Elektrische Energiespeicher: Lithiumengpass vermeiden

Vortrag im Rahmen der Landshuter Energiegespräche zeigte, dass vor dem Hintergrund des steigenden Bedarfs an Energie und von Speichern Recycling und passende Alternativen für Lithium-Ionen-Batterien in den Fokus rücken werden.

Im abschließenden Vortrag der Landshuter Energiegespräche im Wintersemester 2023/24 befasste sich Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger (Technologiezentrum Energie der Hochschule Landshut) in seinem Vortrag „Elektrische Speichertechnik - Quo vadis?“ am 22. Januar 2024 mit aktuellen Entwicklungen und Trends der elektrischen Stromspeicherung. Dabei betonte er, dass gerade durch den Anstieg des Energiebedarfs und damit auch an Energiespeichern, Recycling und Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien von großer Bedeutung würden.

Nachhaltige Energiespeicher seien Basis für die Energiewende und eine zunehmende Autarkie bei der Versorgung mit regenerativer Energie, wie Hochschul-Vizepräsident Prof. Dr. Marcus Jautze in seiner Begrüßung erklärte. Gerade beim Thema nachhaltige Energieversorgung sei die Vernetzung von Forschung, Unternehmen und Gesellschaft wichtig. Umso mehr freute er sich, unter den rund 160 Anwesenden oder online zugeschalteten Teilnehmern, Vertreter aller Gruppen begrüßen zu können. Und mit dem Referenten des Vortrags, Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger, wissenschaftlicher Leiter des Technologiezentrums Energie, verfüge man an der Hochschule Landshut über einen der führenden Batterieexperten Deutschlands, wie Prof. Dr. Josef Hofmann, Sprecher des Forschungsbereichs Energie der Hochschule, ergänzte.  

Starke Entwicklung bei Lithium-Ionen-Zellen

Pettinger stellte aktuelle Entwicklungen in der Batterietechnik vor. Dabei betonte er, dass man sich am TZE sowohl mit Speichern für stationäre als auch mobile Anwendungen beschäftige. Er verdeutlichte an Demonstrationsobjekten von Fahrzeug-Batteriezellen im Rundzellformat – von den im ersten Tesla verbauten bis zum heutigen Entwicklungsstand – den enormen Fortschritt bei den Lithium-Ionen-Batterien. Die Energiedichte der Batterien sei in dieser Zeit bei zunehmender Größe auf das rund dreifache gestiegen. Begrenzt werde diese Entwicklung allerdings durch eine starke Hitzeentwicklung und eine damit verbundene Volumenerweiterung innerhalb der Batterien. So seien die größeren und stärkeren Batterien für einen gleichmäßigen und längeren Verbrauch geeignet und steigern die Reichweite von Elektrofahrzeugen. Für eine schnelle Abgabe von hohen Leistungen, wie z.B. im Rennsport, müsse man auf kleinere Batteriezellen setzen. 

Bei der Produktion von Batteriespeichern habe in Europa in den letzten Jahren ein Umdenken stattgefunden. Die Fertigungskapazität für Lithium-Ionen-Zellen lag in Europa im weltweiten Vergleich bei 12 Prozent im Jahr 2020 und wurde von China (56%) und den USA (20%) dominiert. Als Grund sieht Professor Pettinger unter anderem die hohen Investitionskosten. In Europa sollen nun neue Produktionsanlagen entstehen, in Deutschland sind allein mehr als acht Gigafactories geplant.

