Geladen - der Batteriepodcast zur Energiewende

Neue chinesische Festkörperbatterie erklärt Das bislang größte "Batteriebeben" in diesem Jahr: CATL kündigt am 19. April mit seiner „Condensed Matter Batterie“ Zellen mit über 500 Wh/kg an! Und wir fragen uns: Handelt es sich womöglich um die erste Festkörperbatterie in der Massenproduktion? Und wo bleiben die Europäer in diesem Rennen? "Bei der Condensed Battery von CATL handelt es sich um eine sog. 'Almost Solid-State Battery'(ASSB)", sagt Prof. Maximilian Fichtner. Derzeit arbeiten schon einige Unternehmen an der Entwicklung solcher Semi-Festkörperbatterien (SolidPower, ProLogium, Amprius, Ganfeng, etc.). Allerdings trauen Experten nur wenigen Herstellern zu, dieses Ziel auch in den nächsten Jahren zu erreichen. "Im Gegensatz zu Startups wie QuantumScape hat CATL die Produktionskapazitäten und -erfahrungen, um innovative Batterien schnell zu bauen", so Fichtner. Mit Blick auf die "Condensed Battery" fasst CATL's Chefentwickler Wu Kai zusammen: „Die Batterie kombiniert innovative Kathodenmaterialien mit ultrahoher Energiedichte, neue Anoden- und Separatormaterialien mit einem komplett neuartigen Elektrolyten". Die Batterieforschung fragt sich, welche Zellchemie in der "Condensed Battery" steckt: Lithium-Metall-Batterie? Silizium-Anode? anodenfreie Batterie? Lithium-Schwefel-Batterie? Wenn sich CATLs Ankündigungen bewahrheiten sollten, dann käme die neue Zelle mit 500 Wh/kg auf fast die doppelte Energiedichte als Teslas 4680-Zellen (280 Wh/kg). In diesem Fall würden Luxus-Pkws bald Reichweiten von 1.500 bis 2.000 Kilometer erreichen können. Angeblich testet CATL die Batterie schon mit Luftfahrt-Unternehmen für den Einsatz in Flugzeugen. Unser Podcastgast Prof. Maximilian Fichtner neigt deshalb dazu, eine andere (und bisher wenig beachtete) Zellchemie ins Spiel zu bringen: Handelt es sich evtl. um Lithium-Schwefel-Batterien? Weiterführende Links: CATL Pressemitteilung: https://www.catl.com/en/news/6015.html Podcast zu Lithium-Schwefel-Batterien (Geladen-Folge) https://www.youtube.com/watch?v=vCQzW0qPnOw Podcast zu Batterieantrieben in der Luftfahrt (Geladen-Folge) https://www.youtube.com/watch?v=DagOmBPn-EM

Wie bei der Batteriefertigung Millionen gespart werden könnten Frische Batteriezellen werden traditionell direkt nach ihrer Fertigung bis zu 24 Stunden vorsichtig erstgeladen. Dieser "Formierungsprozess" ist kostenintensiv, aufwändig und dauert meist ca. 24 Stunden. Eine Gruppe von Ulmer Batterieforschern hat nun ein Verfahren entwickelt, was schon sehr bald Millionen von Euros einsparen könnte: Die Wissenschaftler wenden dabei eine Kombination aus "gepulstem Laden" und Künstlicher Intelligenz an. Dies führt nicht nur zu hochwertigeren Zellen und weniger Produktionszeit (nämlich nur 10 Stunden!), sondern auch zu weniger Ausschuss. Unser heutiger Podcastgast, Prof. Dr.-Ing. Helge Sören Stein, arbeitet am Karlsruher Institut für Technologie, dem Helmholtz-Institut Ulm und am POLiS-Exzellenzcluster. Als Materialforscher widmet er sich eigentlich der Erforschung und Optimierung neuer Batteriematerialien. Über den "InZePro-Kompetenzcluster" und das Forschungsprojekt "InForm" ist seine Forschungsgruppe ebenfalls in die Neuentwicklung innovativer Produktionsprozesse involviert. Die "Formation" ist einer der kostenintensivsten Prozesse innerhalb des gesamten Produktionsvorgangs einer Batteriezelle. Dabei werden die ersten Lade- und Entladevorgänge der Batteriezelle vorgenommen. Die Parameter (Strom- und Spannungsverläufe) während der Formation sind je nach Zellhersteller sehr unterschiedlich, aber beeinflussen immer in einem hohen Maße die spätere Zellperformance. Traditionell werden Zellchargen standardisiert in 24 Stunden erstgeladen und unterliegen dabei einem bestimmten Schema aus Lade- und Entladevorgängen. Und genau hier kommt Steins Forschungsgruppe ins Spiel: Über gepulstes Laden in Echtzeit werden die frischen Zellen bei dem neuen Verfahren in nur ca. 10 Stunden formiert. Und dabei wird jede Zelle auch individuell nach Spannungsänderung und Innenwiderstand behandelt. Das spart Zeit, Kosten und führt zu viel weniger Zellen, die sich später als unbrauchbar herausstellen.

