Batterietechnik

Salzpfanne Salar de Uyuni, Größe 10.585 km², Bolivien

Innovation

Batterietechnik

Haben Sie ein Handy? Dann haben auch Sie einen Lithium-Ionen-Akku. Wie viele Geräte mit Batterien haben Sie? 20? 50? 100? Die Geräte interessieren uns, aber die Batterien darin nie. Die sind einfach „dabei“.

Aber: die Batterietechnik ist jetzt eine Schlüsseltechnologie und eines der wichtigsten Forschungsfelder weltweit. Große Innovationssprünge zeichnen sich ab. Das wäre eine Revolution. Das wird viele Märkte völlig verändern.

weiter Batterietechnik

weiter Rohstoffe I

Lithium ist nicht nur knapp. Es ist begehrt, aufgrund der Energiedichte des Metalls sehr leistungsfähig und steht häufig in der Kritik. Die Batterieforschung sucht daher nach Alternativen, die Lithium, Kobalt und Co. ersetzen können.

Die Gewinnung von Lithium verbraucht viel Wasser, ist häufig nicht sehr umweltverträglich organisiert und die Arbeitsbedingungen vor allem in Südamerika sind unhaltbar. Muss das so sein? Sicherlich nicht.

Die berechtigte Kritik trifft weniger das Lithium oder die Batterietechnik, sondern die Art und Weise, wie dessen Gewinnung organisiert wird. Aufgrund der Knappheit des Rohstoffs Lithium und des gigantischen Bedarfs bei der weiteren Elektrifizierung der Welt, stellt sich die grundsätzliche Frage, welche Alternativen es zum Lithium gibt.

Die Alternativen müssen nicht nur preiswert sein, sondern auch in technischer Hinsicht gleichwertig oder - besser noch – noch besser sein. Die Hürde ist hoch und sie wird noch höher. Denn auch die Entwicklung der Lithiumtechnik bleibt nicht stehen. Die Lithium-Batterien werden immer leistungsfähiger und preiswerter.

Heiße Kandidaten als Lithiumersatz sind Elektrolyte aus Natrium und Magnesium. Natrium kennen Sie als Natriumchlorid – Kochsalz! Natrium ist preiswert und überall verfügbar. Leider speichert Natrium bei gleichem Gewicht weniger Energie als Lithium. Natrium-Batterien sind für die Elektromobilität kaum geeignet. Stationäre Natrium-Batterien können aber einen Lithium-Ionen-Akku ersetzen.

weiter Rohstoffe II

Magnesium als zweite Alternative ist preiswert in ausreichend großen Mengen verfügbar. In Form des Magnesiumminerals Dolomit gibt es ganze Gebirge mit einem hohen Anteil an Magnesium. Aber einfach wird es nicht.

Magnesium ist auch sehr leicht, was für Batterien in mobilen Anwendungen entscheidend ist. Und die Energiedichte? Ist überragend. Ein Magnesium-Ion ist zweifach positiv geladen, ein Lithium-Ion nur einfach positiv. Im Vergleich zu Lithium kann Magnesium bei gleichem Volumen fast doppelt so viel Energie speichern. Wo ist das Problem?

Magnesium ist deutlich komplexer und es ist schwieriger, die Ionen in Bewegung zu versetzen. Mit einigen Elektrolyten gelang dieses bei Temperaturen über 400 °C. Neueste Forschungen erreichen eine vergleichbare Leitfähigkeit bereits bei 70 °C – im Labor, nicht in der Praxis. Von einem funktionstüchtigen Prototyp ist man noch weit entfernt. Aber es ist ein erster Schritt in die richtige Richtung.

Es ist also noch ein weiter Weg aus dem Labor in die Serienproduktion. In nächster Zeit sind die Lithium-Ionen-Akkus kaum zu ersetzen. Immerhin werden schon die ersten Testzellen entwickelt. Die Hoffnung ist also berechtigt, dass es - eher langfristig als mittelfristig - echte Alternativen zum Lithium-Akku geben wird.

weiter Regelenergie

Je mehr schwankender Wind- und Solarstrom in das Netz eingespeist wird, desto größer ist der Bedarf, diese Schwankungen auszugleichen. Das erfordert im Grunde neue Netze mit Batterien als Kurzzeitspeicher, die das regeln.

atterien federn Lastspitzen ab und puffern überschüssigen Strom. Das nennt man Regelenergie. Weltweit sind über 700 Großspeicher in Betrieb. Der mit 150 MW größte Batteriespeicher steht in Hornsdale/Australien - ausgestattet mit Batterien von TESLA. Zwei weitere mit je 250 MW sind in Planung. Denn es ist ein Erfolg.

