Gefahr erkennen, Chancen nutzen

Der Klimawandel bedeutet eine gewaltige Herausforderung für die Menschheit, bietet aber auch viele Chancen für die Wirtschaft und die Bevölkerung, gerade in einem Hochtechnologieland wie Deutschland. Wir fassen den Stand der Forschung mit Schwerpunkt auf die Batterietechnologie zusammen.

"CHANGE" & "CHANCE" concept Bild: Adobe Stock/voyata
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Claus Bünnagel
HINTERGRUND

von Claus Bünnagel

Alexander von Humboldt, dessen 250. Geburtstag wir im vergangenen Monat gefeiert haben, hat wohl als Erster erkannt, dass der Mensch das Klima verändert. Und zwar „durch Fällen der Wälder ... und die Entwicklung großer Dampf- und Gasmassen an den Mittelpunkten der Industrie“. Das schrieb er schon 1843. Seither hat die Wissenschaft das Problem detailliert erforscht und verstanden, und trotzdem schaut die Menschheit seit einem halben Jahrhundert dabei zu, wie die düsteren Prognosen der Klimaforschung nach und nach eintreffen. Spätestens mit der „Fridays for Future“-Bewegung und weltweiten Klimademos wächst aber das Bewusstsein für das größte existenzielle Problem, dem sich die Menschheit jemals stellen musste. Und es ist ja nicht so, als würde ein riesiger Asteroid auf die Erde zurasen, dem wir hilflos ausgeliefert wären. Mit seinem Erfindungsreichtum kann der Mensch Entwicklungen auf der Erdoberfläche nicht nur zum Negativen, sondern auch zum Positiven beeinflussen. Diese Gefahr für die Menschheit wird bedeutende Veränderungen nach sich ziehen und unser Leben in fast allen Bereichen grundlegend verändern, bietet gleichzeitig aber auch außerordentliche Chancen, gerade für ein Hochtechnologieland wie Deutschland.

Vorgabe durch die Clean Vehicle Directive

In der Fahrzeugtechnik hat der Wandel schon seit rund zehn Jahren Fahrt aufgenommen. Nach den Entwicklungen in der vergangenen Dekade steht die Elektromobilität kurz vor ihrem Durchbruch auch im Massenmarkt. Im ÖPNV vollzieht sich die Transformation der Antriebstechnologie noch schneller. Mit der Verabschiedung der Clean Vehicle Directive durch die Europäische Union im Juni sind die Rahmenbedingungen gesetzt: Danach müssen ab 31. Dezember 2025 unter den Neubeschaffungen 45 % Low Emission Vehicles sein, was Wasserstoff- und Erdgasbusse, aber auch mit Biomethan und Flüssiggas betriebene Fahrzeuge und vor allem Plug-in- und vollelektrische Busse einschließt. Ab 31. Dezember 2030 erhöht sich diese Quote auf 65 %. Die Hälfte davon müssen jeweils Zero Emission Vehicles sein.

Solche Zielkorridore sind wichtig, um vor allem den Fahrzeug- und Komponentenherstellern sowie den Verkehrsbetreibern Sicherheit bei ihrer künftigen Ausrichtung zu geben. Und die Produzenten reagieren bereits auf die Ankündigungen vieler Länder, ab 2025, 2030 oder 2040 Verbrennerfahrzeuge verbieten zu wollen. Vor allem die Fortschritte in der Batterietechnologie in den vergangen fünf Jahren sind beachtlich. Der Batterieriese CATL hat beispielsweise kürzlich bekanntgegeben, dass seine nächste NMC-523-Zellgeneration (523 = fünf Anteile Lithium, zwei Anteile Kobalt und drei Anteile Magnesium) eine Energiedichte von 304 Wh/kg aufweisen soll. Zudem möchten die Chinesen mittelfristig auf NMC-811-Zellen wechseln, die einen geringeren Anteil des kritischen Rohstoffs aufweisen (811 = acht Anteile Lithium und jeweils ein Anteil Magnesium und Kobalt). Diese dürften mit 300 Wh/kg eine ähnlich hohe Energiedichte aufweisen. Panasonic und Tesla sollen den Kobaltanteil bereits aktuell auf 3 % gedrückt haben.