Podcast über "Forever"-Batterien In Batterien treten normalerweise elektrochemische Reaktionen auf, die strukturelle Veränderungen in Materialien verursachen. Einige davon sind beabsichtigt - nur so kann die Batterie effektiv als Stromspeicher dienen. Andere führen langfristig als ungewollte Nebeneffekte zu einer drastischen Verringerung der Batterieleistung. So entwickeln sich beispielsweise durch das "Lithium-Plating" sog. Dendriten, die als metallische Lithium-Nadeln einen Kurzschluss innerhalb der Zelle auslösen können. Auch die SEI-Schicht ("Solid-Electrolyte-Interphase") kann unschöne Risse bekommen, sodass die Batterie immer mehr an Kapazität und Leistung verliert. Innerhalb des EU-Projekts "BAT4EVER" konzentrieren sich Wolfgang Binder und Anja Marinow auf Selbstheilungsmechanismen dieser Mikroschäden und Materialverluste, die besonders während Lade- und Entladezyklen entstehen. Die beiden widmen sich Materialcharakterisierungs-Methoden und einer Modellierung von Materialverhalten. Laut Prof. Dr. Wolfgang Binder arbeiten auch namhafte Batteriehersteller wie StoreDot im Bereich der Batterie-Leistungselektronik daran, eine (normalerweise unbeabsichtigte und gefährliche) Tiefentladung von Zellen herbeizuführen und durch einen geordneten Spannungs- und Strom-Impuls perspektivisch Kapazität und Leistung wieder zurück zu gewinnen. Diese Rückgewinnungsmechanismen befinden sich jedoch (wie alle selbstheilenden Batteriekonzepte) noch allesamt noch in der Entwicklungsphase. Weiterführende Links: https://battery2030.eu/battery2030/projects/bat4ever/ https://cordis.europa.eu/project/id/957225 https://inhabitat.com/storedot-is-making-self-healing-ev-battery-technology/

Podcast über Hybride aus Ultrakondensatoren & Batterien Dr. Sebastian Pohlmann ist Vice President of Business Development beim estnischen Unternehmen Skeleton Technologies. Skeleton ist Entwickler und Hersteller von Energiespeichern für Transport-, Netz-, Automobilanwendungen. Dr. Simon Fleischmann leitet die Arbeitsgruppe "Nanoconfined Electrochemical Interfaces" am Helmholtz-Institut Ulm. Tatsächlich gibt es sie schon heute, die Hybride aus Batterien und Superkondensatoren. Dabei versuchen die Materialforscher, sich die Charakteristika beider Welten zunutze zu machen: Das Ziel, die Leistungsdichte der Kondensatoren und die Energiedichte der Batterien zu kombinieren ist zwar nicht bahnbrechend neu, jedoch erscheint sie heute vielversprechender denn je. Das estnische Unternehmen Skeleton Technologies macht es mit seiner "SuperBattery" vor: Diese hybriden (batterieähnlichen) Superkondensatoren erreichen bis zu 50.000 Ladezyklen bei ultraschneller 1-minütiger Aufladung. Angeblich ist die "SuperBattery" - wie jeder Superkondensator - noch immer frei von Kobalt, Kupfer und Nickel. Ebenfalls kommt sog. "gekrümmtes Graphen" zum Einsatz. Im Podcast gibt HIU-Wissenschaftler Dr. Fleischmann eine Einschätzung ab, was von dieser Batterie-Innovation zu halten ist. Die "SuperBattery" soll in Hybrid- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen, Bussen, Lastwagen und Ladeinfrastruktur eingesetzt werden. Auch bei Bergbau- und bei Offroad-Maschinen macht sich das Unternehmen Hoffnung, bald große Stückzahlen zu erreichen. Weiterführende Links: https://www.skeletontech.com/superbattery