Lithium-Engpass droht

Allerdings verfügt Europa und gerade Deutschland für die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien nicht über die erforderlichen Rohstoffe und sei importabhängig. Die Gewinnung von Lithium erfolge oft unter fragwürdigen Bedingungen und betrachte man die Life-Cycle-CO2-Bilanz dieser Batteriezellen, stelle man fest: „So richtig grün sind sie nicht“, wie Professor Pettinger anmerkte. Fraglich ist auch die Rohstoffverfügbarkeit: Im Jahr 2023 sei gerade so viel Lithium gewonnen worden, wie benötigt. Der stark ansteigende Bedarf an Batteriespeichern – der Lithium-Ionen-Batteriemarkt werde von ca. 400 GWh auf 3-4 TWh bis 2035 ansteigen – führe zu einem Engpass und zu steigenden Preisen. Ebenfalls sei die Verfügbarkeit von weiteren Rohstoffen wie z.B. Kobalt, Mangan oder Graphiten nicht gesichert. Eine Lösung könne das „Recycling“ sein: 98 Prozent der Masse von Lithium-Ionen-Batterien könnte wiederverwertet werden. Auch ein Pfandsystem ist für Professor Pettinger denkbar. Recycling-Anlagen waren in Deutschland 2020 kaum vorhanden, einige seien jetzt in Planung. Auch hier habe ein Umdenken stattgefunden.

Natürlich stelle sich darüber hinaus die Frage, ob Lithium-Ionen-Akkus immer die geeignete Lösung darstellen und wo Lithium durch andere Elemente ersetzt werden kann. So könne Graphite oder auch Silizium anstelle von Lithium eingesetzt werden. Diese Materialien bieten ähnliche Energiedichten, allerdings sinken diese, wenn man sie in einem Modul verbaue. Die Herausforderung läge hier noch in der Cleverness des Modulbaus. Auch Festkörperbatterien seien eine Alternative, eine große Wette auf die Zukunft, wie es der Leiter des Clusters FestBatt, Professor Dr. Jürgen Janek, formuliert habe. Die Batterie sei von der Leistung ähnlich wie die Lithium-Ionen-Zellen, die Sicherheit nehme aber deutlich zu. In Deutschland würden etwa 2.400 Forscherinnen und Forscher an Festkörperzellen arbeiten, doch sei man sich noch nicht einig, was die vielversprechendste Technologie bzw. der beste Elektrolyt sei. Die Produzierbarkeit werfe noch Fragen auf und hier sei Entwicklungsarbeit absolut notwendig. Einen großen Durchbruch für Festkörperbatterien in den nächsten Monaten hält Prof. Dr. Pettinger eher für Illusion.

Großes Potenzial von Natrium-Ionen-Batterien

Parallel sieht er bei Natrium-Ionen-Batterien großes Potenzial. Das Element Lithium wird durch Natrium ersetzt, Nickel und Kobalt seien nicht enthalten. Mit organischen Elektrolyten seien auch höhere Spannungen realisierbar. Natrium ist leicht zugänglich und ubiquitär - das heißt auf der ganzen Welt verfügbar. Ersetze man in den Ableitern Kupfer durch billigeres Aluminium könnten die Natrium-Ionen-Batterie 30 Prozent billiger als eine Lithium-Ionen-Batterie sein. In Deutschland und Europa habe man die Entwicklungen bei diesem Batterietyp lange übersehen, erst als sie in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug verwendet wurden, sei man aufgeschreckt worden. Diese Batterie sei aber auch als Alternative für Heimspeicher interessant. 

Eine zusätzliche Möglichkeit seien auch die bislang sehr komplexen Redox-Flow-Systeme. Die Energie werde nicht in der Batteriezelle, sondern chemisch in Tanks gespeichert. Diese seien primär als Industriespeicher und nicht als Puffer geeignet. Abschließend hofft Prof. Dr. Pettinger auch bei den alternativen Batteriekonzepten auf eine ähnlich dynamische Entwicklung, wie sie bei den Lithium-Ionen-Batterien stattgefunden habe. Nur so und durch verstärktes Recycling seien die Rohstoffengpässe vermeidbar.

Die Landshuter Energiegespräche informieren über aktuelle Entwicklungen in den Bereichen Energietechnik, Energiewirtschaft und Energiepolitik. Veranstaltet werden sie vom Forschungsschwerpunkt Energie, dem Technologiezentrum Energie und dem Institut für Transfer und Zusammenarbeit der Hochschule Landshut, unterstützt werden sie durch die Partner Solarfreunde Moosburg, den Freundeskreis Maschinenbau der Hochschule sowie den Bund der Sebständigen in Bayern (BDS).Aktuelle Informationen zu den Landshuter Energiegesprächen unter www.haw-landshut.de/energiegespraeche.


Foto: Hochschule Landshut
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