Mehr Energie, weniger Kohlendioxid – Mehrstufiger Ansatz neuer Batterietechnologie für Nachhaltigkeit

Batterie oder Kohlenstoffabscheidung? Warum nicht beides?

Der Vorstoß für grüne Energie und Elektrifizierung wird hauptsächlich durch das Bedürfnis angetrieben, die CO₂-Emissionen im Kontext des Klimawandels zu reduzieren. Allerdings sind Solar- und Windenergie von Natur aus intermittierend.

Daher erfordert je mehr grüne Energie das Netz versorgt, desto mehr großskalige Batteriesysteme, um Energie während Spitzenproduktion zu speichern und später wieder ins Netz einzuspeisen. Großskalige Batterien werden wahrscheinlich sehr unterschiedliche Chemien als Elektrofahrzeuge verwenden, da sie nicht unter denselben Einschränkungen arbeiten:

• Kein Bedarf an hoher Energiedichte oder Leichtgewicht, Nutzungsbatterien können am Boden in Kraftwerken oder speziellen Standorten gelagert werden.
• Extreme Empfindlichkeit gegenüber Gesamtkosten (Bau + Betrieb).
• Erfordernis, günstige und reichlich vorhandene Materialien zu verwenden, um sie im großen Maßstab einzusetzen, wobei Metalle wie Kobalt, Platin, Palladium usw. vermieden werden (idealerweise sogar Lithium).
• Erfordernis einer sehr langen Lebensdauer ohne Kapazitätsverlust, idealerweise im Bereich mehrerer Jahrzehnte.

Dies ist ein Thema, das wir bereits ausführlich in unserem Artikel „Die Zukunft der Energiespeicherung – Technologie für großskalige Batterien“ behandelt haben, in dem wir die meisten möglichen Chemien, die für diese Anwendung entwickelt werden, aufgelistet haben.

All diese Batterien arbeiten, um grüne Energie wirtschaftlich rentabler und weit verbreiteter zu machen, was die CO₂-Emissionen reduzieren würde. Allerdings tragen sie nicht direkt zur Emissionsreduktion oder Kohlenstoffabscheidung bei.

Selbst sogenannte CO₂‑Batterien würden das CO₂ wieder ausstoßen, sobald Strom entladen wird.

Das könnte sich ändern, dank eines bahnbrechenden neuen Batteriedesigns, das nicht nur Energie speichert, sondern auch Wasserstoff produziert und dauerhaft Kohlenstoff abscheidet.

Kohlenstoffabscheidungs‑Batterien

Kohlenstoffabscheidung ist die Idee, normalerweise emittiertes CO₂ aufzunehmen und in nützliche Produkte zurückzuverwandeln. Mehr über die verschiedenen Kohlenstoffabscheidungstechnologien in diesem Artikel von Energy Tracker können Sie lesen.

Quelle: EnergyTracker

Bis jetzt war ein solcher Prozess etwas, das zu industriellen Abläufen hinzugefügt wurde und zusätzliche Kosten ohne praktisches Produkt außer der Kohlenstoffabscheidung verursachte. Der Prozess selbst war nicht nützlich.

Wir haben den aktuellen Stand der Kohlenstoffabscheidung ausführlicher in unserem Artikel „Top‑5‑Aktien für Kohlenstoffabscheidung, in die man investieren kann“ diskutiert.

Forscher des Oak Ridge National Laboratory könnten einen Weg gefunden haben, die Kohlenstoffabscheidung zu einem integralen Bestandteil des grünen Energienetzes und der zugehörigen Batterien zu machen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse im Journal of Power Sources unter dem Titel „Ursprung der Deaktivierung der wässrigen Na‑CO₂‑Batterie und Maßnahmen zur Langzeit‑Energiespeicherung“.

Vorheriges Konzept weiterentwickelt

Die Kohlenstoffabscheidungs‑Batterie ist eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Metall‑CO₂‑Batterie, die CO₂ ein- und ausstößt, während ein Metall (M) oxidiert wird, das Natrium (Na), Lithium (Li) oder Magnesium (Mg) sein kann: CO₂ ↔ MxCO3.

