Die Elekt­ri­fizie­rung der Ener­giein­dustrie bringt ein neues Ökosystem hervor

Innerhalb der expandierenden Batterieindustrie ist der Bereich, der sich schnell entwickelt, die Lithium-Ionen-Batterieindustrie. Ihre Marktgröße wächst schnell mit einer jährlichen Durchschnittsrate von fast 10 % (in USD). Die weltweite Li-Ionen-Produktion lag im Jahr 2020 bei 750 GWh, und für 2025 wird ein Volumen von 2.500 GWh prognostiziert.

"Diese enorme Ausweitung der Batterieproduktion wird die Kosten senken. Der Preistrend wird dadurch unterstützt, dass mehr Fabriken in der Nähe der wichtigsten Märkte gebaut werden, wodurch sich die Transportwege verkürzen", sagt Anton Nytén, Technologiedirektor bei Etteplan und zuständig für die Batterietechnologie.

Der wichtigste Risikofaktor ist die Produktsicherheit. Die Nutzer der Batterietechnologie sollten sich keine Sorgen machen, dass die Batterien eine Gefahr für sie oder die Umwelt darstellen. Sichere Systeme lassen sich nur durch rigorose Technik, ein Batteriedesign und schließlich durch Herstellungsverfahren erreichen, die von Beginn des Entwicklungsprozesses an Normen und Vorschriften folgen.

Das größte Sicherheitsproblem ist das Wärmemanagement von Lithium-Ionen-Batterien. Thermisches Durchgehen, eine Kettenreaktion, bei der die Hitze ansteigt und die nicht gestoppt werden kann, entsteht durch Herstellungsfehler, schlechtes Design oder externen Missbrauch.

"Ein gutes Wärmemanagement ist sehr wichtig. Die Temperatur hat den größten Einfluss auf die Batterie, ihre Lebensdauer und ihre Sicherheit. Die Temperatur sollte niemals die Spezifikation überschreiten, und es sollte auch keinen Temperaturgradienten im Akkupack geben", sagt Anton Nytén.

Batterieentwickler und -hersteller tragen eine große Verantwortung dafür, alle potenziellen Ursachen zu verhindern, die zu einem thermischen Durchgehen führen.

Die Batterie- und Energiewirtschaft geht Hand in Hand mit der Ladeinfrastruktur. Eine gute Ladeinfrastruktur für E-Fahrzeuge erfordert ein gutes Gleichgewicht, um ein gutes Kundenerlebnis und Effizienz über alle Varianten von Ladestandards hinweg zu ermöglichen.

Das Aufladen sollte schnell und bequem sein, und das Kostenmanagement sollte einfach sein. Für einige Kunden ist es auch wichtig, das Ladesystem mit einer Flottenmanagementplattform zu verbinden.

"Schnelles Laden erzeugt viel Wärme, und die Temperatur ist der größte Feind für die Lebensdauer einer Batterie. Es ist ein schmaler Grat, wie viel Schnellladung man verwenden kann, um die Lebensdauer nicht zu verkürzen. Außerdem ist es keine gute Idee, voll aufzuladen", erklärt Anton Nytén.

Elektromotoren arbeiten mit Wechselstrom (AC), während die Batterie ihren Strom mit Gleichstrom (DC) beziehen muss. Das Aufladen von Strom aus dem Netz erfolgt immer mit Wechselstrom. Die Umwandlung kann an Bord des Fahrzeugs oder außerhalb des Fahrzeugs am Ladegerät erfolgen.

Die Notwendigkeit der Umwandlung verursacht mehrere Probleme. Die vorherrschende Lösung besteht darin, Fahrzeuge mit einem Wechselrichter auszustatten, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, um das Aufladen direkt aus dem Stromnetz zu ermöglichen. Die Wechselrichter verlangsamen jedoch die Zeit bis zur vollständigen Aufladung eines E-Fahrzeugs, und Wechselstrom-Ladegeräte liefern oft weniger als 22 kW Leistung.