Kobaltfreie Zellen

Der aus dem chinesischen Autobauer Great Wall hervorgegangene Batteriezellenhersteller Svolt Energy Technology geht noch einen Schritt weiter. Er hat erstmals seine kobaltfreie Lithium-Ionen-Zelle (NMx) sowie die Vier-Elemente-Lithium-Ionen-Zelle (NMCA) vorgestellt. Bei der NMx-Zelle sollen die Materialkosten sogar um 5 bis 15 % und die Stückkosten der Zellen um bis zu 5 % sinken. Die NMCA-Zellen sollen die NMC-811-Zellen ebenfalls in vielen Bereichen übertreffen. Sie weisen laut Svolt eine höhere Lebensdauer auf, haben eine bessere Hitzebeständigkeit und sollen sicherer sein, was sich auf Batterieebene in einer gesteigerten Kapazität bei verbesserter Haltbarkeit und Sicherheit niederschlagen soll. Bei NMCA-Kathoden wird der üblichen Mischung aus Nickel, Kobalt und Mangan noch Aluminium hinzugefügt. Der Nickelanteil kann dabei auf bis zu 90 % anwachsen, was den Anteil umstrittener Materialien wie Kobalt weiter senken würde.

Allerdings muss man in diesem Zusammenhang festhalten, dass insbesondere Recyclingunternehmen wie Umicore kein wirtschaftliches Interesse an einer weiteren Reduzierung des Kobaltanteils haben, da das Material zu den wertvolleren Elementen in einer Batterie gehört und ein Recycling dementsprechend überhaupt erst interessant macht.

Steigende Energiedichten

Auch im Busbereich steigt entsprechend die Energiedichte der Zellen und verändert sich die Zellchemie. So kann der hessische Batteriespezialist Akasol, der Lieferant u.a. für Daimler Buses und Volvo Buses ist, ab 2020 bereits Module mit einer Kapazität von 33 kWh liefern. Sie besitzen somit eine Energiedichte von rund 143 Wh/kg. Dabei wird es natürlich nicht bleiben: Schon ab 2021 kommt die dritte Generation mit Rundzellen auf den Markt, die dann 50 kWh pro Pack bietet. Sollte dies vom – nun gestiegenen – Batteriegewicht her möglich sein, könnte der Mercedes-Benz eCitaro bei nur leicht erhöhtem Bauraum dann rund 600 kWh an Akkukapazität mitführen, was ihm eine Mindestreichweite von 240 km ermöglicht. Außerdem können die Batterien dann mit Leistungen von bis zu 500 kW geladen werden. Mit einer kurzen Zwischenladung – etwa über Ladeschienen auf dem Dach am invertierten Pantografen – lassen sich so Tagesumläufe von mehr als 300 km erzielen. Das Problem Reichweite dürfte sich also schon in wenigen Jahren auch für den Überlandbereich von selbst erledigen. Allerdings bedarf dass Thema Gewicht noch entsprechender Lösungen, indem etwa die weiter steigende Batterielast im Boden des Busses untergebracht wird, was eine Karosserie in Leichtbauweise ermöglicht – wie es aktuell schon Proterra und Ebusco praktizieren.

Noch mehr Potenzial dürften Feststoffbatterien mitbringen. Der eCitaro wird wahlweise bereits ab der zweiten Hälfte des Jahres 2020 damit ausgestattet sein. Die Experten sind sich allerdings sicher, dass fortschrittliche Festkörperakkus erst ab ca. 2025 zu erwarten sind. Mit ihnen steigt die Energiedichte noch einmal bedeutend an. Hier werden die Flüssigkeiten durch Feststoffelektrolyte ersetzt, die höhere Spannungen und Betriebstemperaturen aushalten. Deshalb lassen sich Feststoffakkus schneller auf- sowie entladen und speichern mehr Energie pro Gewichtseinheit.

Ihr Inneres besteht hauptsächlich aus dem festen Elektrolyten, einem Lithium- und Phosphorsulfid. Darin eingebettet sind kleine Zinnkugeln mit einem Durchmesser von etwa 30 Mikrometer – halb so dick wie ein menschliches Haar. Wird die Batterie aufgeladen, lagern sich Lithium-Ionen in die Zinnkügelchen ein. Das Lithium zwängt sich dabei in die Gitterstruktur des Zinns. Das Volumen der Kugeln wächst und sie dehnen sich aus. Dadurch zerreißt das umliegende Elektrolytmaterial. Die entstehenden Risse behindern dann die Lithium-Ionen bei ihrer Bewegung durch den Elektrolyten, was die Leistungsfähigkeit des Feststoffakkus deutlich schmälert – ein wesentliches Problem, das bislang noch nicht gelöst ist.

Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI in Villigen in der Schweiz haben die mechanischen Vorgänge in Feststoffbatterien nun so genau wie noch nie beobachtet. Mittels Röntgentomografie entdeckten sie bei Analysen am Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI, wie sich Risse im Material der Batterien ausbreiten. Dabei entdeckten sie, dasss sich die Zinnkügelchen beim Aufladen um bis zu 300 % ausdehnen können und dabei Querrisse entstehen, die die Lithium-Ionen zu extremen Umwegen zwingen, was den Lade- und Endladeprozess sehr stark hemmt. Die Wissenschaftler stellten aber auch fest, dass sich die Batterie beim Entladen quasi selbst repariert. Wenn die Lithium-Ionen wieder aus den Zinnkugeln herauswandern, schließen sich die Risse im umliegenden Elektrolyten. In einem nächsten Forschungsschritt geht es nun darum, andere Elektrolytmaterialien zu finden, die weniger stark auf die Ausdehnung der Zinnkugeln reagieren.

Der Austausch des flüssigen Elektrolyts durch festes bietet noch weitere Vorteile. Denn durch seinen Einsatz lassen sich Lithium-Metall- statt graphitbasierter Anoden realisieren. Das würde große Fortschritte bei der Energiedichte ermöglichen. Zugleich ließe sich der Energieeinsatz bei der Produktion verringern und damit die CO2-Bilanz drastisch verbessern. Denn die Trocknung ist heute ein aufwendiger und energieintensiver Prozess. Dieser wäre zumindest anodenseitig überflüssig, wenn feste Elektrolyte verwendet werden, weil Lithium-Metall als Folie vorliegt. Dass auch die Giftigkeit reduziert werden kann, kommt dazu.

Reichweiten von 400 km und mehr

Dass man auf diesem Weg dem Ziel langsam näherkommt, zeigen erste Erfolge beispielsweise des kalifornischen Zellherstellers TeraWatt Technology. Das Unternehmen gab Mitte August bekannt, dass man einen Festkörperakku geschaffen habe, der eine Energiedichte von 432 Wh/kg erreicht. Zum Vergleich: Die derzeit fortschrittlichsten Panasonic-Batterien im Tesla Model 3 bringen es auf 247 Wh/kg. Zunächst sollen die Festkörperakkus in Unterhaltungselektronik zum Einsatz kommen, mit dem Modell Tera 4.0 und 500 Wh/kg dann auch in Fahrzeugen. Von der Batterieentwicklung lässt sich in den nächsten Jahren also noch sehr viel erwarten. Angesichts künftiger Energiedichten von 500 Wh/kg und mehr ist jetzt schon abzusehen, dass noch im kommenden Jahrzehnt auch Reisebusse elektrifiziert werden dürften. Denn bei einem Batteriegewicht von dann nur 2 t ließen sich also Reichweiten von mindestens 400 km erzielen. Da der Fahrer nach viereinhalb Stunden ohnehin eine 45-minütige Pause machen muss, könnten in dieser Zeit die Batterien auf mindestens 80 % ihrer Kapazität gebracht werden. Denn auch in der Ladetechnik gibt es natürlich keinen Stillstand. So arbeitet die CCS-Initiative CharIN, ein Zusammenschluss von Audi, BMW, Daimler, Mennekes, Opel, Phoenix Contact, Porsche, TÜV SÜD und VW, in der High Power Commercial Vehicle Charging Task Force (HPCVC) gegenwärtig an der Hochleistungsladung für elektrische Nutzfahrzeuge mit einer Ladeleistung von einem bis 3 MW.

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Und die Brennstoffzelle?