Ein wiederkehrendes Problem von Metall‑CO₂‑Batterien ist die Ablagerung fester Entladungsprodukte wie M2CO3(s) (M = Li oder Na), Al2(C2O4)3(s) oder MgCO3(s) auf der Elektrodenoberfläche, was häufig zu Verstopfungen der porösen Elektrodenstruktur führt.

Diese Verstopfung wirkt sich negativ auf die Batterie aus und reduziert schnell ihre Kapazität.

Um dieses Problem zu überwinden, entwickelten die Forscher zwei potenzielle Batterien, eine auf Natrium und die andere auf Aluminium basierend, beide aus reichlich vorhandenen und kostengünstigen Materialien.

Die Na‑CO₂‑Batterie nutzt einen Eisen‑Nickel‑Katalysator, der viel günstiger ist als die meisten Katalysatoren der Branche.

Im Gegensatz zu früheren Designs setzt die neue CO₂‑Batterie CO₂ nicht in gasförmiger Form frei, sondern das Karbonat‑Nebenprodukt löst sich im flüssigen Elektrolyten.

Diese Karbonate können dann entweder in der Batterie verbleiben oder gesammelt werden, wenn sie sich ansammeln und in fester Form ausfallen. Die Pharma‑ oder Zementindustrie kann sie anschließend nutzen.

Die einzigen freigesetzten Gase sind Sauerstoff und Wasserstoff, die nicht zum Klimawandel beitragen und sogar zur Energie- oder Kraftstofferzeugung aufgefangen werden können.

Quelle: Oak Ridge National Laboratory

Überwindung technischer Herausforderungen

Diese Idee erscheint so beeindruckend, dass es überraschend sein könnte, dass sie bisher nicht umgesetzt wurde.

Der Grund ist, dass die praktische Umsetzung einige technische Probleme überwinden musste.

Erstens müssen die Elektroden in nassen und trockenen Kammern mit einem festen Ionenleiter dazwischen getrennt werden. Der Leiter verlangsamte die Elektronenbewegung, wodurch die Batterieleffizienz reduziert wurde.

Zweitens ist diese Art von Na‑CO₂‑Batterie nicht immun gegen das Problem der Filmbildung auf der Elektrode, das bei CO₂‑Batterien auftritt. Die Forscher stellten jedoch mithilfe sehr fortschrittlicher Mikroskope und Röntgengeräte fest, dass ungleichmäßige Lade‑ und Entladeimpulse die Filmbildung auf der Elektrode verhinderten.

„Wir berichten zum ersten Mal, dass die deaktivierte Zelle reaktiviert werden kann.

Und wir haben den Ursprung der Deaktivierung und Aktivierung gefunden. Wenn Sie die Batterie zu lange symmetrisch laden und entladen, ist sie in einem Stadium tot. Wenn Sie das von uns etablierte Protokoll für unsere Zelle verwenden, ist die Ausfallwahrscheinlichkeit sehr gering.“

Ruhul Amin – der leitende Forscher des Projekts

Vielleicht noch beeindruckender ist, dass diese Batterien das CO₂ mithilfe der gespeicherten Energie abscheiden können, also nicht nur, wenn die erneuerbare Energieproduktion Spitzen erreicht, was ihnen mehr Flexibilität verleiht. Sie könnten auch ideal sein, um Kohlenstoff aus Spitzenlastkraftwerken abzuscheiden, die auf fossile Brennstoffe zurückgreifen, um Strom zu erzeugen, wenn der Wind schwach weht oder die Sonne nicht scheint.

Übergang zum kommerziellen Design

Mit dem Nachweis des Konzepts einer reaktivierbaren CO₂‑Batterie ging das Team weiter, um die Leistung zu verbessern und den Anforderungen einer praktikablen großskaligen Batterie gerecht zu werden.

