Wie Batteriespeicher effizienter und nachhaltiger werden können
Stromspeicher sind für die Energiewende unersetzlich. Kritik gibt es am umweltschädlichen Abbau der Rohstoffe. Doch mit neuen Rohstoffen und Verfahren ließe sich der Bedarf nachhaltig decken.
SCHNELL GELESEN Der Bedarf an Speichern für Häuser oder E-Fahrzeuge wächst rasant. Rohstoffe für Batterien sind weltweit ausreichend vorhanden. Problematisch ist der umweltschädliche Rohstoffabbau in einigen Ländern. Viele Forschungsprogramme fördern daher einen nachhaltigen Abbau oder alternative Batteriekonzepte.
Ob im Elektroauto, als Heimspeicher oder für die Netzstabilität: Batteriespeicher sind eines der Schlüsselelemente für die Energiewende – mit steigender Tendenz: Die EU schätzt, dass die weltweite Nachfrage nach Batterien bis 2030 um das 14-fache steigen wird. 17 % dieser Nachfrage könnten auf die EU entfallen. Dies sei vor allem auf den Aufstieg der digitalen Wirtschaft, erneuerbare Energien und kohlenstoffarme Mobilität zurückzuführen.
Für eine Stromversorgung, basierend auf 100 % erneuerbarer Energie, sind dezentrale und zentrale stationäre Batteriespeicher in großem Umfang notwendig. Bis 2030 werden nach Berechnungen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme in Deutschland etwa 100 Gigawattstunden (GWh) an elektrischer Speicherkapazität benötigt, bis 2045 etwa 180 GWh. Ende 2022 gab es hierzulande erst rund 6 GWh.
Zusätzlich wächst der Markt für Elektroautos stark. Diese hatten im Jahr 2020 weltweit noch einen Anteil von 4 % am gesamten Automarkt. Nach Schätzung der Internationalen Energieagentur (IEA) steigt der Anteil in diesem Jahr auf 18 %. Bis 2030 könnten laut EU etwa 30 Mio. Elektrofahrzeuge auf europäischen Straßen unterwegs sein.
Passen der Ressourcenbedarf für Batteriespeicher und die weltweiten Rohstoffvorkommen zusammen?
Für die Batterien relevante Rohstoffe sind Kobalt, Lithium, Nickel, Mangan und Graphit. Problematisch ist nicht das weltweite Vorkommen: Nach einer Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) übersteigen sie den Bedarf. So liegen z.B. die weltweiten Lithiumressourcen bei 62 Mio. t, während Studien bis 2050 von einem kumulierten Lithiumbedarf von 14 bis 20 Mio. t ausgehen.
Zusätzlich könnten die in Europa verfügbaren Anlagen zum Batterierecycling ihr Volumen von derzeit 116.000 auf etwa 400.000 t pro Jahr bis zum Jahr 2030 erhöhen, zeigt der Report „Battery Monitor 2022“ der RWTH Aachen und der Unternehmensberatung Roland Berger.
Welche Risiken birgt der Rohstoffabbau für Batteriespeicher?
Kritisch gesehen wird dagegen der Rohstoffabbau: Bei der Gewinnung von Lithium aus Salzseen in Chile, Argentinien und Bolivien beispielsweise kommt es zur Verknappung der ohnehin schon sehr eingeschränkten Ressource Wasser.
Weiterhin führen Kritiker einen hohen Energieaufwand bei der Förderung, schlechte Arbeitsbedingungen sowie lange Transportwege rund um den Globus auf. Denn der Großteil des Lithiums wird in Australien, Argentinien und Chile abgebaut und zur Herstellung von Batterien nach China geliefert.
„Was gut für den Klimaschutz ist, darf nicht zu mehr Raubbau an der Natur und Schäden in der Umwelt führen. In der EU wollen wir Batterien künftig so nachhaltig wie möglich produzieren, lange nutzen und übers Recycling im Kreislauf weiterführen“, erklärte Bundesumweltministerin Steffi Lemke zur geplanten Batterieverordnung.
