Energiespeicher wie Batterien und Akkus spielen unter dem Gesichtspunkt des Klimawandels und dem Ausbau der erneuerbaren Energien eine immer größere Rolle, aber auch aus unserem Alltag sind sie nicht mehr wegzudenken. Im Smartphone, in der Taschenlampe, in elektrischen Zahnbürsten, in der Uhr oder auch in der Fernbedienung für den Fernseher sind sie ständig präsent und unersetzlich. Die wohl bekannteste Batterie ist aktuell die Lithium-Ionen-Batterie, sie ist bei weitem aber nicht die einzige verfügbare Option! Nichtdestotrotz wird sich in den kommenden Jahren deren Marktanteil voraussichtlich verdoppeln, aber auch andere Technologien werden zunehmen (1). Im Allgemeinen wird mit einer kontinuierlich wachsenden Nachfrage nach verschiedenen Batterien und Akkus gerechnet.
Aber was ist überhaupt der Unterschied zwischen Batterien und Akkus?
Batterien, auch Primärbatterie genannt, werden bereits aufgeladen an Kund*innen verkauft. Nach der einmaligen Entladung können sie nicht mehr aufgeladen werden (2), und müssen über Batteriesammelboxen in Geschäften oder auch bei Problemstoffsammelstellen abgegeben werden. Das ist kostenlos für alle. Akkumulatoren oder auch Akku genannt, können nach der Entladung wieder aufgeladen werden, und somit mehrfach verwendet werden. Sie werden auch Sekundärbatterie oder wiederaufladbare Batterie genannt (2). Weder Akkus noch Batterien dürfen über den Restmüll entsorgt werden! Das gilt auch für verschiedene Geräte in denen Batterien oder Akkus fest verbaut sind wie in Kinderspielzeug, Taschenlampen oder anderen Geräten. Die Entsorgung von Batterien über den Restmüll führt jährlich zu mehreren Bränden in Abfallverwertungsanlagen und bringt die Mitarbeiter*innen dort in große Gefahr! (3)
Es sind schon verschiedenste Batterietypen ohne oder mit geringen Mengen kritischer Rohstoffe auf dem Markt, es wird aktuell aber auch viel Forschung für neue Batterietypen betrieben. Einige davon, die ohne, oder mit deutlich weniger kritischen Rohstoffen auskommen, stellen wir euch vor:
Natrium-Ionen-Batterie
In Deutschland läuft aktuell ein vielversprechendes Forschungsprojekt, welches eine umweltfreundliche Alternative für die Lithium-Ionen-Batterie für Fahrzeuge und stationäre Batteriespeicher entwickelt: Die Vier-Volt-Natrium-Ionen-Batterie. Der Vorteil hierbei ist, dass das Lithium, welches ein kritischer Rohstoff ist, durch Natrium ersetzt werden kann. Natrium kann zum Beispiel aus Meersalz gewonnen werden, und somit direkt in der EU erzeugt werden, statt auf Importe aus Chile angewiesen zu sein. Das spart nicht nur Transportwege, sondern führt auch zu einem geringeren Wasserverbrauch als bei der Gewinnung von Lithium. Zudem gibt es Forschungen, die auch weitere Bestandteile der Lithium-Ionen-Batterie auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen und Biomüll entwickeln. Das führt zusätzlich zu einer Verbesserung der Umweltverträglichkeit. (4) Natrium-Ionen-Batterien sind nichts neues, es gibt sie bereits seit den 1980er Jahren. In den letzten Jahren nimmt die Forschung aber wieder Fahrt auf, da sie weniger kritische Rohstoffe benötigen, günstiger sind, weniger brennbar sind (5) und der Preis für Lithium ansteigt. Erste Natrium-Ionen-Batterien kommen auch schon komplett ohne kritische Rohstoffe aus (4). Dem gegenüber stehen auch Nachteile, wie eine geringere Speicherkapazität als Lithium-Ionen-Akkus was zu einer kürzeren Reichweite oder mehr Akkugewicht führt (5). Aus diesem Grund ist hier Forschung ein wichtiger Schritt und wird auch in anderen Ländern wie Schweden vorangetrieben und Batterien werden bereits produziert (6).
