Gibt es Alternativen zur Lithium-Ionen-Batterie? Neue Roadmap befasst sich mit alternativen Batterietchnologien

fTeilen

Eine neue Roadmap des Fraunhofer ISI befasst sich mit alternativen
Batterietechnologien für den Zeitraum bis 2045. Deren
technologiespezifische Vorteile, zukünftige Anwendungsgebiete, Märkte und
Lieferketten werden darin genauso analysiert wie die Position Europas, die
Kosten sowie die industrielle Skalierbarkeit. Auch zeigt die Roadmap
Handlungsfelder für die EU und Deutschland im Hinblick auf
Technologiesouveränität auf. Die Roadmap entstand im Rahmen der BMBF-
Begleitforschung BEMA II.

Aufgrund ihres breiten Einsatzspektrums in Elektro-Pkw oder -Lkw sowie in
stationären und mobilen Endgeräten stellen Lithium-Ionen-Batterien (kurz
LIBs) aktuell die auf dem Markt dominierende Batterietechnologie dar. Im
Jahr 2023 wird die globale Marktnachfrage voraussichtlich eine Kapazität
von fast einer TWh erreicht haben. Aufgrund der zunehmenden
Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen wird die Batterie-nachfrage
weiterhin deutlich steigen und sich vervielfachen.

Bei den derzeit international entstehenden Batterie-Ökosystemen spielen
neben der Wettbewerbsfähigkeit besonders Fragen der geopolitischen
Abhängigkeiten und damit der Produktionsstandorte, Lieferbeziehungen und
schließlich der technologischen Souveränität eine zentrale Rolle. In
Deutschland und Europa bestehen noch etliche Herausforderungen, wie die
Verringerung von Rohstoffabhängigkeiten, die Sicherung des Zugangs zu
Batteriezellen und vorgelagerten Lieferketten sowie Anstrengungen zur
Senkung des Ressourcenverbrauchs bis hin zum Aufbau einer
Recyclingwirtschaft. Dabei stellt sich auch die Frage, ob und welche
alternativen Batterietechnologien helfen könnten, die genannten
Abhängigkeiten im Kontext der zukünftig steigenden Bedarfe zu verringern
und zugleich ökonomische, ökologische oder technologische Vorteile
gegenüber den dominierenden LIBs zu erzielen.

Hierzu hat das Fraunhofer ISI in einer neuen Roadmap alternative
Batterietechnologien – insbesondere ausgewählte Metall-Ionen-, Metall-
Schwefel-, Metall-Luft- und Redox-Flow-Batterien – für den Zeitraum bis
2045 betrachtet. Darin werden technologische Vorteile, künftige
Anwendungsgebiete, Märkte und Lieferketten, die Position Europas sowie die
Kosten und die industrielle Skalierbarkeit analysiert. Auch zeigt die
Roadmap Handlungsfelder für die EU und Deutschland in Hinblick auf
Technologiesouveränität auf. Die erlangten Erkenntnisse beruhen auf einer
umfassenden Litera¬turrecherche, einer Online-Umfrage, einer ausführlichen
Expertenbefragung sowie einem Experten-Workshop.

Die Roadmap beantwortet eine Reihe von Fragen, die sich aktuell mit Blick
auf alternative Batterietechnologien stellen:

Welche technologischen Vorteile haben alternative Batterietechnologien?

Viele alternative Batterietypen wie Metall-Ionen- (z.B. Natrium-Ionen-
oder Zink-Ionen-Batterien) oder Metall-Luft-Batterien (z.B. Zink-Luft-
Batte¬rien) bieten hohes Potenzial für mehr Nachhaltigkeit, geringere
Kosten oder weniger Ressourcenverbrauch, weisen aber teilweise auch
Nachteile wie eine geringere Energiedichte oder eine geringe
Technologiereife auf. Metall-Schwefel-Batterien können etwa eine höhere
Ener-giedichte besitzen und ihre Kosten dürften aufgrund der niedrigen
Schwefel-Kosten pro kWh voraussichtlich deutlich geringer als die der LIBs
ausfallen. Redox-Flow-Batterien sind bereits auf dem Markt ver¬fügbar,
müssen sich aber in Punkto Kosten und CO2-Fußabdruck noch verbessern.

Welche Anwendungen kommen für alternative Batterietechnologien in Frage?

