Unter der Lupe: Ohne neue Batterietechnologien keine Energiewende!

Die Batterie oder der Akku sind aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Wir finden sie in Elektroautos und Energiespeichern, Smartphones und Tablets oder Herzschrittmachern. Damit gehört die Batterietechnologie zu den Schlüsseltechnologien der Energiewende. Sie hilft uns, regenerative Energien zu speichern und auf fossile Rohstoffe zu verzichten.

Zudem werden die Produktionskapazitäten erheblich steigen. Bis 2030 wird rund ein Viertel der global prognostizierten elektrischen Leistung allein in Europa entstehen. Damit weist der Batteriemarkt in Europa und Deutschland ein großes wirtschaftliches Potenzial auf.

Aber welche technischen Herausforderungen gilt es zu meistern und welchen Beitrag leistet Nordrhein-Westfalen?

Volta’s erste Batterie, die Voltaische Säule
Foto: SSShupe is licensed under CC BY-NC 2.0.

Technische Herausforderungen

Wie sieht eigentlich eine ideale Batterie aus? Sie ist langlebig, nachhaltig, sicher, lässt sich schnell aufladen und kostet wenig. Und natürlich gibt es diese Batterie noch nicht. Für den Sprung ins Zeitalter der Elektromobilität und einer nachhaltigen Energienutzung brauchen wir aber neue Batterietechnologien. Dabei sollen sie möglichst ohne kritische Rohstoffe auskommen und regenerative Energien nutzen.

Hier sind einige Schwerpunkte in der Batterieforschung:

  • Batteriechemie: Die Batteriechemie ist der Kern der Batterieforschung, da sie sich auf die Entwicklung neuer Materialien und Prozesse zur Verbesserung der Energiespeicherkapazität und Leistungsdichte von Batterien konzentriert. Die Forschung konzentriert sich derzeit auf chemische Systeme wie Lithium-Ionen, Lithium-Schwefel, Natrium-Ionen, Feststoffbatterien und andere. Die Feststoffbatterie beispielsweise bietet viel Energie auf kleinem Raum bei geringem Gewicht. Dies ist besonders für Elektrofahrzeuge interessant. 
  • Sicherheit und Nachhaltigkeit: Batterien können potenziell gefährliche Chemikalien enthalten und sind oft schwer zu recyceln. Daher konzentriert sich die Batterieforschung auch auf die Entwicklung sicherer und nachhaltiger Batterien, die sowohl für den Benutzer als auch für die Umwelt unbedenklich sind.
  • Energieeinsparung bei der Produktion: Einige Produktionsabschnitte bei der Batterieproduktion sind besonders energiefressend. Dem kommt eine besondere Bedeutung zu, da wir hier in der Regel von einer Produktion im Gigawatt-Bereich sprechen. Die einzelnen Prozessschritte bei der Produktion von Batterien verbrauchen viele Ressourcen. Besonders energieintensive Arbeitsschritte sind beispielsweise die Formierung (elektrochemische Inbetriebnahme der Batteriezelle) und die anschließende Reifung der Batteriezellen.
  • Automatisierung und Skalierbarkeit: Die Batterieproduktion erfordert oft eine hohe Automatisierung, um die Produktionseffizienz und -qualität zu erhöhen und die Arbeitskosten zu senken. Die Skalierbarkeit der Produktion ist eine weitere Herausforderung, da der Bedarf an Batterien aufgrund der wachsenden Nachfrage stark steigen wird.

Insgesamt konzentriert sich die Batterieforschung darauf, die Leistung, Lebensdauer, Sicherheit und Nachhaltigkeit von Batterien zu verbessern, um eine breitere Nutzung in verschiedenen Anwendungen zu ermöglichen.

Was ist was?

Batterie: Oberbegriff für Energiespeicher, auch als Bezeichnung für einen nicht wiederaufladbaren Energiespeicher (Taschenrechner, Hörgeräte oder Rauchmelder) genutzt.