Die Reaktionszeit des Speichers liegt bei 0,14s und konnte die Kosten für Regelenergie um 90% gegenüber konventionellen Kraftwerken senken, da er sehr viel schneller und präziser auf Netzausfälle reagieren kann. In Deutschland waren 2019 bereits 46 Batteriekraftwerke mit einer Gesamtleistung von 166 MW installiert.

Batterien unterstützen die Versorgungssicherheit und entlasten unser Stromnetz. Auch mehr als 200.000 privat installierte Batteriespeicher – vorwiegend aus PV gespeist - bilden einen immer größeren Anteil an Speicherkapazität. Sie erhöhen den Eigenstromverbrauch und können gleichzeitig zu virtuellen Kraftwerken gebündelt werden. Schon heute leisten sie über 650 MW zw. 1.400 MWh in Deutschland.

Mit alten Leitungen bauen wir so im Grunde neue Netze.

weiter Infrastruktur

Bisher sind E-Autos teurer als vergleichbare Verbrenner. Die laufenden Kosten sind stets deutlich niedriger. Der höhere Anschaffungspreis liegt an den Kosten für die Batterie. Das wird sich ändern. Und nicht nur das.

Tesla will die Batteriekosten in den nächsten Jahren halbieren. Dann gibt es gar keinen Grund mehr, weiter einen Verbrenner zu fahren. Nicht mal einen wirtschaftlichen Grund.

Die Batterietechnik ist damit der Schlüssel für die Verkehrswende. Dieser Sektor hat bisher keinen relevanten Beitrag zur Senkung der CO₂-Emissionen geleistet. Das wird sich massiv verändern, wenn die Batteriekosten entsprechend sinken.

Elektromobilität ist ein Gesamtsystem, dass aus den Autos selbst, einer modernen Ladeinfrastruktur und einem internetbasierten Datennetz besteht. Daher hat Tesla eine eigene Ladeinfrastruktur und eine komplette Vernetzung aller Komponenten aufgebaut. Innovationen in der Batterietechnik betreffen damit nicht nur die Batterien selbst, sondern gerade auch die Hardware und Software der Ladeinfrastruktur. So lassen sich die Batterien der Autos auch als dezentrale Batteriespeicher zur Bereitstellung von Regelenergie zur Stabilisierung des Stromnetzes nutzen, wenn das Auto an eine intelligente Ladesäule in Ihrer Garage angeschlossen ist.

Über das Internet lassen sich Millionen dezentraler Batterien bedarfsgerecht koordinieren. Schon bei 4 Millionen E-Autos mit einer relativ kleinen 42 kWh-Batterie an intelligenten Ladestationen ergäbe das rechnerisch eine Speicherkapazität von 168 GWh. Das entspricht aktuell der Regelenergie in Deutschland für einen ganzen Tag. Diese brauchen wir so nie, bezahlen sie aber. Diese Kosten betragen ca. 40 % des Netzentgeltes. Das könnte man sich sparen. Und stationäre Batteriespeicher auch.

Zukunftsmusik? Tesla testet dieses System bereits in mehreren Ländern. Die Zukunft ist näher als man denkt.

weiter Lebensdauer

Wie lange hält eine Batterie? Tesla gibt auf die Batterie eine Garantie von 160.000 km. Erste Erfahrungswerte zeigen, dass bei einer Laufleistung von 500.000 km die Ladeleistung noch bei rund 90% des Ausgangswerts liegt.

Einzelne Fahrzeuge sind mittlerweile über 800.000 km mit der ersten Batterie (Ladeleistung noch ca. 80%) unterwegs. Der Unterschied zu Ihren eigenen Erfahrungen mit Ihrem Handy-Akku sollte den Innovationssprung deutlich zeigen.

Aber was kommt danach? Gebrauchte Batterien kann man noch Jahre lang in einem stationären Speicher nutzen, bevor sie recycelt werden. Ein solcher Speicher befindet sich in Lünen, wo alte Batterien aus Smart-Autos gebündelt wurden.

Und danach? Die in den Batterien verwendeten Rohstoffe werden ja nicht „schlecht". Sie können stets recycelt und in der Produktion neuer Batterien verwendet werden. Anders als beim Handy bleiben die alten Akkus auch nicht in der Schublade des Kunden ewig liegen und landen auch nicht illegal in der Reststoff-Tonne. Hier lässt sich eine Kreislaufwirtschaft relativ einfach organisieren.

Dabei darf man eines nicht vergessen. Elektromobilität ist nur dann klimafreundlich, wenn der Strom aus erneuerbaren Energien stammt. Das gilt für den Ladestrom der E-Autos und – wie bei Tesla - auch für den Strom für die Produktion der Batterien.