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Energiewende und E-Mobilität: Neue Batterietechniken lassen hoffen

Ohne verlässliche Stromspeicher geht es nicht bei der Energiewende und der forcierten E-Mobilität. Aber herkömmliche Akkus sind mit hohen Umweltbelastungen verbunden und zu wenig effizient. Neue Entwicklungen mit den Fraunhofer-Instituten als maßgeblichen Treibern könnten das ändern.

Batterien beziehungsweise Akkus haben durch die Gewinnung der Rohstoffe und ihre Herstellung eine denkbar schlechte Ökobilanz. Das ist Wasser auf die Mühlen der Gegner der E-Mobilität. Denn bis die Ökobilanz sich ins Positive dreht, können je nach Größe der Fahrzeuge und Studie bis zu acht Jahre und mehr ins Land gehen. Doch auch in anderen Bereichen ist der Mangel an effizienten und umweltschonenden Speichermöglichkeiten ein Problem.

Der Ökostromanteil ist 2022 laut Destatis bereits auf über 46 Prozent gestiegen, aber es fehlt immer noch vielerorts an Stromspeichern, sodass die Energieversorger an Tagen mit viel Sonne und Wind teilweise sogar viel Geld zahlen müssen, um Abnehmer im Ausland zu finden, in Österreich zum Beispiel, wo es vergleichsweise viele Pumpspeicherwerke gibt. Daran fehlt es nämlich in Deutschland und auch an ausreichend Überlandleitungen, sodass Solar- oder Windstrom oft ungenutzt buchstäblich im Boden versickert.

Hoffnungsträger normales Kochsalz

Ausweg aus dem Dilemma könnte ein Stromspeicher aus Salz sein, wie er gerade in Sachsen entsteht. Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) hat nämlich zusammen mit der australischen Batteriefirma Altech einen Akku entwickelt, dessen wichtigster Bestandteil Natriumchlorid oder im Volksmund Kochsalz ist.

In der sächsischen Schwarzen Pumpe, die sich von einer der großen Brikettfabriken zu einem Mekka für umweltfreundliche Energiegewinnung wandelt und wo zum Beispiel mithilfe der Axians-Schwester Actemium BEA ein mobiler Geothermie-Container entwickelt wurde, sind bereits die Vorbereitungen für eine 100-Megawatt-Anlage mit Umwandlung von Kochsalz in Energie im vollen Gange.

„Natriumchlorid ist der Hauptbestand des aktiven Materials. Dazu kommt noch Nickel, das aber vollständig recycelt wird. Unsere Batterie beruht also auf leicht verfügbaren Materialien in Europa“, berichtet Fraunhofer-IKTS-Leiter und Mitentwickler der neuen Batterie Alexander Michaelis.

Eine Pilotanlage in Dresden steht bereits. Die Natriumchlorid-Batterie soll nicht nur günstiger als Lithium-Ionen-Akkus sein, sie ist anders als diese auch nicht brennbar und verfügt über einen längeren Lebenszyklus. Außerdem kommt die Technologie ohne Seltene Erden aus

und die neuartigen Akkus arbeiten auch relativ unabhängig von den Witterungsverhältnissen in einem Temperaturbereich von minus 10 bis plus 40 Grad. Der Nachteil ist allerdings, dass die Akkus viel zu groß und schwer wären, um damit E-Autos anzutreiben. Michaelis sieht daher ihre Rolle vor allem im stationären Bereich, wo auch noch Bedarf besteht.

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Ein Nachteil ist, dass Natriumchlorid-Akkus viel zu groß und schwer wären, um damit E-Autos anzutreiben (Quelle: Adobe stock / Mediaparts).

Hoffnungsträger Doppelspeicher mit H2-Elyktrolyse

Ein anderes Fraunhofer-Institut, nämlich das für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM), entwickelt in einem sogenannten Zn2-H2-Konsortium gerade eine andere neue Speichertechnologie, Doppelspeicher genannt, die Hoffnung gibt, ihren Beitrag zur Energiewende zu leisten.  Es handelt sich dabei um einen Speicher, der sowohl Strom akkumulieren als auch Wasserstoff liefern kann.