Damit will die EU ab dem Jahr 2024 ambitionierte Sammel- und Recyclingziele einführen. Zudem müssen Hersteller für Autobatterien den CO2-Fußabdruck ausweisen. Dazu kommt ein Batteriepass, mit dem Verbraucher auf einen Blick erkennen sollen, was für Batterien verbaut sind, wie sie hergestellt wurden und wie nachhaltig sie sind.
Wie wirkt sich der Ukrainekrieg auf die Lieferketten für Batteriespeicher aus?
Ein weiteres Problem sind Lieferengpässe aufgrund des Ukrainekriegs. Sowohl Russland als auch die Ukraine sind wichtige Lieferanten von Metallen wie Kupfer, Nickel, Platin, Palladium, Aluminium und Lithium, die für die Herstellung u.a. von Solarzellen, Windturbinen und Batterien für Elektrofahrzeuge nötig sind. Auf Russland kommen allein 7 % des weltweit geförderten Nickels. Zudem dominieren China und Russland die weltweite Vanadiumproduktion.
Nicht nur Batteriehersteller, sondern auch Stahlkonzerne, Energieversorger und neuerdings Automobilhersteller sichern sich zunehmend den direkten Zugang von Rohstoffen wie Lithium schon im Herkunftsland mit eigenen Minen oder Direktverträgen mit den Rohstoffförderern. Das verknappt das Angebot.
„2021 war das erste Jahr, in dem die Kosten für Li-Ionen-Batterien gestiegen sind. Grund waren ein Engpass bei Materialien wie Kobalt und Lithium sowie ihre sprunghaft angestiegene Nachfrage“, erklärt Stefan Freunberger, Assistenz-Professor am Institute of Science and Technology Austria.
Mit einer Vielzahl von Anstrengungen haben Politiker aus Brüssel und Berlin darauf reagiert und eine Menge Geld in Forschungsprogramme gepumpt. Diese betreffen:
Einen umweltschonenderen Abbau der Rohstoffe,
neue Batteriekonzepte,
den Weiterbetrieb von ausrangierten Fahrzeugbatterien und damit eine Verlängerung der Lebenszeit,
das Recyceln von Rohstoffen.
Wie kann die Batterieproduktion nachhaltiger werden?
Dass es Verbesserungspotenzial gibt, zeigt eine Berechnung des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT): Die Wissenschaftler haben einen CO2-Fußabdruck von 10,5 kg CO2-Äquivalent pro kg batteriefähigem Lithium ermittelt, einschließlich vorgelagerter Emissionen und Transport von Australien nach Deutschland. Schon mit dem Einsatz von 100 % erneuerbarem Strom ließe sich der Fußabdruck um 20 % verbessern.
Zudem gibt es Bestrebungen, die Umweltbedingungen zu verbessern: Beim herkömmlichen Lithiumabbau verdunstet Wasser, bis das Lithium übrigbleibt und aufbereitet werden kann. Anders bei der DLE-Methode (DLE = Direct Lithium Extraction): Dabei wird das Lithium extrahiert, ohne das Wasser zu verbrauchen. Chile will künftig voll auf diese nachhaltige Abbaumethode setzen.
Auch regional gewonnenes Lithium kann die Ökobilanz verbessern. In einigen Gegenden wie im Norddeutschen Becken oder im Oberrheingraben kommt Lithium in hoher Konzentration u.a. in Thermalwässern in einigen Kilometern Tiefe vor.
So können Geothermieanlagen, die heißes Wasser aus der Tiefe fördern, nicht nur Strom und Wärme produzieren, sondern nebenbei auch umweltverträgliches Lithium bereitstellen. Mit einem jährlichen Potenzial von 2.600 bis 4.700 t könnten diese Quellen den deutschen Li-Bedarf zu 2 bis 13 % decken.
