Geladen - der Batteriepodcast zur Energiewende

Schönen 2. Advent! Prof. Jürgen Janek (Justus-Liebig-Universität Gießen) beantwortet die 24 besten Fragen, die Sie uns in diesem Jahr zu E-Autos, Batterien oder Heimspeichern gestellt haben. Im zweiten Teil geht Prof. Jürgen Janek auf folgende Fragen ein:

Unser Studiogast Dr. Veronika Wright ist Diplomingenieurin für technische Physik, Beraterin für Elektrifizierung und Batterieforscherin. In dieser Geladen-Folge erläutert sie eine "Auto-Motor-Sport-Schlagzeile" vom 24.06.2022. Dort heißt es: "Neuer Super-Akku soll 1.000 km Reichweite schaffen".

Dr. Wright analysiert die Kernelemente der Qilin-Batterieinnovation: Durch eine komplett neu erschaffene Zellarchitektur und eine revolutionäre platzsparende Elektronik schafft es der Hersteller, deutlich mehr Energie pro Volumen zu speichern als bisher. Das neue "Cell-to-Pack"-Design von ca. 255 Wh/kg auf Pack-Ebene wurde primär durch noch weniger Verpackungsmaterial und die Unterbringung von mehr Aktivmaterial erreicht. Daneben hat sich CATL an einem neuen Thermalmanagement versucht: Dabei werden die Zellen aktiv gekühlt, sodass ein deutlich schnelleres Laden der Packs ermöglicht wird. Hierbei kommen Kühlelemente neben jeder Zelle im Pack zum Einsatz.

Dr. Wright erläutert neben der "Qilin"-Batterie auch ein durch CATL vorangetriebenes "modulares Battery Swapping". Dabei wird es bei Elektroautos möglich sein, Teile eines herkömmlichen Batterie-Packs (nur) modular mitzuführen und dieses ebenfalls minutenschnell gegen passgenaue Packs zu tauschen - je nach täglichem Bedarf und Streckenplanung. Vorteile dieser Vorgehensweise: Das E-Auto muss auf der Kurzstrecke nicht so viel Gewicht mit sich tragen. Außerdem wären E-Auto-Besitzer nicht mehr gezwungen, die teure Batterie selbst zu kaufen. Beim Battery-Swapping abonniert der Kunde lediglich den Zugang zu einem passgenauen Modul und deren schnelle Installation. Mit dem "Battery Swapping" können CATL-Kunden einerseits Geld sparen und sich andererseits deutlich nachhaltiger bewegen. Allerdings ist das E-Auto auch nicht so flexibel einsetzbar durch die eingeschränkten Reichweiten.

Link zu Auto-Motor-Sport:

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Auftakt zu unserem Adventsspecial! Prof. Jürgen Janek (Justus-Liebig-Universität Gießen) beantwortet die 24 besten Fragen, die Sie uns in diesem Jahr zu E-Autos, Batterien oder Heimspeichern gestellt haben. Die vier Teile laufen jeweils an den Adventssonntagen.

Es klingt zu schön, um wahr zu sein: Deutschland könnte seinen kompletten Bedarf an Lithium für die Batterieproduktion bald selbst decken! Denn im Oberrheingraben schlummern riesige Mengen des Leichtmetalls in etwa zwei bis 4 Kilometern Tiefe. Dort zieht sich eine Gesteins-Ebene über 300 Kilometer Länge und ca. 40 Kilometer Breite, die heiße Thermalquellen und lithiumhaltiges Wasser aufweisen. Diese Thermalquellen will unser Podcastgast jetzt anzapfen.

Aber von vorn: Neben den gängigen Batteriemetallen wie Kobalt, Nickel, Kupfer (und einigen anderen) wird auch Lithium bisher nicht in Deutschland gefördert. Das meiste Lithium kommt derzeit aus Südamerika, Australien und China. Warum? Weil es bisher preisgünstiger, in größeren Mengen und einfach schneller auf dem Weltmarkt verfügbar war. Das hat sich bereits bzw. wird sich bald ändern: Mit eigenen Geothermieanlagen versucht die "Vulcan Energy Ressources Ltd." Lithium zukünftig aus dem Oberrheingraben zu fördern. Und das auch noch mit CO2-negativem Ergebnis - also umweltschonenden Förderanlagen. Das deutliche nachhaltigere Lithium aus dem Oberrheingraben soll insgesamt für bis zu 400 Millionen E-Fahrzeuge (also fast ganz Europa) reichen. Für den Anfang rechnet unser Podcastgast Dr. Horst Kreuter noch mit bescheideneren Zahlen: "Wir möchten ab 2025 40.000 Tonnen Lithiumhydroxid pro Jahr fördern. Das genügt für die Herstellung von Batterien für circa 1 Mio. E-Autos pro Jahr", so Dr. Kreuter.