Podcast über Strompreise & Erneuerbare Energien Wie kommen die Strompreise zustande? Ist das Merit-Order-Modell, durch das der Preis an der Strombörse gebildet wird, in Bezug auf die vermehrte Umstellung auf erneuerbare Energien noch zeitgemäß? Unser Experte im Geladen Podcast, Prof. Dr. Bruno Burger (KIT & Fraunhofer) geht davon aus, dass es in Zukunft immer häufiger zu Extremsituationen kommt wie am 10. Februar 2023. Es gab viel Wind im Norden, niedrige Börsenstrompreise, die Kraftwerke im Süden wurden nicht eingesetzt, Pumpspeicher kauften dann viel Strom, die Nord-Süd-Leitungen hatten zu wenig Kapazität und so wurden im Süden Kraftwerke zum Redispatch aktiviert. Wir diskutieren die Strompreiszonen, eine Reform des Merit-Order sowie die Stromtrassen und den Netzausbau.

Podcast über Deutschlands Atomausstieg Die Tage der deutschen Atomkraft sind gezählt. Mitte April 2023 sollen die letzten drei Kernkraftwerke vom Netz gehen. Der deutsche Atomausstieg, der erstmalig unter der rot-grünen Bundesregierung zu Beginn des Jahrtausends angestoßen wurde, soll damit endlich abgeschlossen sein. Doch nun bäumt sich ein letzter Meinungswiderstand auf: Sogar die Tagesthemen (Quelle: Kerstin Palzer, Das Erste, 07.03.2023) sprachen sich in einem Kommentar gegen den endgültigen Ausstieg aus der Kernenergie aus. Grund: Die höheren Stromkosten, die angeblich aus der Abschaltung der letzten drei Atommeiler resultieren würden, verstärkten die allgegenwärtige Energiekrise. Unser Podcastgast Stefan Krauter, Professor für "Elektrische Energietechnik (EET)" an der Universität Paderborn, widerspricht: Die deutschen Kernkraftwerke trögen schon heute, in Zeiten hoher Einspeisung von Erneuerbarer Energien, nicht (mehr) zu niedrigeren Strompreisen bei. Ein Vergleich mit französischen AKWs ergäbe, dass diese ihrerseits hoch subventioniert würden. Abgesehen von hohen Baukosten für neue KKW, wenige Endlagerstätten für radioaktive Brennstäbe und die Sicherheitsfrage (Fukushima/Tschernobyl), seien die Kernkraftwerke sowieso inkompatibel mit fluktuierendem Grünstrom. Kurzum: Sie ist sehr schlecht regelbar. Zudem sei die Produktion von grünem Wasserstoff keine realistische Option, da Elektrolyseure und Brennstoffzellen noch zu unrentabel und wirkungsarm seien. Laut Krauters Forschungen zu "nachhaltigen Energiekonzepten für die Energiewende" sei der grüne Energiemix aus Sonne, Wind, Wasser, Biogas und Geothermie schon in 10-15 Jahren ausreichend, um 100% des deutschen Strombedarfs zu decken. Dazu ist ein massiver Ausbau von grünen Stromerzeuger, der Stromnetze (Trassen) und der Speicherkapazitäten (u.a. Batterien) nötig. Dazu käme eine Sektorenkopplung, die ebenfalls Energie-Einsparungen ermögliche. Weiterführende Links: https://www.tagesschau.de/ausland/europa/atomkraft-eu-101.html

Podcast über einen stationären Speicher Das Unternehmen CMBlu preist seine Organic-Flow-Batterien als umweltfreundliche stationäre Speicher für erneuerbare Energien an, die auch noch kostengünstig und gut skalierbar sein soll. Die Organic-Flow-Technologie soll die hohe Energiedichte von Festkörperbatterien mit der beliebigen Skalierbarkeit von Kapazität und Leistung von Flow-Batterien vereinen und kommt ohne die Verwendung seltener Rohstoffe aus. Das verwendete Material - Lignin - kann als Nebenprodukt aus Papierfabriken gewonnen werden. Es wird in zwei separate Tanks gefüllt und in einer speziellen Anlage für eine biochemische Reaktion zusammengeführt. Nach Angaben des Unternehmens ist das Material organisch, nicht brennbar, nicht explosiv und kann mehr als 10.000 Ladezyklen überstehen. Das Batteriesystem ist als Mehrzellenstapel konzipiert und eignet sich in erster Linie für stationäre Speicheranwendungen. Durch die Modularität lässt es sich problemlos in den Gigawattbereich skalieren. Diese Ankündigungen überprüfen wir mit Prof. Birgit Esser von der Universität Ulm.

