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Aug 01, 2023

Wie sehen „bessere“ Batterien aus?

Sie sind nicht nur stärker und langlebiger. Um die saubere Energiewirtschaft voranzutreiben, müssen sie auch nachhaltig sein. Ein Besitzer eines Elektrofahrzeugs nutzt eine App, um den Ladefortschritt auf einem Parkplatz zu überwachen

Sie sind nicht nur stärker und langlebiger. Um die saubere Energiewirtschaft voranzutreiben, müssen sie auch nachhaltig sein.

Ein Besitzer eines Elektrofahrzeugs überwacht am 6. April 2023 auf einem Parkplatz in Cold Spring Harbor, New York, den Ladevorgang mithilfe einer App.

Nicole Millman für NRDC

Drei Wochen lang waren Präsident Biden und Mitglieder seiner Regierung diesen Sommer unterwegs. In 20 Bundesstaaten, von Hawaii bis Vermont, verbreiteten sie die Nachricht über Investitionen im Wert von mehr als einer Billion Dollar in Landwirtschaft, Produktion, Gesundheitswesen und – die eigentlichen Schlagzeilen des Roadtrips – saubere Energie und Infrastruktur.

Während ihrer einwöchigen Tour durch den Südosten des Landes entschied sich Energieministerin Jennifer Granholm dafür, selbst von Haltestelle zu Haltestelle zu fahren. Warum? Das Auto, das sie fuhr, wird vollständig mit Batteriestrom betrieben, und in den nächsten sieben Jahren werden drei der Staaten, die sie besuchte – Georgia, North Carolina und Tennessee – zu wichtigen Produktionszentren für Batterien für Elektrofahrzeuge (EV). „Wir wollten in den Süden kommen, weil die Arbeitgeber in den Süden kommen“, sagte Granholm beim Besuch einer Lithiumverarbeitungsanlage in North Carolina, die kürzlich einen Zuschuss von 150 Millionen US-Dollar vom US-Energieministerium (DOE) erhalten hat. „Ich wollte in den Süden kommen, weil der Präsident wirklich daran interessiert ist, sicherzustellen, dass jeder Teil Amerikas von dieser Agenda profitiert.“ Bisher hat die Biden-Regierung fast 3 Milliarden US-Dollar in Batterien investiert. Im vergangenen Oktober kündigte das Energieministerium an, dass es Zuschüsse in Höhe von 2,8 Milliarden US-Dollar gewähren werde, die durch das überparteiliche Infrastrukturgesetz bereitgestellt werden, um die inländische Herstellung von Batterien für den Einsatz in Elektrofahrzeugen und im Stromnetz anzukurbeln. Und erst letzten Monat gab die Abteilung bekannt, dass sie 192 Millionen US-Dollar für die Gründung eines Forschungs- und Entwicklungskonsortiums für fortschrittliche Batterien bereitstellen und gleichzeitig weiterhin den Preis für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien finanzieren wird, der vor vier Jahren eingeführt wurde, um beim Aufbau eines Marktes für Technologien zu helfen, die würde die amerikanische Abhängigkeit von importierten Batteriekomponenten verringern. Diese Schritte zur Verbesserung unserer Batterietechnologie werden von entscheidender Bedeutung sein, um das Ziel der Regierung zu erreichen, bis 2050 zu einer Netto-Null-Emissions-Wirtschaft überzugehen.

Mike Ferry vom Center for Energy Research der University of California, San Diego, zeigt am 16. September 2022 an der UCSD in La Jolla, Kalifornien, eine Reihe von Lithium-Ionen-Batterien zur Netzspeicherung. Auf dem Höhepunkt der Hitzewelle konnten diese Batterien 3.300 Megawatt ins Stromnetz einspeisen.

Sandy Huffaker/AFP über Getty Images

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Viele von uns verlassen sich bereits auf Batterien, um den reibungslosen Betrieb unserer Telefone und Laptops zu gewährleisten, aber Batterien spielen im Kampf gegen die Klimakrise eine viel wichtigere Rolle. Tatsächlich sind sie für die Dekarbonisierung unseres Energie- und Transportsektors von entscheidender Bedeutung.