Das Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) arbeitet u.a. daran, Lithium aus dem Wasser über ein Ionensieb zu gewinnen. Das Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken will dagegen Li aus Meerwasser absondern.
Den Rohstoffbedarf könnte ebenfalls eine längere Lebensdauer der Batterien senken. Im Forschungsprojekt SPARTACUS nutzen Forschende des Fraunhofer ISC unterschiedliche Sensoren, die den internen Status der Batteriezellen beobachten. Mit den Daten kann das Batteriemanagement-System Lade- und Entlade-Prozesse optimieren und die Belastung einzelner Zellen im Batteriemodul minimieren.
Welche Rohstoffalternativen gibt es für Batteriespeicher?
Die Wissenschaftler arbeiten zudem an neuen Konzepten, um die Rohstoffbasis zu verbreitern. Zwar sind viele dieser Projekte noch im Anfangsstadium, aber es zeigt, dass es künftig mehr als nur Lithium-Ionen geben wird:
Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat eine Flüssigmetall-Batterie entwickelt. Die Batterie besteht aus einem Nickelschwamm mit eingebettetem Lithium als Anode, einem keramischen Isolator und einer Salzmischung, die bei Betriebstemperatur flüssig ist. Beim Entladen gibt das Lithium Elektronen ab und löst sich im Salz. Beim Ladevorgang läuft dieser Prozess in umgekehrter Richtung ab, sodass der Nickelschwamm am Ende wieder mit metallischem Lithium gefüllt ist. Das Konzept hat laut Entwickler Kostenvorteile und lässt sich am Lebensende leicht recyceln.
Lithium-Luft-Batterien funktionieren wie herkömmliche Batterietypen, wobei die Reaktion von Lithium-Ionen mit Sauerstoff aus der Luft an der positiven Elektrode dazu dient, einen Stromfluss zu erzeugen. Diese Batterien haben den Vorteil, dass sie pro Kilogramm fast so viel Energie speichern können wie fossile Kraftstoffe.
Eine Festkörperbatterie ist eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie, die nicht mit einem flüssigen, sondern mit einem festen Elektrolyten arbeitet. Dieser soll für bessere Speichereigenschaften, längere Lebensdauern und erhöhte Sicherheit sorgen. Festkörperbatterien kommen ohne flüssige und brennbare Elektrolyten aus, ihre Chemie ermöglicht höhere Energiedichten sowie kürzere Ladezeiten. Zudem kann auf giftige und seltene Materialien wie Kobalt verzichtet werden, heißt es beim 2018 gestarteten Kompetenzcluster „FestBatt“.
Organic-SolidFlow-Batterien nutzen ähnlich wie Redox-Flow-Batterien anstelle von Metallionen Elektrolyte aus Kohlenstoffverbindungen. Die Elektrolyte werden in externen Tanks gespeichert und während des Lade- und Entladevorgangs in einem konstanten Fluss durch die Batterieeinheiten gepumpt. Damit soll eine effiziente, haltbare und nachhaltige Stromspeichertechnologie möglich werden. Nachteil: Die Batterien sind nur für große stationäre Stromspeicher-Anwendungen geeignet.
Umweltfreundlichkeit, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit werden mit wässrigen Zink-Ionen Batterien verbessert, verspricht Professor Fabio La Mantia, Leiter des Fachgebiets „Energiespeicher- und Energiewandlersysteme“ der Universität Bremen. Weil diese Technologie auf Wasser basiert, wird die Explosions- oder Brandgefahr eliminiert, die es teilweise bei Li-Ionen-Batterien gibt.
Vanadium-Redox-Flow-Batterien gelten als sicherer als Li-Ionen-Batterien, können 15 000- bis 20 000-mal geladen werden und haben eine lange Lebensdauer. Während die Technik in China breit angewendet wird, ist der Einsatz hier noch in weiter Ferne.