Angesichts solcher Fortschritte in der Batterietechnik erscheint es fraglich, ob sich außerhalb von Schwerlastanforderungen wie im Lkw-, Flug- und Schiffsverkehr die Brennstoffzelle im mobilen Einsatz durchsetzen wird. Denn gegenwärtig liegt der Wasserstoffantrieb bei Energie- und Kosteneinsatz um einen Faktor drei bis vier über dem von Elektrofahrzeugen. Bei den favorisierten E-Fuels beträgt der Faktor sogar sechs – ihre Verwendung ist in den nächsten 10 bis 15 Jahren kaum zu erwarten. In Zahlen ausgedrückt: Während das batterieelektrische Fahrzeug – abzüglich der Ladeverluste und des Strombedarfs für seinen Bau inklusive der energiefressenden Batterieproduktion – ca. 73 % des ursprünglich erzeugten Stroms in Vortrieb umwandelt, sind es beim Brennstoffzellenauto lediglich rund 22 %. D.h. gleichzeitig auch, dass in Deutschland Dutzende Terrawatt an zusätzlicher Wind- oder Fotovoltaik-Leistung bereitgestellt werden müssten, um den Mehrbedarf für die Wasserstoffherstellung bereitzustellen.

Volkswagen-Chef Herbert Diess, nicht umsonst ein Verfechter der Elektromobilität, kritisierte daher auf der jüngsten IAA (Pkw) einmal mehr den Hype um Wasserstoffautos. Er sei sich „sehr sicher“, dass die Brennstoffzelle in den kommenden zehn Jahren keine Option als Antrieb in Fahrzeugen sei, sagte er in einem Interview mit der WirtschaftsWoche. Grund sei der hohe Wasserstoffaufwand, der mitunter „eine höhere CO2-Last als konventionelle Kraftstoffe“ wie Benzin oder Diesel mit sich bringe.

Natürlich hat die Elektromobilität auch ihre Schattenseiten, wenn diese auch kleiner sind als vielfach auch in seriösen Medien kolportiert. Das betrifft vor allem den Rohstoffabbau für die Batterien. 59 % der jährlichen Fördermenge an Kobalt stammt aus der DR Kongo. Zwar fördern staatliche Minen mit regulären Arbeitskräften davon rund 90 %, aber kritisiert wird zu Recht, dass in den restlichen ca. 10 % der Tagebaue Kinder eingesetzt werden. Deshalb haben die meisten Fahrzeugbauer mittlerweile verkündet, nur noch Kobalt von zertifizierten Unternehmen einsetzen zu wollen.

Das vielleicht größere Problem betrifft den Lithiumabbau. 33 % der weltweiten Produktion stammen aus Chile, 11 % aus Argentinien. In beiden Ländern wird Salzlauge (Sole) aus der Erde von Salzseen gepumpt, wobei das Wasser anschließend in der Sonne verdunstet und das Lithium übrigbleibt, das später weiterverarbeitet wird. Das kann den Grundwasserspiegel senken, falls zu viel Sole entnommen wird. Je gewonnener Tonne Lithium müssen 400.000 l Wasser verdunstet werden – viel, wenn auch nicht jene 2 Mio. t, die oftmals fälschlicherweise angegeben werden. Ein Teil des Wassers wird zudem wieder in den Boden gepumpt. Außerdem haben beispielsweise einige Minenbetreiber im Salar de Atacama ein Wassermanagement eingeführt: Sie ersetzen einen Teil des Grundwassers durch Wasser aus dem Pazifik. Experimentiert wird auch mit Vorrichtungen, die das verdunstete Wasser auffangen und wieder in die Erde einbringen.

Ressourcenengpässe bei den Batterie-Rohstoffen bestehen nicht. Laut einer Studie von e-mobil, der Landesagentur für neue Mobilitätslösungen und Automotive Baden-Württemberg, belaufen sich die Lithiumreserven auf 53 Mio. t bei einem aktuellen jährlichen Abbau von 30.000 t. Auch wenn der Abbau wie zu erwarten deutlich steigt, dürften sie noch für Hunderte von Jahren ausreichen – das Thema Recycling einmal ganz außen vorgelassen. Die landgebundenen Kobaltreserven betragen 25 Mio. t bei einem Abbau von derzeit 147.000 t im Jahr, was ein Reservezeitfenster von 170 Jahren bedeutet.

