"Wir brauchen einen neuen Energiemix!"
Clustersprecher Prof. Maximilian Fichtner zu den Herausforderungen der künftigen Mobilität
Im neuen Exzellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage) forschen Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen aus Ulm und Karlsruhe gemeinsam an den Batterien der Zukunft. Diese spielen nicht zuletzt eine Schlüsselrolle für die Mobilität von morgen. Im uui-Gespräch informiert Clustersprecher Professor Maximilian Fichtner über die Entwicklung innovativer Speichersysteme und die Herausforderungen bei der Gestaltung der Mobilität der Zukunft.
Die Elektromobilität gilt als Schlüssel für die Mobilität der Zukunft. Doch die Herausforderungen sind groß. Eine davon ist die Entwicklung geeigneter Batterien. Welchen Beitrag leistet hierzu das neue Exzellenzcluster?
Prof. Fichtner: „POLiS steht für Post Lithium Storage. Wir forschen in diesem Exzellenzcluster also zu elektrochemischen Speichersystemen jenseits der herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Letztere gehören zwar zu den ausgereiftesten und leistungsfähigsten Speichertechnologien, doch für die Zukunft brauchen wir Alternativen. Denn in diesem Batterietyp wird nicht nur Lithium verbaut, das möglicherweise in 20 bis 30 Jahren zur Neige geht, sondern auch Kobalt, das bereits in einigen Jahren knapp wird.“
Die Energiespeicher der nächsten und übernächsten Generation sollen nicht nur leistungsfähiger, leichter und langlebiger sein, sondern auch sicherer, günstiger und umweltfreundlicher. Auf der anderen Seite gibt es eine große Vielfalt möglicher Speichersysteme. Wer blickt da noch durch?
„Das Feld ist gar nicht so groß. Wir berücksichtigen ausschließlich Elemente, die ein sehr hohes Potenzial für die Speicherung haben und von denen wir wissen, dass sie verfügbar, umweltfreundlich und sicher sind. Vielversprechende Kandidaten sind beispielsweise Magnesium- und Natrium-Batterien. Dort ist die Forschung am weitesten fortgeschritten. Die Ergebnisse verhelfen uns außerdem zu einem übergreifenden Verständnis grundsätzlicher Zusammenhänge, was den Ionentransport aber auch die Wechselwirkung mit Wirtsmaterialien angeht.
Was zeichnet Magnesium- und Natrium-Batterien aus?
"Beide Stoffe sind in der Erdkruste verfügbar und überall auf der Welt zu finden. Die Schwäbische Alb zum Beispiel besteht aus einem Gemisch aus Magnesium- und Calciumcarbonat, und Natrium gibt es nicht zuletzt im Meer. Wichtig ist, dass die Stoffe verfügbar und wiederverwertbar sind. Von den theoretischen Eigenschaften und Simulationen ausgehend sind beide Speichersysteme vielversprechend. Allerdings geraten Natrium-Akkus wohl größer und schwerer als Lithium-Ionen-Akkus. Magnesium-Batterien dagegen könnten kleiner und kompakter gebaut werden; es ist aber noch unklar, ob das in der Praxis auch wirklich gelingt."
Wie sieht es mit der Anwendungsreife aus - Stichwort E-Mobilität?
"Die Natrium-Batterien stehen bereits kurz vor der Kommerzialisierung, das kann noch ein bis zwei Jahre dauern. Aufgrund ihrer Größe empfiehlt sich der Einsatz in stationären Speichern oder in Bussen oder LKW. Für PKW sind sie wohl eher ungeeignet. Batteriesysteme wie diese werden Lithium-Ionen-Akkus nicht von heute auf morgen ersetzen können, aber sie entspannen möglicherweise die Ressourcenlage."
Immer wieder gab es in den letzten Jahren Vorfälle mit explodierenden Lithium-Ionen-Akkus. Sind Magnesium- und Natrium-Batterien sicher?
"Brennende und explodierende Akkus sind häufig das Resultat von physikalischen Problemen oder mechanischem Versagen, bedingt durch Fehler in der Herstellung oder der Handhabung. Lithium wird heute in der Batterie nicht als reines Metall verwendet, sondern eingebunden in Trägermaterialien wie Graphit. Dabei wird es bis um den Faktor zehn verdünnt. Dies vermindert die Gefahr von Kurzschlüssen durch Dendritenbildung deutlich. Gefährlicher sind manche Elektrolyte in Lithium-Akkus. Treten diese beispielsweise bei einem Unfall oder Akku-Schaden aus und kommen mit Feuchtigkeit in Kontakt, entsteht Flusssäure, die bei Hautkontakt für den Menschen tödlich sein kann."
Laut einer aktuellen Studie der Internationalen Energieagentur, IEA, wird sich die Ölförderung bereits bis 2025 halbieren, wenn keine neuen Ölquellen mehr erschlossen werden. Werden alternative Energiequellen diese Lücke schließen können?