Beim Verbundvorhaben INNOBATT wollen die Beteiligten ein nachhaltiges und intelligentes Speichersystem auf Basis von Aluminium-Ionen entwickeln, das mit nicht entflammbaren Materialien arbeitet und auf kritische Rohstoffe verzichtet.
Natrium-Ionen-Batterien brauchen weder Kobalt noch teures Lithium. Natrium kommt in großen Mengen in Form von Kochsalz vor, etwa in den Weltmeeren. Diese Batterien lassen sich vollständig entladen, sind minutenschnell aufgeladen und überstehen einige 10 000 Lade- und Entladezyklen, ohne Schwächen zu zeigen. Bisher hapert es bei Batterien, die diesen Rohstoff nutzen, allerdings an den Produktionsmengen.
Eine Carnot-Batterie speichert Energie als Wärme in preisgünstigen Materialien wie Wasser, Stein oder in Form von Salzschmelzen. Bei Bedarf wird diese zum Beispiel durch Dampfturbinen in elektrische Energie, also Strom, zurückgewandelt. Die Universität Duisburg-Essen will diese Technik jetzt voranbringen.
Autobatterien haben nach Schätzung des Teilegroßhändlers für Fahrzeuge LKQ eine Lebensdauer von 10 bis 14 Jahren, bevor sie ausgemustert werden müssen. „Im Jahr 2030 erwarten wir europaweit rund 34 Millionen Hochvoltbatterien in batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen“, erklärt Christoph Schön, E-Mobility Innovation Manager bei LKQ Europe.
Eine mögliche Zweitverwertung („Second-Life“) ist der Einsatz als stationäre Batterie. Die Agentur für Erneuerbare Energien hat dazu das Projekt FluxLiCon mit Partnern aus Forschung und Wirtschaft gestartet. Ziel ist ein modularer Energiespeicher aus Second-Life-Batterien in Kombination mit einer Netzintegration für erneuerbare Energien. Das Fraunhofer ISI dagegen erwartet, dass nur ein Bruchteil der ausgemusterten Fahrzeugbatterien technisch noch so intakt ist, dass es ein zweites Leben erhält. Das Gros dagegen müsste recycelt werden.
Wie könnten die Rohstoffe in Batteriespeichern wiederverwertet werden?
Laut Fraunhofer ISI können Nickel und Kobalt zu über 90 % aus Altbatterien zurückgewonnen werden. Bei hohen Sammelquoten und Rückgewinnung von 25 bis 50 % könnte Lithium aus dem Batterierecycling den jährlichen Bedarf bis 2050 zu 10 bis 30 % decken. Momentan wird laut deutsch-kanadischem Unternehmen Rock Tech weltweit lediglich 1 % des Lithiums recycelt. Rock Tech will spätestens im Jahr 2030 bei der Herstellung von Lithiumhydroxid 50 % wiederaufbereitete Materialien aus Altbatterien verwenden.
Zum verstärkten Recycling könnte auch die EU-Batterieverordnung verpflichten: Ab 2031 gelten zusätzlich Rezyklat-Quoten für große Fahrzeug- und Industriebatterien bei Blei, Kobalt, Lithium und Nickel. Das Bundeswirtschaftsministerium fördert mit über 16 Mio. € die Entwicklung eines ganzheitlichen Recyclingansatzes für Lithium-Ionen-Batterien im Projekt „LiBinfinity“.
In anderen Ländern ist man bereits weiter: Das Unternehmen Ecobat baut seine dritte Lithium-Ionen-Batterie-Recyclinganlage und gleichzeitig die erste in Nordamerika. Das Werk in Casa Grande, Arizona, wird zunächst ca. 10 000 t recyceltes Material pro Jahr produzieren.