Das Netz trägt dazu bei, dass der Strom dorthin gelangt, wo er benötigt wird, aber es speichert keine Energie. Ein fossiler Brennstoff wie Kohle „speichert“ Energie in fester Form, die bei Bedarf verbrannt werden kann. Dies führt jedoch nicht nur zu Treibhausgasemissionen, sondern auch zu großen Mengen schädlicher Luftverschmutzung, oft in einkommensschwachen und farbigen Gemeinschaften. In der Zwischenzeit muss die durch Solar- und Windkraft erzeugte saubere Energie sofort genutzt werden – der Spitzenbedarf fällt jedoch nicht immer mit den höchsten Sonnen- oder Windverhältnissen zusammen.

Hier kommen Batterien ins Spiel. Sie geben uns die Möglichkeit, saubere Energie zu speichern und sie bei Bedarf an das Netz abzugeben. Groß angelegte Batteriesysteme würden erneuerbare Energiequellen noch attraktiver machen und letztendlich ihre Verdrängung schmutziger fossiler Brennstoffe beschleunigen. Ihr Potenzial ist riesig. Doch als junge Technologie gibt es bei der Batterieproduktion für erneuerbare Energien einige Probleme, darunter die Beschaffung der notwendigen Materialien, Verzögerungen bei der Herstellung und Kosten.

Doch bis 2030 könnte sich die weltweite Batteriespeicherkapazität im Netzmaßstab auf etwa 135 Gigawatt mehr als vervierfachen. Unterdessen prognostiziert die Internationale Energieagentur (IEA), dass batteriebetriebene Elektrofahrzeuge mehr als ein Drittel des weltweiten Automobilabsatzes ausmachen werden.

Neben der Batterietechnologie und -produktion werden die nächsten sieben Jahre auch für das Klima entscheidend sein. Wenn wir den globalen Durchschnittstemperaturanstieg auf nicht mehr als 1,5 Grad Celsius begrenzen wollen – was wir tun müssen, um die verheerendsten Auswirkungen des Klimawandels zu vermeiden –, müssen die Nationen der Welt unsere gesamten Treibhausgasemissionen halbieren 2030. Dies ist nur ein Grund, warum die Biden-Regierung so viel in die Batterieforschung und -entwicklung investiert.

Türkisfarbene Pools mit Lithiumsole in der Lithiummine Silver Peak in Nevada

Getty Images

Die überwiegende Mehrheit der für Elektrofahrzeuge und Netzenergiespeichersysteme verwendeten Batterien sind derzeit Lithium-Ionen-Batterien. Zusätzlich zu ihrem namensgebenden Metall enthalten diese Batterien typischerweise Nickel, Mangan, Graphit und Kobalt. Der verantwortungslose Abbau dieser Komponenten ist mit hohen Kosten für die menschliche Gesundheit und die Umwelt verbunden. Wie jeder Extraktionsprozess kann auch der Lithiumabbau erhebliche Auswirkungen auf die lokalen Gemeinschaften, Ökosysteme und die Wasserversorgung haben. Tatsächlich führt dieser Prozess bereits zu einer Umweltkrise für Gemeinden in Chile, wo Bergbauunternehmen Lithium durch die Verdunstung von Salzlaken unter Salzwüsten auf dem Atacama-Plateau gewinnen, was die Wasservorräte erschöpft, die Landwirtschaft beeinträchtigt und alte kulturelle Traditionen der indigenen Völker der Region zerstört .

Unterdessen wird erwartet, dass sich die Nachfrage nach dem entscheidenden Metall bis 2030 verfünffacht – und schon jetzt wird es immer schwieriger, an Lithium zu kommen. Wenn wir also die benzinabhängigen Verbrennungsmotoren in unseren Autos durch Lithium-Ionen-Batterien ersetzen, tauschen wir dann nur eine Reihe von Rohstoffproblemen gegen eine andere ein?

Nicht, solange wir uns für nachhaltigere Wege zur Deckung des Lithiumbedarfs entscheiden, sagt Jordan Brinn, ein Befürworter sauberer Fahrzeuge und Infrastruktur im Climate & Clean Energy Program des NRDC. „Bei unserem derzeitigen, auf fossilen Brennstoffen basierenden System müssen wir ständig geförderte und geförderte Materialien in das System einspeisen, damit es jeden Tag weiter funktioniert“, sagt Brinn. „Aber bei Elektrofahrzeugen muss man nur einmal Material in die Batterie einfüllen, und dann funktioniert das Fahrzeug für den Rest seines Lebens weiter. Selbst wenn das Fahrzeug dann ausgemustert ist, können diese Mineralien recycelt und immer wieder in Batterien für neue Elektrofahrzeuge wiederverwendet werden.“