Die Zeit spielt ebenfalls für Dr. Kreuter und sein Team. Der Preis für eine Tonne Lithium stieg in den letzten zwei Jahren von etwa 10.000 auf rund 60.000 Euro an. Je höher der Preis am Weltmarkt, desto profitabler das Geschäft mit dem nachhaltigen Lithium aus dem Oberrheingraben. Kreuter und Vulcan kalkulieren bis zum eigenen Produktionsstart mit etwa 10.000 bis 20.000 Euro pro Tonne. Das damit sogar preiswertere hat dann drei Vorteile gegenüber dem Lithium aus Südamerika oder Australien: Es ist günstiger, nachhaltiger und umgeht weltweite Lieferketten.

Weiterführender Link zu Vulcan Energie Ressourcen:

Die Österreicherin Dr. Veronika Wright ist Diplom-Ingenieurin für Technische Physik und begeisterte E-Auto-Bastlerin. Neben ihrem Beraterjob für Automobilunternehmen arbeitet sie mit ihrem Mann an einem ehrgeizigen Projekt: Sie möchte ihr Verbrenner-Fahrzeug - einen 1999 Jeep Wrangler - in ein echtes E-Auto verwandeln. Und dabei möchten die beiden buchstäblich alles selbst machen: Vom Chassis flexen, über die Planung und Realisierung der Elektrik, Kalibrierung, alles rund um die Antriebsbatterien, die Steuerung, das Getriebe, Einbau des Motors - einfach alles!

Zu Beginn des Umbaus stellte sie sich jedoch einige Arbeitsschritte anders vor: So war die Kühlung der Batterie offenbar schwieriger als zunächst vermutet. Und auch das Onboard-Kommunikationssystem (Elektrik) war nicht einfach. Als Batterieexpertin war der Einbau der gebrauchten NMC-Zellen für Frau Wright allerdings weniger problematisch. Die Zellen (eines gecrashten Fahrzeugs) für die drei neuen Batteriemodule wurden eigenhändig ausgebaut, getestet, neu verbunden und wieder eingesetzt. Jetzt fehlt (bald) nur noch TÜV, dann kann's losgehen auf Jungfernfahrt! Zum Jahreswechsel möchten Dr. Veronika Wright und ihr Mann den Jeep fertigstellen.

YouTube-Kanal: Electrified Veronika

Batterieforschende arbeiten hart daran, eines Tages viel umweltschonendere Batterien zu bauen als derzeit. Warum diese unbearbeiteten Materialien eigentlich nicht gleich aus der Natur nehmen?

Genau das haben jetzt Wissenschaftler*innen aus USA gemacht. Sie nutzen dabei eine Chemikalie als Grundstoff, der auch in der Schale von Krebsen vorkommt: Chitin ist weder brennbar noch biologisch bedenklich. Durch chemische Verarbeitung und die Zugabe von Essigsäure kann Chitin wunderbar synthetisiert und als Elektrolyt für eine Zinkbatterie verwendet werden.

Auch am Helmholtz-Institut Ulm werden seit 2016 ungewöhnliche Batterien entwickelt: Batterien aus Apfelresten. Die Apfelreste werden dazu getrocknet und gesiebt. Später wird aus diesem Pulver ein kohlenstoffbasiertes Aktivmaterial hergestellt, das aus verschiedenen Schichtoxiden besteht. Das Material gilt bis heute als hochattraktiv und zeigt exzellente elektrochemische Eigenschaften.

Unser Podcastgast Professor Dr. Maximilian Fichtner berichtet auch eindrucksvoll von einem Stoff namens Kupfer-Porphyrin als Batteriematerial. Kupfer-Porphyrin steckt im blauen Blut von Spinnen. "Wir haben biologisches Kupfer-Porphyrin chemisch modifiziert und mit einem Trick stabilisiert", berichtet Fichtner. Man erreiche damit ähnliche Speicherkapazitäten wie mit Lithium und Natrium. Ein weiterer Vorteil bietet die Performance, also Schnelllade-Fähigkeit. Einziger bisher sichtbarer Nachteil sei, dass die neuen Zellen wieder einmal größer ausfallen als die Lithium-basierten Systeme.