Akku(mulator): Batterien, die wiederaufladbar sind (Mobiltelefone, Laptops, Elektrofahrzeuge oder Herzschrittmacher)

Energie: Energie ist eine physikalische Größe, die eine Fähigkeit oder Potenzial eines Systems beschreibt, Arbeit zu leisten oder Wärme abzugeben. Die Erzeugung von Energie im eigentlichen Sinne ist nicht möglich, da das Gesetz von der Erhaltung der Energie besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann, sondern nur in andere Formen umgewandelt werden kann.
(Beispiel: Bei der Verbrennung von Kohle wird die in den Kohlenstoffmolekülen gespeicherte chemische Energie in Wärmeenergie umgewandelt, die dann in Dampf umgewandelt wird, um Turbinen anzutreiben, die einen Generator antreiben, der Elektrizität erzeugt.)

Energiespeicher: Anlagen, die Energie mit dem Ziel der elektrischen, chemischen, elektrochemischen, mechanischen oder thermischen Speicherung aufnehmen und einer zeitlich verzögerten Nutzung wieder zur Verfügung stellen.

Erfinder der Batterie: Allessandro Volta. Um 1800 herum entlockt er in Salzlösung geschichteten Kupfer- und Zinkscheiben Strom; die sogenannte Voltasäule gilt als Vorläufer der heutigen Batterien.

Das Wort Batterie: Der Begriff selbst kommt ursprünglich aus dem Militär-Bereich und beschrieb eine Reihe gefechtsbereiter Kanonen und deren Bedienungsmannschaft. Folglich besteht eine Batterie aus mehreren nebeneinander gestellten Gegenständen (ursprünglich eben Kanonen), die zusammen eine höhere Wirkungskraft erzielen.

Der Batteriemarkt in Nordrhein-Westfalen und Deutschland muss autarker werden

Die verstärkte Weiterentwicklung der verschiedenen Batterien und Energiespeichersysteme ist auch angetrieben vom Wunsch nach einer unabhängigeren Stromversorgung – insbesondere, da die Nachfrage nach leistungsfähigen Batterien und Energiespeichern stark ansteigen wird.
Bisher kamen viele Batterietechnologien aus Fernost. Weltweite Krisen wie die Corona-Pandemie haben verdeutlicht, dass die europäische und deutsche Wirtschaft in den Schlüsseltechnologien unabhängiger werden muss. Das Gebot der Stunde lautet: technologische Souveränität. Deutschland und Europa müssen in der Lage sein, Schlüsseltechnologien zu verstehen, herzustellen und weiterzuentwickeln. Daher hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung die Schwerpunkte in dieser Schlüsseltechnologie neu formuliert. Das Dachkonzept Batterieforschung soll eine enge Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie, Investitionen in neue Technologien und Prozesse und eine kontinuierliche Verbesserung der Fertigungspraktiken ermöglichen.

Die Zukunft der Batterie kommt aus Münster

Grundsätzlich können in Deutschland nahezu alle Produktionsschritte zur Herstellung von Batteriematerialien und -zellen von deutschen Firmen aufgebaut werden. Im Gegensatz zum asiatischen Markt gibt es in Deutschland allerdings keine Firmen, die mit ihrer Anlagentechnik als Generalunternehmer zum Aufbau ganzer Produktionslinien und Fabriken auftreten (können). Zudem fehlt es derzeit noch an Know-how und praktischer Erfahrung aus dem Dauerbetrieb von Batteriezellproduktionen.
Daher beinhaltet das Dachkonzept Batterieforschung auch die Gründung der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB in Münster. Sie stellt eine Infrastruktur zur Verfügung, mit der kleine und mittlere Unternehmen, aber auch Großunternehmen und Forschungseinrichtungen die seriennahe Produktion neuer Batterien erproben, umsetzen und optimieren können.