Spannend hierbei ist auch, dass E-Autos mit einer Natrium-Ionen-Batterie bis zu 40% günstiger sein könnten als die aktuell verfügbaren E-Autos mit einer Lithium-Ionen-Batterie. Seit Ende des letzten Jahres wird in China bereits das erste E-Auto mit diesem Batterietyp gefertigt, der JAC Yiwei Sehol E10X. Die Aufladezeit ähnelt der eines E-Autos mit Lithium-Ionen-Batterie, die Reichweite wird mit 25 km angegeben (7). In Europa scheint das Auto noch nicht verfügbar zu sein, es wird aber laut Medienberichten bereits nach Südamerika exportiert (8) und kostet rund 12.000€ (7). Mit diesem Preis ist das Auto deutlich günstiger als aktuell verfügbare E-Autos, welche nach ADAC-Berechnungen bei 28.000 € starten (9).
Aluminium-Ionen-Batterie
Seit diesem Jahr zählt Aluminium zu den kritischen Rohstoffen, an der zugehörigen Batterie wurde schon geforscht, bevor diese Einordnung durch die EU erfolgte. In regelmäßigem Abstand aktualisiert die EU ihre Einordnung zu kritischen Rohstoffen, wodurch es immer wieder zu einer Zugehörigkeit oder zu keiner Zugehörigkeit verschiedener Metalle kommen kann und Alternativen nicht kategorisch ausgeschlossen werden sollten.
Auch Aluminium-Ionen-Batterien verfolgten zu Projektstart das Ziel, unabhängiger von kritischen Rohstoffen zu werden und ökologische Aspekte in die Batterieentwicklung und -herstellung einfließen zu lassen. Auch wenn kritische Rohstoffe nach der aktuellen Einordnung von 2024 zum Einsatz kommen, ist diese neuartige Technologie eine Erwähnung wert.
Die Forschungen in diesem Bereich legen einen besonderen Wert auf ökologische Aspekte. Sie wollen nicht nur auf kritische Rohstoffe verzichten, sondern auch die Herstellung möglichst umweltverträglich gestalten und bereits in der Planung die Wiederverwertung miteinbeziehen. Dabei geht es vor allem um das spätere Recycling, aber auch die Betrachtung des gesamten Produktlebenszyklus. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Batterie ohne giftige Materialien auskommt, und zu aktuellen Marktpreisen deutlich günstiger sein kann als die aktuell weit verbreitete Lithium-Ionen-Batterie. Momentan wird die Aluminium-Ionen-Batterie nur im Labor hergestellt, aber es laufen die ersten Kooperationen an, um eine Serienfertigung zu planen (10).
Diese Batterie soll eine Alternative zu der Lithium-Titanat-Batterie sein. Sie ist vor allem im asiatischen Raum bereits verbreitet und unterschiedet sich in einigen Aspekten von der bekannten Lithium-Ionen-Batterie. Sie verfügt über eine geringere Energiedichte, weshalb sich ein Einbau in erster Linie nur für kleine E-Autos in der Stadt, E-Roller oder andere kleine Verbraucher anbietet, oder bei der Möglichkeit für viele Ladezyklen und -möglichkeiten pro Tag lohnt (11). Die Aluminium-Ionen-Batterie soll also eine Alternative für die Lithium-Titanat-Batterie sein: Im Vergleich ist die Aluminium-Ionen-Batterie eine nicht giftige, günstigere und umweltfreundlichere Möglichkeit und kann in ähnlichen Bereichen zur Anwendung kommen.
Zink-Wasserstoff-Batterie
Die Zink-Wasserstoff-Batterie eignet sich im Gegensatz zu den zwei bereits genannten Möglichkeiten eher nicht als Lösung für mobile Zwecke wie in Autos oder Handys, sondern für den stationären Bereich. Bedeutet, sie ist gut, um an einem Ort Strom zu speichern, wie den Strom aus der Photovoltaikanlage zu Hause im Keller in einem Speicher oder in der Notversorgung von Gebäuden wie Krankenhäusern (12). Auch sie kommt leider nicht ganz ohne kritische Rohstoffe aus und benötigt beispielsweise Nickel (12).