Podcast über einen großen Forschungserfolg Batterieselbstentladung bedeutet, dass eine Batterie einen Teil ihrer Kapazität verliert, nachdem sie über einen bestimmten Zeitraum bei einer bestimmten Temperatur gelagert wurde. Die Selbstentladung der Batterie ist eine interne chemische Reaktion, die in Batterien stattfindet. Die Batterie wird entladen, obwohl kein Verbraucher angeschlossen ist. Wenn eine wiederaufladbare Batterie nicht benutzt wird, verliert sie also etwas Ladung. Warum das so ist, war bis vor kurzem in der Forschung nicht abschließend geklärt. Forscherinnen und Forscher der Dalhousie University in Kanada haben mit einer Entdeckung nun dieses Geheimnis gelüftet und der Grund ist viel banaler, als man sich vorstellen kann. Wir sprechen mit den beiden Forschern Sebastian Büchele und Tom Bötticher über ihre Entdeckung. Weitere Infos: Links zu den beiden Veröffentlichungen: https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/acb10c https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/acaf44 YouTube-Kanal von Tom Bötticher: https://www.youtube.com/@doktorwissenschaft

Podcast über netzdienliche Batterien Unser heutiger Podcastgast ist Dr. Andreas Piepenbrink, Chef vom deutschen Heimspeicherhersteller E3/DC. Der ehemalige Automobilmanager erläutert zunächst die immer größere Nachfrage nach stationären Batteriespeichern für das Eigenheim. Diese Nachfrage ist neben dem zweiten Photovoltaik-Boom natürlich auch auf den Ukrainekrieg und die damit einhergehenden hohen und volatilen Strompreise zurückzuführen. Viele Heimspeicherbesitzer fragen sich: "Kann ich meinen Heimspeicher denn schon intelligent laden und an dynamische Stromtarife koppelen?" (YouTube-Kommentar). Dies hänge am Batteriehersteller und insb. an der Software, die den Heimspeicher steuert, so Piepenbrink. Seinen E3DC-Kund*innen macht er schon jetzt Hoffnung, dass diese Logiken für sie sehr bald zugänglich seien. Ein positives Marktsignal sind die weggefallenden V2H-Restriktionen, durch die das Konzept "Vehicle-to-Home" nun Realität wurde: Seit wenigen Monaten können E-Auto-Besitzer in Deutschland ihr Eigenheim mit Strom aus der Antriebsbatterie ihres E-Autos versorgen. Zwar sind vielerorts noch Anmeldungen nötig, doch scheinen hier alle Steine aus dem Weg geräumt. Das bidirektionale Laden von E-Autos habe laut Piepenbrink jedoch nach wie vor Grenzen: Speziell die Netzdienlichkeit der E-Autos (Vehicle-to-Grid) scheint - entgegen anderer Stimmen hier im Podcast - nach wie vor in weiter Ferne. Fast alle derzeitigen Wallboxen und E-Autos seien technisch nicht dazu geeignet, irgendwann netzstützend eingesetzt zu werden. "Eine bittere Pille", meint Piepenbrink. Weiterführende Links: https://www.e3dc.com/ https://www.pv-magazine.de/2022/12/21/bidirektionales-laden-mit-photovoltaik-heimspeichersystem-kommt-ab-2023/ https://www.mobilityhouse.com/de_de/vehicle-to-grid https://www.n-tv.de/der_tag/Habeck-will-Elektroautos-als-Stromspeicher-nutzen-article23760023.html

Podcast über NIOs Batteriewechsel-Stationen Manche Elektroautos können am Schnelllader von 10 auf 80 Prozent in 18 Minuten geladen werden. Dies ist jedoch bisher die Ausnahme. Ein Batteriewechsel, wie ihn der chinesische Autobauer NIO anbietet, geht mit 5 Minuten deutlich zügiger. Wir ordnen die Aussagen von NIO-Vertreter, Daniel Medawar, aus der letzten Folge gemeinsam mit Dr. Joachim Sann von der Universität Gießen ein und stellen das Wechseln und das Laden der Antriebsbatterie gegenüber. Spannend bei den beiden Konzepten wird, ob ein gut ausgebautes Schnellladenetz mit besseren Ladezeiten die Wechselstationen wieder vertreiben wird oder ob der Batterietausch vielleicht sogar Schnellladestationen überflüssig machen kann, wenn auch andere Autobauer das Konzept übernehmen. Ein Knackpunkt für den Batteriewechsel mit anderen Automarken wird die Standardisierung der Antriebsbatterien sein.