Das Langzeitspeichersystem basiert auf einem Zink-Luft-Akku und eignet sich als Doppelspeicher auch für die alkalische Wasser-Elektrolyse, um das natürliche Nass in seine Bestandteile Wasser- und Sauerstoff zu zerlegen. Wie das Fraunhofer IZM erklärt, hat der Zink-Luft-Akku gegenüber den Li-Ion-Akkumulatoren einige Vorteile, denn die benötigten Rohstoffe wie Stahl, Zink oder Kaliumhydroxid sind gut verfügbar und recyclebar, was den Akku letztendlich um bis zu zehnmal billiger machen soll als die Li-Ion-Akkus.

Projektkoordinator Peter Hahn erklärt das Verfahren so: „Während des Aufladens oxidiert Wasser in der Batterie zu Sauerstoff, gleichzeitig wird Zinkoxid zu metallischem Zink reduziert.“ Und schließlich werde das Zink wieder in Zinkoxid umgewandelt, um es neu in den Kreislauf einzubringen. Aus dem Wasser entsteht durch Elektrolyse Wasserstoff, was sich gut eignet, um Fabriken oder große Schiffe anzutreiben und Dunkelflauten zu überbrücken. Gemeint sind Zeiten, in denen wenig oder kaum Wind und Sonne zur Verfügung ist, das heißt, normalerweise konventionelle Kraftwerke einspringen müssten.

Dabei ist die neue Technologie laut Fraunhofer IZM mit 50 Prozent Wirkungsgrad des Doppelspeichers und 80 Prozent bei der Wasserstoffgewinnung sowie zehn Jahren Lebensdauer sehr vielversprechend. Letztere wurde im Labor zumindest nachgewiesen. Denn da haben die Zellen 4.000 Lade- und Entladezyklen offenbar mühelos überstanden. Das Institut hat angekündigt, dass demnächst ein Demonstrator gebaut werden soll, sodass voraussichtlich Ende des Jahres bereits mit einem Prototyp zu rechnen ist. Das Projekt soll bis Ende September 2025 laufen.

Hoffnungsträger effizientere Li-Ion-Akkus

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Auch bei Lithium-Ionen-Akkus gibt es gibt Weiterentwicklungen (Quelle: Adobe stock / Nuthawut).

Es gibt aber auch Weiterentwicklungen bei Lithium-Ionen-Akkus. So ist es Ingenieur:innen der Rice University in Houston, Texas, gelungen, Li-Ion-Batterien mit einem Partikelspray eine um bis zu 44 Prozent längere Lebensdauer „einzuhauchen“, indem sie die sogenannte Prä-Lithiierung optimiert haben.

Gemeint ist ein Verfahren, um irreversible Lithiumverluste bei den ersten Lade- und Entladezyklen zu kompensieren, indem mit besagtem Partikelspray zusätzliches Lithium in die Zelle gebracht wird.

Sibani Lisa Biswal, Professorin für Chemical und Nanoengineering sowie für Materialforschung von der Rice University, hat herausgefunden, wie sich durch Besprühen der Anoden die Batteriekapazität um 22 bis 44 Prozent erhöhen und gleichzeitig auch der Wirkungsgrad der Li-Ion-Akkus verbessern lässt. Der Nachteil ist allerdings, dass Li-Ion-Akkus es gar nicht mögen, zu 100 Prozent aufgeladen zu werden, weil die Partikel bei den nachfolgenden Zyklen schneller „verblassen“ können.

Wenn man aber das bisher verwendete Grafit durch Silizium bei Li-Ion-Akkus ersetzen würde, ließe sich die Effizienz der Batterien auch wieder verbessern. Doch auch Silizium hat „seine Tücken“. Denn bei kalten Temperaturen kann das Elektrolyt mit den Karbonat-Lösemitteln gefrieren und die Fähigkeit verloren gehen, dass der Anode genügend Lithiumionen zugeführt werden. Wenn es gelingt, dieses Problem zu überwinden, könnte die Verwendung von Silizium statt Grafit die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Batterien oder besser gesagt Akkus verbessern.

Solche Weiterentwicklungen, wie sie die Fraunhofer-Institute maßgeblich vorantreiben, sind letztlich auch wichtige Bausteine, um die Energiewende zu schaffen, ohne dabei in anderen Teilen der Welt wegzugucken, wie dort für die oft schmutzige Gewinnung der Rohstoffe Mensch und Natur leiden müssen. Schließlich machen solche neuen Technologie auch Hoffnung, Deutschland und Europa ein Stück weit von der zunehmenden Abhängigkeit von China und anderen rohstoff- und materialreichen Ländern zu befreien.

Quelle Titelbild: Adobe Stock / Emanuel Corso

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