Dafür entwickelten sie eine Al‑CO₂‑Batterie nach dem gleichen Prinzip wie der Na‑CO₂‑Prototyp.

Der Prototyp erzielte bemerkenswerte Ergebnisse, insbesondere:

• 600 Stunden (25 Tage) Betrieb ohne Kapazitätsverlust.
• Ausreichende Speicherung für mehr als 10 Stunden Strom, die später genutzt werden können.

Was kommt als Nächstes?

Die Verwendung von Meerwasser als wässriges Medium kann die Geschwindigkeit der Batterie und die Wasserstoff‑+‑Sauerstoff‑Produktion stark verbessern, indem aus den Chloratomen im Wasser Bleichmittel erzeugt wird. Daher könnte diese Batterie mit noch nützlicheren Nebenprodukten arbeiten als zunächst erwartet.

Eine weitere Herausforderung wird darin bestehen, das Design der Aluminium‑CO₂‑Batterie auf ein größeres Niveau zu bringen, das für eine echte großskalige Anwendung geeignet ist.

Ein weiteres laufendes Projekt besteht darin, zur Natrium‑CO₂‑Batterie zurückzukehren und eine sehr feine, dichte, mechanisch stabile Keramikmembran zu entwickeln, um die Batteriekammern zu trennen und die Batterie kommerziell wettbewerbsfähig zu machen.

Batterieunternehmen

Aufgrund ihrer bisherigen Einschränkungen gibt es nur wenige Unternehmen, die CO₂‑Batterien herstellen. Innovative Batterieunternehmen mit einer Geschichte, schnell neue Technologien zu übernehmen, können jedoch den Fortschritt in diesem Bereich nutzen, um bei Bedarf neue Chemien zu entwickeln.

1. BYD Company Limited (BYDDF)

BYD ist das führende Elektrofahrzeugunternehmen in China, mit 1.860.000 verkauften Fahrzeugen im Jahr 2022, einem Umsatz von 20 Mrd. € im Jahr 2022 und eines der größten privaten Unternehmen des Landes.

Das Unternehmen begann 2000 als erster Lieferant von Lithium‑Ion‑Batterien für Motorola und trat bereits 2003 in das Automobilgeschäft ein. Heute ist es auch in Bussen, Zügen, Halbleitern und der Batteriespeicherung aktiv.

Quelle: Byd Company

Dank seiner schieren Größe, „BYD überholte LG und wurde zum weltweit zweitgrößten EV‑Batterielieferanten“

Jenseits des EV‑Marktes sucht BYD, ähnlich wie Tesla (TSLA ), seine enorme Batteriespeicherkapazität für andere Märkte zu nutzen. Es hat insbesondere die Battery-Box für den privaten Gebrauch eingeführt, die eine kobaltfreie Lithium‑Eisen‑Phosphat‑Chemie verwendet. Außerdem bietet es sein New Energy‑Paket an, das Solar‑ und Speicherlösungen kombiniert.

Durch die Kombination von Battery-Box und New Energy, BYD Energy Storage System (ESS) hat mehr als 14 GWh Speicherkapazität ausgeliefert.

BYD besitzt die komplette Lieferkettenstruktur von mineralischen Batteriezellen bis zu Batteriepacks. Dies ermöglichte es, eine eigene proprietäre Recycling‑Lösung aufzubauen, bei der alte Autobatterien als feste Speicher oder vollständiges Batterierecycling über eine neue Unterabteilung im Jahr 2022 verwendet werden.

BYD expandiert nun international, insbesondere in Europa, mit Plänen, seinen noch kleinen Marktanteil zu vervierfachen, sowie lokaler Produktion in Ungarn, mit einer Kapazität von 150.000 Fahrzeugen pro Jahr, die auf 300.000 verdoppelt werden könnte. Dies könnte lokalen Herstellern und Tesla Druck machen, da der Preis nun im Bereich von benzinbetriebenen Autos liegt.