Neben der Speicherung von Strom, wird bei der Entladung auch Wasserstoff (H2) erzeugt. Die Kombination aus beidem kann zukünftig helfen, neben grünem Wasserstoff auch grünen Strom wetterunabhängig zu Verfügung stellen zu können (13).
Der Vorteil der Zink-Wasserstoff-Batterie liegt darin, dass die Speicherung zu relativ geringen Preisen möglich sein soll (ca. 1/10 von Lithium-Ionen-Batterien) (13), und sich somit neue Energiespeichermöglichkeiten entwickeln. Eine davon könnte beispielsweise die Speicherung neben Windkraftanlagen sein. Wenn Windräder sich drehen, der Bedarf an Strom im Netz aber gedeckt ist, könnte der überflüssige Strom aus den Windrädern vor Ort gespeichert werden. Zu Zeiten in der die Stromnachfrage höher ist als das Angebot, kann der erzeugte und gespeicherte Strom aus Windkraftanlagen in das Netz gespeist werden, anstatt Gaskraftwerke zu nutzen. Hierbei müsste natürliche eine Infrastruktur für die Abnahme von Wasserstoff geschaffen werden.
Noch mehr Informationen und ein Gespräch mit zwei Entwicklern der Zink-Wasserstoff-Batterie findet ihr unter diesem Link: Zink-Wasserstoff: Besser als Elektrolyseure? Dr. Schamel & Dr. Hahn | Geladen-Podcast – YouTube
Fazit
Die drei vorgestellten Technologien sind bei weitem noch nicht alle Möglichkeiten die aktuell entwickelt werden und die es auf dem Batteriemarkt vielleicht bald geben wird. Die TU Wien forscht an einer Sauerstoff-Ionen-Batterie (14/15), ein Netzwerk rund um den Batteriehersteller Varta arbeitet an einer Zink-Ionen-Batterie (16) und im Burgenland wurde die erste organische SolidFlow-Batterie im Sonnen- und Windpark installiert (17). Sie verzichtet neben Konfliktrohstoffen auch auf seltene Materialien und Materialien aus ökologisch kritischem Abbau und ist auf sehr gute Recyclingfähigkeit ausgelegt (18).
Wir sehen, es ist schwierig Batterien ganz ohne kritische Rohstoffe zu nutzen. Nichtsdestotrotz gibt es viele vielversprechende Möglichkeiten für die Zukunft, die zumindest mit weniger kritischen Rohstoffen auskommen als die Lithium-Ionen-Ionen-Batterie. Das Feld der Batterieentwicklung ist im ständigen Wandel und wer weiß, vielleicht fahren wir bald alle Autos mit einer Natrium-Ionen-Batterie mit Meersalz aus der Adria? Also dranbleiben lohnt sich bei diesem Thema auf jeden Fall!