Die Auflistung zeigt: Die Batterie der Zukunft wird nicht unbedingt ein Lithium-Ionen-Akku sein. Und wenn, dann muss das Lithium nicht unbedingt unter schlechten Umweltbedingungen aus Südamerika gewonnen werden.
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SCHNELL GELESEN Der Bedarf an Speichern für Häuser oder E-Fahrzeuge wächst rasant. Rohstoffe für Batterien sind weltweit ausreichend vorhanden. Problematisch ist der umweltschädliche Rohstoffabbau in einigen Ländern. Viele Forschungsprogramme fördern daher einen nachhaltigen Abbau oder alternative Batteriekonzepte.
Ob im Elektroauto, als Heimspeicher oder für die Netzstabilität: Batteriespeicher sind eines der Schlüsselelemente für die Energiewende – mit steigender Tendenz: Die EU schätzt, dass die weltweite Nachfrage nach Batterien bis 2030 um das 14-fache steigen wird. 17 % dieser Nachfrage könnten auf die EU entfallen. Dies sei vor allem auf den Aufstieg der digitalen Wirtschaft, erneuerbare Energien und kohlenstoffarme Mobilität zurückzuführen.
Für eine Stromversorgung, basierend auf 100 % erneuerbarer Energie, sind dezentrale und zentrale stationäre Batteriespeicher in großem Umfang notwendig. Bis 2030 werden nach Berechnungen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme in Deutschland etwa 100 Gigawattstunden (GWh) an elektrischer Speicherkapazität benötigt, bis 2045 etwa 180 GWh. Ende 2022 gab es hierzulande erst rund 6 GWh.
Zusätzlich wächst der Markt für Elektroautos stark. Diese hatten im Jahr 2020 weltweit noch einen Anteil von 4 % am gesamten Automarkt. Nach Schätzung der Internationalen Energieagentur (IEA) steigt der Anteil in diesem Jahr auf 18 %. Bis 2030 könnten laut EU etwa 30 Mio. Elektrofahrzeuge auf europäischen Straßen unterwegs sein.
Passen der Ressourcenbedarf für Batteriespeicher und die weltweiten Rohstoffvorkommen zusammen?
Für die Batterien relevante Rohstoffe sind Kobalt, Lithium, Nickel, Mangan und Graphit. Problematisch ist nicht das weltweite Vorkommen: Nach einer Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) übersteigen sie den Bedarf. So liegen z.B. die weltweiten Lithiumressourcen bei 62 Mio. t, während Studien bis 2050 von einem kumulierten Lithiumbedarf von 14 bis 20 Mio. t ausgehen.
Zusätzlich könnten die in Europa verfügbaren Anlagen zum Batterierecycling ihr Volumen von derzeit 116.000 auf etwa 400.000 t pro Jahr bis zum Jahr 2030 erhöhen, zeigt der Report „Battery Monitor 2022“ der RWTH Aachen und der Unternehmensberatung Roland Berger.
Welche Risiken birgt der Rohstoffabbau für Batteriespeicher?
Kritisch gesehen wird dagegen der Rohstoffabbau: Bei der Gewinnung von Lithium aus Salzseen in Chile, Argentinien und Bolivien beispielsweise kommt es zur Verknappung der ohnehin schon sehr eingeschränkten Ressource Wasser.
Weiterhin führen Kritiker einen hohen Energieaufwand bei der Förderung, schlechte Arbeitsbedingungen sowie lange Transportwege rund um den Globus auf. Denn der Großteil des Lithiums wird in Australien, Argentinien und Chile abgebaut und zur Herstellung von Batterien nach China geliefert.
„Was gut für den Klimaschutz ist, darf nicht zu mehr Raubbau an der Natur und Schäden in der Umwelt führen. In der EU wollen wir Batterien künftig so nachhaltig wie möglich produzieren, lange nutzen und übers Recycling im Kreislauf weiterführen“, erklärte Bundesumweltministerin Steffi Lemke zur geplanten Batterieverordnung.