Aufgrund der stark wachsenden Nachfrage nach Lithium, Kobalt und Nickel sind die Rohstoffpreise in den vergangenen Jahren geradezu explodiert. Mit der Ausweitung der Förderung ist nun jedoch ein Sinken der Preise zu beobachten – um 30 % seit Jahresbeginn. Das ist ein Anzeichen für eine Normalisierung des Markts, vergleichbar der Entwicklung bei Polysilizium für die Photovoltaikproduktion. ■

MEINUNG: Klimawandel in den Köpfen

Wenn man sich die Kurve des CO2-Anstiegs in der Atmosphäre anschaut, kann einem schwindelig werden. Sie hat seit den 1960er-Jahren einen exponentiellen Verlauf genommen. Ohne Gegenmaßnahmen werden wir am Ende des Jahrhunderts bei einem Temperaturanstieg auf der Erde von 5 bis 6°C anlangen. Schon die Aufwärtsbewegung in den vergangenen 50 Jahren mit plus 1°C ist beispielslos in der uns bekannten Erdgeschichte: Dafür hat es in früheren Perioden Tausende bis Millionen von Jahren gedauert. Seinen CO2-Konsum zu mäßigen ist das Gebot der Stunde, aber sicherlich nur von einer privilegierten Bevölkerungsschicht von 10 bis 20 % umsetzbar, die zudem vom Bildungs- und Informationsstand dazu in der Lage ist. Ihre Bemühungen werden jedoch konterkariert durch die wachsende Erdbevölkerung und den steigenden Wohlstand in vielen Schwellenländern, mit der Folge von noch mehr Kühlschränken, Autos und Flugreisen. Doch wer in der Lage ist sie zu zerstören, vermag sie auch zu retten. In meinen Augen kann uns heute nur noch technologischer Fortschritt weiterhelfen – der schnell umgesetzt werden muss. Möglich ist dies, wie die Umstellung von FCKW-haltigen Kältemitteln auf Ersatzchemikalien gezeigt hat, wodurch sich das sommerliche Ozonloch vor allem über der Antarktis nach 30 Jahren mehr und mehr zu schließen beginnt. Die Herausforderung nun ist jedoch exorbitant größer. Es wird unser Leben, wie wir es heute kennen, grundlegend verändern und auf den Kopf stellen. Je früher wir den Prozess beginnen, umso weniger schmerzhaft wird er werden. Dass er aber auch so entbehrungsreich und teuer wird, darauf können wir uns einstellen. Durch halbgare Klimapakete ist er jedenfalls nicht zu bewerkstelligen. Was es aber vor allem braucht, ist Mut, Lust an der Veränderung und Pioniergeist. Gerade im konservativen Deutschland muss zuvor noch ein erheblicher Wandel in den Köpfen stattfinden. Ein echter Aufbruch ist in großen Teilen der Bevölkerung und der Politik noch nicht festzustellen. Nach der anstrengenden Wiedervereinigung und der Wirtschafts- und Finanzkrise ab 2007 hatte sich aufgrund der wirtschaftlichen Erfolge der vergangenen zehn Jahre gerade eine satte Selbstzufriedenheit eingestellt. Die dürfte jedoch schon bald verfliegen. Die Welt tritt gerade nach einer ruhigeren Phase, die dem Zweiten Weltkrieg folgte, in ein erneutes disruptives Zeitalter ein. Nur dass dieses erheblich länger anhalten wird, denn aufgrund der langen Verweildauer von CO2 in der Atmosphäre dürften die in den vergangenen zweihundert Jahren hervorgerufenen Klimaveränderungen die Menschheit noch Hunderte, wenn nicht Tausende Jahre beschäftigen, um den Zustand der Erde von vor der Industrialisierung wiederherzustellen. Deutsche Ingenieurskunst war vielleicht nie so gefragt wie heute, um diesen Prozess zu unterstützen. Schon einmal hat sich in den 1970er-Jahren eine Gruppe von „Spinnern“ und „Ökos“ aufgemacht, zu verändern. Das gipfelte im Jahr 2000 im Erneuerbare-Energien-Gesetz, das letztendlich Strom aus erneuerbaren Energien bezahlbar machte und die Grundlage für eine weltweite Klimawende schuf. Wir müssen uns heute entscheiden: den Wandel weiter mitzugestalten oder auf Liebgewonnenem zu beharren – mit allen Folgen für Wirtschaft und Erdzustand.

Claus Bünnagel, Chefredakteur

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Artikel Gefahr erkennen, Chancen nutzen
Seite 8 bis 12 | Rubrik Markt & Meinung