenz. Am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) hat das Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion (ZDB) eröffnet. Zusammen mit dem Industriepartner VARTA AG arbeiten Forschende hier an innovativen Lösungen. Mit vereinten Kräften wollen sie die Konkurrenz aus Asien überholen. Der Schlüssel zum Erfolg sei Experten zufolge die Digitalisierung der Batteriezellenproduktion. Effizientere Technologien bieten Unternehmen damit lukrative Möglichkeiten, um ihren Energiebedarf nicht nur nachhaltig, sondern auch kostengünstig zu decken. Betrachtet man die rasche Entwicklung und die Sprünge der Innovationen, sieht die Zukunft vielversprechend aus.