Literaturverzeichnis
(1) Statista. (2023, 19. Oktober). Battery market size worldwide by technology 2018-2030. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.statista.com/statistics/1339880/global-battery-market-size-by-technology/
(2) Petrikowski, F., Kohlmeyer, R., Jung, M., Steingrübner, E. & Leuthold, S. (2012). Batterien und Akkus – ein Problem für Umwelt und Gesundheit. In Umweltbundesamt. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/publikation/long/4414.pdf
(3) Holding Graz. (2024, 18. Februar). „Tag der Batterie“: Alle Infos zur Entsorgung. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.holding-graz.at/de/tag-der-batterie-alle-infos-zur-entsorgung/
(4) ZSW. (2024). Natrium-Ionen-Batterien auf Basis nachwachsender Rohstoffe für den Markt vorbereiten. In Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.zsw-bw.de/fileadmin/user_upload/pi01-2024-ZSW-VierVoltNatriumIonenbatterie.pdf
(5) EnBW. (2024, 27. Februar). Natrium-Ionen-Akkus: Günstiger und sicherer? Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.enbw.com/blog/elektromobilitaet/laden/natrium-ionen-akku-was-macht-die-technologie-so-interessant/#natriumionenakkus-bis-zu-40-prozent-gnstiger-als-lithiumakkus
(6) Northvolt. (2023, 6. Dezember). Northvolt develops state-of-the-art sodium-ion battery validated at 160 Wh/kg. Northvolt. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://northvolt.com/articles/northvolt-sodium-ion/
(7) Lang, P. (2024, 1. Februar). JAC Yiwei E10X : Das wär doch mal ein ID.1. Auto Motor und Sport. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.auto-motor-und-sport.de/elektroauto/jac-yiwei-sehol-e10x-natrium-batterie-serie/
(8) Werwitzke, C. (2024, 22. Februar). JAC Yiwei exportiert erstmals Stromer mit Natrium-Ionen-Batterie – electrive.net. electrive.net. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.electrive.net/2024/02/22/jac-yiwei-exportiert-erstmals-stromer-mit-natrium-ionen-batterie/
(9) Wieler, J. (2024, 29. April). Kostencheck Elektroautos: Das sind die 30 günstigsten Modelle. ADAC. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.adac.de/rund-ums-fahrzeug/auto-kaufen-verkaufen/autokosten/guenstigste-elektroautos/
(10) Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST. (2024, 7. März). Konsortialprojekt BALU entwickelt Fertigungstechnologien für preisgünstige und sichere Aluminium-Ionen-Batterien. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.ist.fraunhofer.de/de/presse-publikationen/2024/konsortialprojekt-balu.html
(11) Dockhorn, M. (2022, 8. September). Kommt jetzt die Wunderbatterie? FUTURE MOVES. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://futuremoves.com/akku-batterie-lithium-titanat/
(12) Geladen Batteriepodcast. (2023, 29. Oktober). Zink-Wasserstoff: Besser als Elektrolyseure? Dr. Schamel & Dr. Hahn [Video]. YouTube. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.youtube.com/watch?v=LDCadjlaQ00
(13) TU Berlin. (2023, 10. Oktober). Neuer Energiespeicher vereint Batterie und Elektrolyseur – Werkzeug für die Energiewende. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.tu.berlin/ueber-die-tu-berlin/profil/pressemitteilungen-nachrichten/neuer-energiespeicher-vereint-batterie-und-elektrolyseur-werkzeug-fuer-die-energiewende
(14) Aigner, F. (2023, 22. März). Neue Erfindung: die Sauerstoff-Ionen-Batterie. TU Wien. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.tuwien.at/tu-wien/aktuelles/news/news/neue-erfindung-die-sauerstoff-ionen-batterie
(15) Schmid, A., Krammer, M. & Fleig, J. (2023). Rechargeable Oxide Ion Batteries Based on Mixed Conducting Oxide Electrodes. Advanced Energy Materials, 13(11). https://doi.org/10.1002/aenm.202203789
(16) Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung. (2023, 18. September). Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.ifam.fraunhofer.de/de/Presse/Nachhaltige-Zink-Ionen-Batterien-fuer-die-Energiewende.html
(17) CMBlu Energy. (2023, 13. Juli). Weltpremiere: Erster Großspeicher an einem der größten Solarparks in Österreich ausgeliefert. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.cmblu.com/de/press-and-media/weltpremiere-solidflow-batterie-ausgeliefert/
(18) CMBlu Energy. (o. D.). CMBlu Energy – starke Batteriespeicher für die Energiewende. Abgerufen am 23. Mai 2024, von https://www.cmblu.com/de/home/
Bildverzeichnis
(26) JAC Yiwei EV sodium-ion battery-powered electric car | LinkedIn Abgerufen am 23.05.2024
Titelbild: Batterie Energie Mittel Der – Kostenloses Foto auf Pixabay – Pixabay Abgerufen am 23.05.2024