Strategien, um die Batterieproduktion sauberer, sicherer und weniger abhängig von der Extraktion zu machen, sind Gegenstand eines kürzlich von Brinn verfassten Berichts. Sie fordert eine verstärkte Forschung und Entwicklung verbesserter Batteriechemie und -designs, die auf nachhaltigeren Materialien basieren – beispielsweise den Ersatz eines Teils des Graphits, der typischerweise in Anoden von Lithium-Ionen-Batterien enthalten ist, durch Silizium, was eine bessere Leistung bei kleinerer Größe ermöglichen würde. Sowohl das DOE als auch die US-Umweltschutzbehörde sollten ihre Bemühungen in dieser Angelegenheit verstärken, indem sie mehr Mittel für die Verbesserung der Materialeffizienz bei der Batterieherstellung bereitstellen. Der Bericht drängt außerdem darauf, die Batterietechnologie zu einer eigenen Kategorie in Preisprogrammen (wie der Green Chemistry Challenge) und in den verschiedenen Zertifizierungsprogrammen dieser Agenturen zu machen. Sie sollten auch Zielvorgaben für die Rückgewinnungsrate beim Batterierecycling festlegen (wie es die Europäische Union tut) und das Recycling aller Elektrofahrzeugbatterien vorschreiben. Mittlerweile verzichten einige Hersteller bereits schrittweise auf Kobalt in ihren Batterien der nächsten Generation, was ein wichtiger Schritt zur Reduzierung der Notwendigkeit des Abbaus des Metalls ist.

Dennoch kann die Batterieproduktion, selbst bei erheblich verbesserter Effizienz, immer einen gewissen Grad an Bergbau erfordern. Das bedeutet, dass wir Bergbaugesetze für dieses Jahrhundert und nicht für das 19. Jahrhundert brauchen, um sicherzustellen, dass der Umweltschutz sowie die Zusammenarbeit mit Gemeinden in der Nähe von Bergbaustandorten (einschließlich der Einholung der Zustimmung der Gemeinde) sinnvoll und wirksam sind. Moderne Vorschriften – wesentliche Bestandteile einer sauberen Energiewirtschaft – müssen auch das Recycling der Mineralien umfassen, die wir bereits in vorhandenen Batterien haben.

Ein Labortechniker manipuliert einen Apparat, mit dem Nickel und Lithium getrennt werden, nachdem sie aus recycelten Elektroautobatterien gesammelt wurden.

Emmanuel Dunand/AFP über Getty Images

Sobald wir Benzin verbrennen, ist dieser Kraftstoff verschwunden (wird in die Atmosphäre verbrannt), aber die Batterien von Elektrofahrzeugen haben eine Chance auf ein zweites Leben. Nachdem sie zur Reinigung des Transportsektors beigetragen haben, können sie das Gleiche auch für das Stromnetz tun. Als stationäre Energiespeicher könnten unsere alten Autobatterien dazu beitragen, das Stromnetz in Zeiten besonders hoher Nachfrage zu entlasten. Laut Brinn eignen sich Batterien für Elektrofahrzeuge besonders gut für die Speicherung von Energie, die von Solaranlagen auf Dächern erzeugt wird, oder für Mikronetze, bei denen es sich um Stromsysteme handelt, die typischerweise ein kleines, geografisch abgegrenztes Gebiet versorgen. Und die Wiederverwendung dieser Batterien verringert natürlich die Notwendigkeit, das Lithium und andere darin enthaltene Materialien zu extrahieren.

Der Bedarf an besseren Batterien ist klar. Und die Technologie entwickelt sich so schnell und bewegt sich in so viele verschiedene Richtungen, dass wir möglicherweise unsere Definition dessen, was eine Batterie überhaupt ist, überdenken müssen. Das Wort könnte beispielsweise eines Tages Energiespeicherlösungen beschreiben, die Schwerkraft und Wasser nutzen. In der Zwischenzeit stellen wir uns den Strom vor, der in unser Stromnetz fließt und die Autos zum Aufladen bereit sind.

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Der Transport ist die größte Quelle der Klimaverschmutzung in den Vereinigten Staaten.

Fordern Sie Präsident Biden, die EPA und das DOT auf, die strengsten Standards für saubere Fahrzeuge festzulegen!