Für mobile Anwendungen stehen Natrium-Ionen-Batterien kurz vor der
weitreichenden Kommerzialisierung, erste Natrium-Ionen-Batterien werden
bereits bei elektrischen Zweirädern und Kleinwagen eingesetzt. Lithium-
Schwefel-Batterien könnten ab 2035 in größeren Drohnen und ab 2040 sogar
in weiteren elektrischen Fluggeräten zum Einsatz kommen. Bei stationären
Anwendungen sind die Anforderungen z.B. an die Energiedichte geringer,
hier könnten teilweise schon auf dem Markt verfügbare Speichersysteme wie
Redox-Flow-Batterien, Salzwasser- oder Natrium-Schwefel-Hochtemperatur-
Batterien in naher Zukunft relevanter werden – genau wie Natrium-Ionen-
Batterien, die sich durch eine gute Ressourcenverfügbarkeit, Sicherheit
und Tiefentladefähigkeit auszeichnen oder auch Zink- oder Aluminium-Ionen-
Batterien.

Gibt es alternative Batterietechnologien, die die Abhän¬gigkeit von
Rohstoffen deutlich verringern?

Aufgrund ihrer geringeren Energiedichte gegenüber LIBs benötigen einige
vielversprechende alternative Batterietechnologien zwar größere Mengen an
Rohstoffen, um die gleiche Speicherkapazität zu erzielen. Viele der nicht
auf Lithium basierenden Technologien benötigen dafür jedoch weniger
kritische Rohstoffe als LIBs. Mangels großer Anwendungsgebiete und Märkte
wird die Produktion und Versorgung mit Lithium, Nickel und Kobalt dennoch
vorerst kritisch bleiben – insbesondere in den nächs¬ten 5 bis 10 Jahren.

Sind alternative Batterietechnologien absehbar, die ähnlich wie LIBs
produzier- und skalierbar sind?

Metall-Ionen Batterien, die nicht zu den LIBs zählen, sind hier im
kommenden Jahrzehnt vielversprechend, weil ihre Produktionsschritte denen
von LIB sehr ähnlich sind. Bestehende Produktionstechnologien und
-umgebungen könnten direkt genutzt (Drop-in-Technologien) oder müssten nur
begrenzt angepasst werden.

Können alternative Batterietechnologien günstiger als LIBs werden?

Obwohl alternative Batterietechnologien potenziell niedrigere
Materialkosten als LIBs aufweisen, dürften ihre Zellkosten aufgrund des
geringen Produktionsumfangs anfangs höher liegen. Eine Skalierung der
Produktion bringt erhebliche Kostenvorteile mit sich, wofür aber
ausreichend große Märkte und Anwendungen im GWh-Maßstab notwendig sind.

Wie ist Europa bei alternativen Batterietechnologien aufgestellt?

Patent- und Publikationsanalysen zeigen, dass die EU-Länder zum Beispiel
bei Redox-Flow-Batterien, Lithium-Luft- oder Aluminium-Ionen-Batterien
besser aufgestellt sind als derzeit bei LIBs – Japan und China bleiben
hier aber führend. Bei einigen alternativen Batterietechnologien weisen
die EU-Länder eine hohe Dynamik mit jährlichen Wachstumsraten zwischen 10
und 50 Prozent auf, bei LIB beträgt das Wachstum etwa 10 Prozent.

Dr. Annegret Stephan, wissenschaftliche Koordinatorin der Roadmap am
Fraunhofer ISI, weist zudem auf den Unterstützungsbedarf seitens der
Politik hin, um das Potenzial alternativer Batterietechnologien zu
erschließen: »Gerade in der Anfangsphase, in der die zukünftige
Marktentwicklung noch ungewiss ist, können Anreize für die Industrie
hilfreich sein. Ein ganzheitlicher politischer Ansatz, der die gesamte
Lieferkette, die Grundlagenforschung zu technologiespezifischen Fragen,
Patenten, Produktionsprozessen, die Sicherung von Ressourcen und die
Perspektiven von Endnutzenden berücksichtigt, ist hier essentiell. Dieser
Ansatz sollte neben großen Unternehmen auch KMUs und Start-ups
einbeziehen.« Laut den Studienautor:innen ist ein solch ganzheitlicher
Ansatz jedoch mit hohen Kosten und Risiken verbunden und kann daher nur
auf eine begrenzte Anzahl von Technologien angewendet werden.
Systematische und regelmäßige Screening-Prozesse für die Auswahl von
Schlüsseltechnologien sowie Kriterien für eine mögliche Been¬digung der
Förderung sind dabei besonders wichtig.

Das Autorenteam der Roadmap zieht folgendes Fazit: LIBs werden auch
weiterhin den Markt dominieren, ausgewählte alternative
Batterietechnologien können aber in bestimmten Märkten und Anwendungen
eine Entlastung von Rohstoff-, Produktions- und Lieferabhängigkeiten
schaffen und damit zur Technologiesouveränität beitragen – dafür sind aber
weitere Anstrengungen im Bereich Forschung und Entwicklung in Deutschland
sowie der EU notwendig und lohnenswert.