Um dieses Problem zu lösen, werden seit jeher universelle Gleichstrom-Ladegeräte verwendet, die außerhalb des Fahrzeugs installiert werden können. Sie ermöglichen ein schnelles und einfaches Aufladen, aber das Streben nach universellen Lösungen begrenzt sowohl die Ladegeschwindigkeit als auch die Leistung. Das Gleichstromladen bringt auch ein anderes Problem mit sich: das Erreichen der Leistungsspitze des Stromnetzes. Wenn mehrere E-Fahrzeuge zur gleichen Zeit und am gleichen Ort aufgeladen werden, wird sich das Netz schließlich vor einer Überlastung schützen und die bereitgestellte Leistung reduzieren.

Große Batteriespeichersysteme sind notwendig, um die schwankende Leistung der erneuerbaren Energien auszugleichen. Für die Energieversorger führt selbst ein kurzzeitiger massiver Überschuss zu einer ungesunden wirtschaftlichen Situation.

Kein Wunder also, dass die Speicherung von Strom viel Aufmerksamkeit erregt. Wenn überschüssige Energie gespeichert werden könnte, ließe sie sich verkaufen, wenn der Wind schwach ist, nachts oder wenn die Sonne nicht scheint. Im Vereinigten Königreich beispielsweise wird geschätzt, dass die Batteriespeicherung dem nationalen Energiesystem bis zum Jahr 2050 bis zu 40 Milliarden Pfund einsparen könnte.

Es ist überraschend, dass die Flotten von Elektrofahrzeugen eine Option für die Speicherung erneuerbarer Energie darstellen. Bis 2040 werden die Batterien der Elektrofahrzeuge weltweit eine Speicherkapazität von über 30 TWh bieten.

Theoretisch könnten EVs Überschüsse an erneuerbarer Energie speichern. In der Praxis steht dieser riesige Energiepool dem Netz nicht standardmäßig zur Verfügung. Es wäre eine bidirektionale Aufladung durch ein Vehicle-to-Grid-System (V2G) erforderlich, das die Rückspeisung von Strom in das Netz zu Spitzenzeiten ermöglicht. Um den Besitzer des Fahrzeugs nicht zu stören, könnte dies nur geschehen, wenn die Batterien vollständig aufgeladen sind.

Wenn die Lithium-Ionen-Batterien in den Fahrzeugen so weit abgenutzt sind, dass sie nicht mehr brauchbar sind, können sie zudem wiederverwendet werden. Automobilunternehmen testen bereits recycelte Lithium-Ionen-Batterien aus Fahrzeugen, die in stationäre Energiespeichersysteme integriert wurden.

Die Elektrifizierung der Energiewirtschaft ist in vielerlei Hinsicht eine große Herausforderung.

"Unabhängig davon, in welcher Position man in der Branche tätig ist, muss man die gesamte Lieferkette sicherstellen, um die Produktion hochzufahren. Wenn Sie mit dem Zusammenbau von Batterien arbeiten, müssen Sie die richtige Art von Batteriezellen liefern. Als Batteriehersteller müssen Sie über genügend Rohstoffe wie Lithium, Kobalt und Nickel verfügen, die nicht im Überfluss vorhanden sind", sagt Anton Nytén.

Zusätzlich zu den vorhandenen technischen Fähigkeiten benötigen die Unternehmen eine Mischung aus Fachwissen in den Bereichen Batterietechnologie, Laden, Energiespeicherung und Elektromotoren. Sie müssen die gesetzlichen Anforderungen für Batterien und Ladegeräte, die Produktsicherheitsstandards und die Cybersicherheit von Anwendungen kennen. Darüber hinaus muss jeder die gesamte Wertschöpfungskette von den Rohstoffen über die Ladeinfrastruktur bis hin zum Recycling berücksichtigen.