Damit will die EU ab dem Jahr 2024 ambitionierte Sammel- und Recyclingziele einführen. Zudem müssen Hersteller für Autobatterien den CO2-Fußabdruck ausweisen. Dazu kommt ein Batteriepass, mit dem Verbraucher auf einen Blick erkennen sollen, was für Batterien verbaut sind, wie sie hergestellt wurden und wie nachhaltig sie sind.
Wie wirkt sich der Ukrainekrieg auf die Lieferketten für Batteriespeicher aus?
Ein weiteres Problem sind Lieferengpässe aufgrund des Ukrainekriegs. Sowohl Russland als auch die Ukraine sind wichtige Lieferanten von Metallen wie Kupfer, Nickel, Platin, Palladium, Aluminium und Lithium, die für die Herstellung u.a. von Solarzellen, Windturbinen und Batterien für Elektrofahrzeuge nötig sind. Auf Russland kommen allein 7 % des weltweit geförderten Nickels. Zudem dominieren China und Russland die weltweite Vanadiumproduktion.
Nicht nur Batteriehersteller, sondern auch Stahlkonzerne, Energieversorger und neuerdings Automobilhersteller sichern sich zunehmend den direkten Zugang von Rohstoffen wie Lithium schon im Herkunftsland mit eigenen Minen oder Direktverträgen mit den Rohstoffförderern. Das verknappt das Angebot.
„2021 war das erste Jahr, in dem die Kosten für Li-Ionen-Batterien gestiegen sind. Grund waren ein Engpass bei Materialien wie Kobalt und Lithium sowie ihre sprunghaft angestiegene Nachfrage“, erklärt Stefan Freunberger, Assistenz-Professor am Institute of Science and Technology Austria.
Mit einer Vielzahl von Anstrengungen haben Politiker aus Brüssel und Berlin darauf reagiert und eine Menge Geld in Forschungsprogramme gepumpt. Diese betreffen:
Einen umweltschonenderen Abbau der Rohstoffe,
neue Batteriekonzepte,
den Weiterbetrieb von ausrangierten Fahrzeugbatterien und damit eine Verlängerung der Lebenszeit,
das Recyceln von Rohstoffen.
Wie kann die Batterieproduktion nachhaltiger werden?
Dass es Verbesserungspotenzial gibt, zeigt eine Berechnung des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT): Die Wissenschaftler haben einen CO2-Fußabdruck von 10,5 kg CO2-Äquivalent pro kg batteriefähigem Lithium ermittelt, einschließlich vorgelagerter Emissionen und Transport von Australien nach Deutschland. Schon mit dem Einsatz von 100 % erneuerbarem Strom ließe sich der Fußabdruck um 20 % verbessern.
Zudem gibt es Bestrebungen, die Umweltbedingungen zu verbessern: Beim herkömmlichen Lithiumabbau verdunstet Wasser, bis das Lithium übrigbleibt und aufbereitet werden kann. Anders bei der DLE-Methode (DLE = Direct Lithium Extraction): Dabei wird das Lithium extrahiert, ohne das Wasser zu verbrauchen. Chile will künftig voll auf diese nachhaltige Abbaumethode setzen.
Auch regional gewonnenes Lithium kann die Ökobilanz verbessern. In einigen Gegenden wie im Norddeutschen Becken oder im Oberrheingraben kommt Lithium in hoher Konzentration u.a. in Thermalwässern in einigen Kilometern Tiefe vor.
So können Geothermieanlagen, die heißes Wasser aus der Tiefe fördern, nicht nur Strom und Wärme produzieren, sondern nebenbei auch umweltverträgliches Lithium bereitstellen. Mit einem jährlichen Potenzial von 2.600 bis 4.700 t könnten diese Quellen den deutschen Li-Bedarf zu 2 bis 13 % decken.