Die Expansion in den USA verläuft vorsichtiger, da die Rivalität zwischen den USA und China weiter eskaliert, mit einem im Frühjahr 2024 verhängten 100‑%igen Zoll auf chinesische Autos.

Quelle: BYD

Mit starken Wachstumsaussichten in Südamerika, Asien und Europa sowie einer dominanten Position in China, dem führenden Markt für Elektrofahrzeuge, ist die BYD-Aktie die weniger bekannte und niedriger bewertete Alternative zu Tesla.

2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)

Chinesisches CATL ist bei weitem das größte Batterieunternehmen der Welt, gemessen am Batteriemengenvolumen. Es produzierte im Jahr 2022 fast die Hälfte der weltweiten Batterien nach GWh.

Es verfügt außerdem über einige der fortschrittlichsten Lithium‑Eisen‑Phosphat‑Batterien, die eine Lösung für die Herstellung günstiger und „hinreichend dichter“ Batterien für preiswerte Elektrofahrzeuge darstellen könnten.

CATLs Fachwissen in Batter chemie erstreckt sich auch auf andere Optionen. Besonders bemerkenswert ist, dass die beeindruckende 160 Wh/kg Natrium‑Ion‑Batterie 2021 angekündigt wurde. Der Ersatz von Lithium durch reichlich vorhandenes und günstiges Natrium bietet eine Alternative zu Lithium, dessen Preis in den letzten Jahren sehr volatil und hoch war. Und für Anwendungen, die weiterhin Lithium benötigen, investiert CATL außerdem 1,4 Mrd. $ in die Entwicklung der Lithiumproduktion in Bolivien.

Doch was die Batterieleistung angeht, steht CATL an vorderster Front des Fortschritts. Zunächst kündigte es eine 330 Wh/kg ultra‑dauerhafte „Million‑Meilen“-Batterie an, die in 5 Minuten auf 80 % geladen ist und bereit für die Kommerzialisierung ist. Diese Batterie sollte künftig von Tesla verwendet werden und wird der neue Standard für Hochleistungs‑EVs sein.

Es kündigte kürzlich außerdem eine rekordbrechende 500 Wh/kg „komprimierte“ Batterie an, die dicht genug wäre, um Langstrecken‑EVs und Flugzeuge zu betreiben. Es behauptet außerdem, einen Weg gefunden zu haben, Batterien beikaltem Wetter besser zu handhaben, aber dies bleibt eine Schwäche der Technologie und ein Problem für EVs in kalten Ländern.

Führende Unternehmen im EV‑Bereich wie Tesla und BYD oder ambitionierte Neuzugänge wie Toyota könnten versuchen, ihre eigene Batterietechnologie als einzigartigen Vorteil zu entwickeln. Der Rest der Automobilindustrie, einschließlich deutscher, amerikanischer und japanischer Hersteller, sucht jedoch nach Partnern, um im Rennen um fortschrittliche Batterien mitzuhalten. Dazu gehören insbesondere Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda, und Mercedes Benz.

CATL verfügt über das Produktionsvolumen, um am meisten von Skaleneffekten in der Batteriefertigung zu profitieren. Sein großes Verkaufsvolumen fließt zudem direkt in wissenschaftliche Expertise und ein großes F&E‑Budget ein, was weitere Durchbrüche ermöglicht. Da es kein Automobilhersteller ist, ist es für die meisten der Branche ein besserer Partner als direkte Konkurrenten wie BYD und Tesla.

Derzeit hat sich das Unternehmen hauptsächlich auf EVs konzentriert. Es könnte sich jedoch den großskaligen Batterien zuwenden, wenn Chinas Produktion erneuerbarer Energien wächst und die Technologie reift.

Insgesamt liefert dies ein überzeugendes Argument dafür, dass CATL weiterhin der weltweite Führer in der Batteriefertigung bleibt. Die zunehmenden Spannungen zwischen den USA und China sollten jedoch nicht völlig vergessen werden, und die Aktie könnte in die Mitte des Machtkampfes zwischen den beiden größten Volkswirtschaften der Welt geraten.