„Tatsächlich wird die Situation bei der Erdölförderung weltweit immer angespannter – wie der letzte ‚World Energy Outlook‘ der IEA angekündigt hat. Dies macht deutlich schnellere Lösungen notwendig, als wir alle dachten. Dabei sind die Herausforderungen gewaltig. Hier ein Beispiel: Um zehn Millionen Elektrofahrzeuge mit Batterien zu versorgen, sind Bergbauinvestitionen in der Größenordnung von 50 bis 100 Milliarden Euro notwendig. Der Aufwand ist enorm. Ein anderes Beispiel aus dem Bereich Wasserstoff-Technologie: um eine mittelgroße Tankstelle, die pro Tag ungefähr 300 Tankfüllungen verkauft, mit ausreichend Druckgas zu beliefern, müssten täglich circa zwei bis drei Liefer-LKWs für Nachschub sorgen. Die Tankstelle würde sich dadurch teilweise selbst lahmlegen. Wir werden also einen Energiemix brauchen. Benzin ist noch immer der leistungsfähigste Energiespeicher. Aber im PKW treibt nur ein Fünftel der Energie die Räder an, der Rest geht als unnütze Wärme verloren; außerdem werden Öl und Benzin irgendwann knapp und teuer. Mittel- bis langfristig müssen entsprechend kompakte Batterielösungen für Abhilfe sorgen. LKW, Busse, Schiffe und Flugzeuge dagegen könnten mit Brennstoffzellen betrieben werden oder mit synthetischen Kraftstoffen, die aus Kohlendioxid und Wasserstoff hergestellt werden.“
Wieso setzt die deutsche Automobilindustrie im Bereich E-Mobilität vor allem auf den Limousinen-Sektor?
„In diesem Bereich sind die deutschen Autobauer traditionell sehr stark. Sie setzen auf Fahrkomfort, sind aber auch zunehmend wettbewerbsfähig, was die E-Technologie angeht. Dazu gehören effektive Rekuperationssysteme, die Bremsenergie zurückgewinnen, sowie ein effektiver Überhitzungsschutz, der es erlaubt, dauerhaft unter Volllast zu fahren. Damit können sie auch über längere Strecken Gas geben. Außerdem sind deutsche Autos dieser Klasse einfach besser verarbeitet als E-Limousinen der kalifornischen Konkurrenz.“ Warum halten sich die deutschen Automobilbauer bei der Batteriefabrikation noch so zurück? „Das liegt nicht unbedingt am Willen. Problematisch sind eher die Randbedingungen. Für die Batterieentwicklung und -produktion braucht es hohe und langfristige Investitionen. Das ist riskant, und für die Aktiengesellschaften unter den Unternehmen ein großes Problem. Die Anleger wollen Dividende und kurzfristige Gewinne. Geht die Rechnung für das Unternehmen nicht auf, fürchten die Firmenvorstände Schadensersatz. Daher ist es nicht verwunderlich, dass hier Unternehmen die Nase vorn haben, die von Einzelpersonen oder als Familienunternehmen geführt werden; oder eben chinesische Firmen, die den Staat im Rücken haben.“
Warum halten sich die deutschen Automobilbauer bei der Batteriefabrikation noch so zurück?
„Das liegt nicht unbedingt am Willen. Problematisch sind eher die Randbedingungen. Für die Batterieentwicklung und -produktion braucht es hohe und langfristige Investitionen. Das ist riskant, und für die Aktiengesellschaften unter den Unternehmen ein großes Problem. Die Anleger wollen Dividende und kurzfristige Gewinne. Geht die Rechnung für das Unternehmen nicht auf, fürchten die Firmenvorstände Schadensersatz. Daher ist es nicht verwunderlich, dass hier Unternehmen die Nase vorn haben, die von Einzelpersonen oder als Familienunternehmen geführt werden; oder eben chinesische Firmen, die den Staat im Rücken haben.“
Was kann die Politik tun, um dies zu ändern?
„Die Politik tut hier schon sehr viel. Die deutsche und europäische Batterieforschung war in den 2000er-Jahren noch ein weißer Fleck auf der Landkarte; und jetzt gehört Deutschland zu den international besten Forschungsstandorten. In naher Zukunft will die Bundesregierung eine Milliarde Euro in die Batteriefabrikation in Deutschland investieren; vorausgesetzt die Industrie steuert eine weitere Milliarde bei. Als möglicher Standort ist Ulm im Rennen, neben Braunschweig, Aachen, Dresden und München. Unsere Karten sind auf jeden Fall nicht schlecht!
Außerdem legt die EU aktuell gerade eine neue Flaggschiff-Initiative zur Batterieforschung ‚Battery 2030+‘ auf, an der wir uns mit unserer neu gegründeten Forschungsplattform CELEST beteiligen, über die wir die Aktivitäten der Standorte Ulm und Karlsruhe zusammenführen. Die Vorantragsphase ist bereits angelaufen. Aber auch die Landespolitik hat sehr viel für die Batterieforschung getan. Ulm hat in den letzten Jahren als Standort für die Forschung zur Energiespeicherung und -wandlung enormen Auftrieb erhalten und gehört mittlerweile zu den wichtigsten Standorten auf diesem Gebiet in Europa. Die CELEST-Initiative, an der allein zwei Graduiertenschulen für 80 bis 100 Doktoranden angedockt sind, macht uns zu einem der größten Player auf diesem Gebiet weltweit. Wir sind national und international auf jeden Fall bestens positioniert!“
Interview: Andrea Weber-Tuckermann
Fotos: [photodesign armin buhl], pixabay