Das Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) arbeitet u.a. daran, Lithium aus dem Wasser über ein Ionensieb zu gewinnen. Das Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken will dagegen Li aus Meerwasser absondern.
Den Rohstoffbedarf könnte ebenfalls eine längere Lebensdauer der Batterien senken. Im Forschungsprojekt SPARTACUS nutzen Forschende des Fraunhofer ISC unterschiedliche Sensoren, die den internen Status der Batteriezellen beobachten. Mit den Daten kann das Batteriemanagement-System Lade- und Entlade-Prozesse optimieren und die Belastung einzelner Zellen im Batteriemodul minimieren.
Welche Rohstoffalternativen gibt es für Batteriespeicher?
Die Wissenschaftler arbeiten zudem an neuen Konzepten, um die Rohstoffbasis zu verbreitern. Zwar sind viele dieser Projekte noch im Anfangsstadium, aber es zeigt, dass es künftig mehr als nur Lithium-Ionen geben wird:
Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat eine Flüssigmetall-Batterie entwickelt. Die Batterie besteht aus einem Nickelschwamm mit eingebettetem Lithium als Anode, einem keramischen Isolator und einer Salzmischung, die bei Betriebstemperatur flüssig ist. Beim Entladen gibt das Lithium Elektronen ab und löst sich im Salz. Beim Ladevorgang läuft dieser Prozess in umgekehrter Richtung ab, sodass der Nickelschwamm am Ende wieder mit metallischem Lithium gefüllt ist. Das Konzept hat laut Entwickler Kostenvorteile und lässt sich am Lebensende leicht recyceln.
Lithium-Luft-Batterien funktionieren wie herkömmliche Batterietypen, wobei die Reaktion von Lithium-Ionen mit Sauerstoff aus der Luft an der positiven Elektrode dazu dient, einen Stromfluss zu erzeugen. Diese Batterien haben den Vorteil, dass sie pro Kilogramm fast so viel Energie speichern können wie fossile Kraftstoffe.
Eine Festkörperbatterie ist eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie, die nicht mit einem flüssigen, sondern mit einem festen Elektrolyten arbeitet. Dieser soll für bessere Speichereigenschaften, längere Lebensdauern und erhöhte Sicherheit sorgen. Festkörperbatterien kommen ohne flüssige und brennbare Elektrolyten aus, ihre Chemie ermöglicht höhere Energiedichten sowie kürzere Ladezeiten. Zudem kann auf giftige und seltene Materialien wie Kobalt verzichtet werden, heißt es beim 2018 gestarteten Kompetenzcluster „FestBatt“.
Organic-SolidFlow-Batterien nutzen ähnlich wie Redox-Flow-Batterien anstelle von Metallionen Elektrolyte aus Kohlenstoffverbindungen. Die Elektrolyte werden in externen Tanks gespeichert und während des Lade- und Entladevorgangs in einem konstanten Fluss durch die Batterieeinheiten gepumpt. Damit soll eine effiziente, haltbare und nachhaltige Stromspeichertechnologie möglich werden. Nachteil: Die Batterien sind nur für große stationäre Stromspeicher-Anwendungen geeignet.
Umweltfreundlichkeit, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit werden mit wässrigen Zink-Ionen Batterien verbessert, verspricht Professor Fabio La Mantia, Leiter des Fachgebiets „Energiespeicher- und Energiewandlersysteme“ der Universität Bremen. Weil diese Technologie auf Wasser basiert, wird die Explosions- oder Brandgefahr eliminiert, die es teilweise bei Li-Ionen-Batterien gibt.
Vanadium-Redox-Flow-Batterien gelten als sicherer als Li-Ionen-Batterien, können 15 000- bis 20 000-mal geladen werden und haben eine lange Lebensdauer. Während die Technik in China breit angewendet wird, ist der Einsatz hier noch in weiter Ferne.