Das Bild von Schifffahrt und ihrem Beitrag zur Klimakrise ist zwiespältig. Einerseits gelten Schiffstransporte im Gegensatz zu anderen Verkehrsträgern als klimafreundlicher. Andererseits werden Urlaubsreisen mit großen Kreuzfahrtdampfern immer wieder verteufelt. Prof. Sören Ehlers, Direktor des DLR-Instituts für Maritime Energiesysteme, erläutert in dieser Folge, wie Schiffe in Zukunft auf den Weltmeeren angetrieben werden. Wir besprechen mit ihm die Probleme, die der Treibstoff Schweröl im Moment verursacht und welche Antriebe und Kraftstoffe sich in Zukunft auf der Kurz- und Mittelstrecke und der Langstrecke anbieten für eine Transformation zu einer klimaneutralen Schifffahrt. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Reedereien und Schiffbauern und deren Herausforderungen beim Umbau der Flotten. Oder entscheiden am Ende wir als Verbraucher, wie schnell sich die Schifffahrt wandelt?

Weitere Infos zum DLR-Institut: https://www.dlr.de/ms/desktopdefault.aspx/tabid-15490/25160_read-63144/

Schon vor 20 Jahren sah unser Podcastgast Dipl.-Ing. Christian Machens Wasserstoff (H2) als möglichen Energieträger für die zukünftige E-Schifffahrt an, da das Gas schon vor 20 Jahren verfügbar (wenn auch nicht erneuerbar hergestellt!), kosteneffizient und sicher eingesetzt werden konnte. Um seinem Professor zu imponieren und die Machbarkeit zu beweisen, baute er kurzerhand selbst ein Wasserstoff-Boot. Damit nicht genug: Sein kleines Team aus Ingenieuren schuf im Leipziger Hafen (mal nebenher) eine erste maritime Wasserstoff-Tankstelle für Schiffe.

Christian Machens sieht bis heute große Potenziale, weite Teile der Schifffahrt zu elektrifizieren. Inbesondere bei kleineren Fähren, Segel- und Privat-Booten könnte vorhandenes Freivolumen schon heute mit E-Technik befüllt werden, da Gewicht eine eher untergeordnete Rolle in der Schifffahrt spielt.

Der Antriebsstrang der HYDRA bestand aus folgenden #Komponenten:

Bisher enthalten fast alle Batterien, egal ob im Smartphone oder im Elektroauto, Metallverbindungen, wie Lithium, Kobalt oder Nickel. Die Gewinnung und das Recycling der Metalle sind aufwändig, teuer und oft mit Umweltproblemen verbunden. Unser Gast, Birgit Esser, Professorin für Organische Chemie an der Universität Ulm, forscht an organischen Batterien, die auf Kunststoffen, genauer synthetischen Polymeren, basieren und ohne Metalle auskommen. Solche organischen Batterien sind ressourcen-freundlich und einfacher zu rezyklieren. Um Kunststoff zu verarbeiten, ist weniger Energie notwendig als bei Metall, wodurch sie umweltfreundlicher und günstiger sind. Zudem hat dieser Batterietyp bereits den Markt erreicht. Eine Ausgründung des MIT namens PolyJoule hat bereits über 10.000 solcher Plastik-Batterien produziert und verkauft.

Für die künftige Wasserstoffversorgung müssen große Mengen über weite Strecken transportiert werden. Der Aufwand den Energieträger und Chemierohstoff zu transportieren, ist jedoch vergleichsweise groß.

Alternativen zum Flüssigtransport von H2 sind die Nutzung von Trägern wie Ammoniak oder Methanol. Ammoniak ist brennbar und kann in Brennstoffzellen direkt zu Strom umgesetzt werden. Ammoniak verbrennt zu Stickstoff und Wasser und ist damit klimaneutral. Es hat im Moment unter den Alternativen den technologisch höchsten Reifegrad zum Transport und zur Lagerung. Dr.-Ing. Gunther Kolb vom Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM erläutert, wie Ammoniak, aber auch Methanol für den Transport von Wasserstoff genutzt werden kann, und beides auch in Brennstoffzellen zum Einsatz kommt.