Beschichtung der Kupferfolie mit Aktivmaterial (Tipper) (Anode und Kathode der Batterie) im Workspace der Fraunhofer FFB / Foto: © Studio Wiegel

NRW-Ministerpräsident Hendrik Wüst übergab vor kurzem die Gebäude der sogenannten „FFB PreFab“ an die Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.. Diese beginnt nun auf rund 6.450 Quadratmetern Forschungsfläche mit dem Einbau der Nutzeranlagen und nimmt schrittweise den Forschungsbetrieb auf. In der „FFB PreFab“ wird eine Musterlinie für die komplette Batteriezellproduktion im Pilotmaßstab aufgebaut, die einen wichtigen Zwischenschritt auf dem Weg zum Industriemaßstab darstellt.

Fachkräfte gesucht!

Ganz eindeutig befindet sich die europäische und deutsche Batteriezellindustrie also aktuell in einer entscheidenden Hochlaufphase. Dr. Thomas Paulsen von der Fraunhofer FFB prognostiziert sogar, dass „Europa, besonders aber auch Deutschland in den nächsten Jahren zu einem Batterie-Hotspot werden“.

Und natürlich, wie sollte es anders sein, begegnet uns in dieser Branche auch das Fachkräfte-Thema.
Phillip Suttmeyer, von der Fraunhofer FFB, nimmt an, dass bereits bis 2025 ein Fachkräftebedarf von rund 800.000 batteriebezogenen Arbeitsplätzen in Europa entstehen wird. Entlang der gesamten Batteriewertschöpfungskette erfordern etwa 100.000 – 200.000 Stellenprofile vertiefte Batteriekenntnisse. Für die Mehrzahl der Arbeitsplätze ist eine Umschulung der bestehenden Arbeitskräfte in der Industrie erforderlich. Aber auch die Weiterbildung von Management und wichtigen Batterieexperten ist erforderlich, besonders im Hinblick auf digitale Fähigkeiten, ein Verständnis der systemischen Wertschöpfungskette, der Kreislaufwirtschaft und das Management von Großprojekten und Infrastrukturen.

Menschen, die in der Batterieforschung- und Produktion arbeiten, kommen zum großen Teil aus folgenden technischen Fachbereichen: Maschinenbau, Produktionstechnik, Verfahrenstechnik, Chemie, Physik, Elektrotechnik und Informationstechnologie.

Für die Jahre 2025 bis 2030 werden nach bisheriger Dynamik auf dem europäischen Arbeitsmarkt 40.000 – 70.000 Batterieexperten benötigt. Insgesamt standen dem europäischen Markt 2021 circa 20.000 – 30.000 Batterieexperten zur Verfügung. Hierdurch begründet sich ein großer Bedarf an zukünftig ausgebildeten Batterieexperten mit einer rasant wachsenden Tendenz.

Daher baut das Fraunhofer FFB ein europäisches Lernlabor Batteriezelle (ELLB) auf. Das ELLB soll eine Lernplattform für Aus- und Weiterbildungsangebote rund um den Kosmos der Batteriezelle sowie der Batteriezellproduktion werden. Indes werden schon heute Webinare sowie Seminare und Workshops in Münster zum Wissenstransfer angeboten. Dabei agiert das ELLB als institutionenübergreifende Plattform, die sowohl Expertise aus der gesamten Fraunhofer-Gesellschaft als auch von Hochschulen und Universitäten in die Wissensvermittlung miteinbezieht.

Forscher:innen der Fraunhofer FFB mischen das Beschichtungsmaterial für die Batterie / Foto: © Studio Wiegel

Ausblick

Die sprichwörtlich eierlegende Wollmilchsau in der Energiespeicherung und -verteilung wird es wohl nicht geben. Aber eine Investition in neue Batterietechnologien und entsprechende Fachkräfte ist alternativlos. Insgesamt würde ein Fehlschlag bei der Entwicklung neuer Batterietechnologien unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verlängern und die Nutzung erneuerbarer Energien, Elektrofahrzeuge und tragbarer Geräte einschränken.

Berücksichtigt man allerdings, wie schnell der technische Fortschritt voranschreitet und dass die Erfindung der Batterie erst 200 Jahre zurückliegt, können wir in Sachen Energieversorgung auch positiv in die Zukunft blicken. Alessandro Volta wäre sicherlich „elektrifiziert“ vom jetzigen Stand der Technik.

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