Beim Verbundvorhaben INNOBATT wollen die Beteiligten ein nachhaltiges und intelligentes Speichersystem auf Basis von Aluminium-Ionen entwickeln, das mit nicht entflammbaren Materialien arbeitet und auf kritische Rohstoffe verzichtet.
Natrium-Ionen-Batterien brauchen weder Kobalt noch teures Lithium. Natrium kommt in großen Mengen in Form von Kochsalz vor, etwa in den Weltmeeren. Diese Batterien lassen sich vollständig entladen, sind minutenschnell aufgeladen und überstehen einige 10 000 Lade- und Entladezyklen, ohne Schwächen zu zeigen. Bisher hapert es bei Batterien, die diesen Rohstoff nutzen, allerdings an den Produktionsmengen.
Eine Carnot-Batterie speichert Energie als Wärme in preisgünstigen Materialien wie Wasser, Stein oder in Form von Salzschmelzen. Bei Bedarf wird diese zum Beispiel durch Dampfturbinen in elektrische Energie, also Strom, zurückgewandelt. Die Universität Duisburg-Essen will diese Technik jetzt voranbringen.
Autobatterien haben nach Schätzung des Teilegroßhändlers für Fahrzeuge LKQ eine Lebensdauer von 10 bis 14 Jahren, bevor sie ausgemustert werden müssen. „Im Jahr 2030 erwarten wir europaweit rund 34 Millionen Hochvoltbatterien in batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen“, erklärt Christoph Schön, E-Mobility Innovation Manager bei LKQ Europe.
Eine mögliche Zweitverwertung („Second-Life“) ist der Einsatz als stationäre Batterie. Die Agentur für Erneuerbare Energien hat dazu das Projekt FluxLiCon mit Partnern aus Forschung und Wirtschaft gestartet. Ziel ist ein modularer Energiespeicher aus Second-Life-Batterien in Kombination mit einer Netzintegration für erneuerbare Energien. Das Fraunhofer ISI dagegen erwartet, dass nur ein Bruchteil der ausgemusterten Fahrzeugbatterien technisch noch so intakt ist, dass es ein zweites Leben erhält. Das Gros dagegen müsste recycelt werden.
Wie könnten die Rohstoffe in Batteriespeichern wiederverwertet werden?
Laut Fraunhofer ISI können Nickel und Kobalt zu über 90 % aus Altbatterien zurückgewonnen werden. Bei hohen Sammelquoten und Rückgewinnung von 25 bis 50 % könnte Lithium aus dem Batterierecycling den jährlichen Bedarf bis 2050 zu 10 bis 30 % decken. Momentan wird laut deutsch-kanadischem Unternehmen Rock Tech weltweit lediglich 1 % des Lithiums recycelt. Rock Tech will spätestens im Jahr 2030 bei der Herstellung von Lithiumhydroxid 50 % wiederaufbereitete Materialien aus Altbatterien verwenden.
Zum verstärkten Recycling könnte auch die EU-Batterieverordnung verpflichten: Ab 2031 gelten zusätzlich Rezyklat-Quoten für große Fahrzeug- und Industriebatterien bei Blei, Kobalt, Lithium und Nickel. Das Bundeswirtschaftsministerium fördert mit über 16 Mio. € die Entwicklung eines ganzheitlichen Recyclingansatzes für Lithium-Ionen-Batterien im Projekt „LiBinfinity“.
In anderen Ländern ist man bereits weiter: Das Unternehmen Ecobat baut seine dritte Lithium-Ionen-Batterie-Recyclinganlage und gleichzeitig die erste in Nordamerika. Das Werk in Casa Grande, Arizona, wird zunächst ca. 10 000 t recyceltes Material pro Jahr produzieren.
Die Auflistung zeigt: Die Batterie der Zukunft wird nicht unbedingt ein Lithium-Ionen-Akku sein. Und wenn, dann muss das Lithium nicht unbedingt unter schlechten Umweltbedingungen aus Südamerika gewonnen werden.
