Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien: Mehr Geld für die Konkurrenz

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Eines der führenden Unternehmen, das Alternativen zu Lithiumbatterien für den Stromnetzmarkt anbietet, hat Anfang September vom US-Energieministerium (DOE) einen Kredit in Höhe von fast 400 Millionen US-Dollar erhalten. Eos Energy stellt Zink-Halogenid-Batterien her, von denen sich das Unternehmen erhofft, dass sie eines Tages zur Speicherung erneuerbarer Energien eingesetzt werden können – zu niedrigeren Kosten als bei den bestehenden Lithium-Ionen-Batterien.

Das Darlehen ist die erste "bedingte Zusage" des DOE Loan Program Office (DOE-Abteilung für Darlehensprogramme) an einen Batteriehersteller, der Alternativen zu Lithium-Ionen-Zellen entwickelt. Die Behörde hat bereits Lithium-Ionen-Herstellungsbemühungen finanziert, ebenso wie Batterier-Reyclingprojekte und andere Klimatechnologien wie geothermische Energie.

Heute sind Lithium-Ionen-Batterien die Standardwahl für die Energiespeicherung in Geräten von Laptops bis zu Elektrofahrzeugen. Die Kosten für solche Batterien sind in den letzten zehn Jahren drastisch gesunken, aber es besteht ein wachsender Bedarf an noch günstigeren Alternativen. Solarzellen und Windturbinen produzieren nur zeitweise Energie. Und damit ein Stromnetz, das von diesen erneuerbaren Quellen gespeist wird, rund um die Uhr funktioniert, brauchen Netzbetreiber Möglichkeiten, diese Energie zu speichern, bis sie gebraucht wird. Allein das US-Netz könnte bis 2050 zwischen 225 und 460 Gigawatt an Langzeit-Energiespeicherkapazität benötigen.

Neue Batterien, wie die zinkbasierte Technologie, die Eos zu vermarkten hofft, könnten Strom stunden- oder sogar tagelang zu geringen Kosten speichern. Diese und andere alternative Speichersysteme könnten ein Schlüssel zum Aufbau einer konstanten Stromversorgung für das Netz und zur Verringerung der Klimaauswirkungen der Stromerzeugung auf der ganzen Welt sein.

Speichertechnik mit gut verfügbarem Zink

Bei den Batterien von Eos besteht die Kathode nicht aus der bekannten Mischung aus Lithium und anderen Metallen. Stattdessen ist der Hauptbestandteil Zink, das weltweit das am vierthäufigsten produzierte Metall ist. Batterien auf Zinkbasis sind keine neue Erfindung, Forscher von Exxon haben in den 1970er-Jahren Zink-Brom-Flow-Batterien patentiert. Allerdings hat Eos die Technologie in den letzten zehn Jahren weiterentwickelt und verändert.

Zink-Halogenid-Batterien haben einige potenzielle Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien, sagt Francis Richey, Vizepräsident für Forschung und Entwicklung bei Eos. Eos setzt bei seinen Batterien auf einen Elektrolyten auf Wasserbasis anstelle eines organischen Lösungsmittels. Der Elektrolyt ist die Flüssigkeit, die die Ladung in einer Batterie bewegt.

Das macht sie stabiler und bedeutet, dass sie nicht in Brand geraten können, sagt Richey. Die Batterien des Unternehmens sind außerdem so konzipiert, dass sie eine längere Lebensdauer als Lithium-Ionen-Zellen haben – etwa 20 Jahre im Gegensatz zu 10 bis 15 Jahren – und nicht so viele Sicherheitsmaßnahmen wie eine aktive Temperaturkontrolle erfordern.

Es gibt allerdings noch einige technische Herausforderungen, die Zinkbatterien und andere alternative Techniken überwinden müssen, um ans Netz zu gelangen, sagt Kara Rodby, technische Leiterin bei Volta Energy Technologies, einem Risikokapitalunternehmen, das sich auf Energiespeichertechnologie spezialisiert hat. Zinkbatterien haben einen relativ geringen Wirkungsgrad, das heißt beim Laden und Entladen geht mehr Energie verloren als bei Lithium-Ionen-Zellen. Zink-Halogenid-Batterien können auch unerwünschten chemischen Reaktionen zum Opfer fallen, die die Lebensdauer der Batterien verkürzen, wenn sie nicht kontrolliert werden.

Ab ins Netz

Diese technischen Herausforderungen lassen sich aber weitgehend bewältigen, meint Rodby. Die größere Herausforderung für Eos und andere Hersteller alternativer Batterien ist die Herstellung in großem Maßstab und die Senkung der Kosten. "Sie haben per Definition ein kostengünstiges Produkt und einen preiswerten Markt", sagt sie. Batterien für die Netzspeicherung müssen schnell billig werden, und einer der wichtigsten Wege ist, sie in großen Mengen herzustellen.

Eos betreibt derzeit eine halb automatische Fabrik in Pennsylvania, in der Energiespeicher mit einer maximalen Kapazität von etwa 540 Megawattstunden pro Jahr entstehen, obwohl die Anlage derzeit nicht mit voller Kapazität produziert. Wenn es sich dabei um Lithium-Ionen-Batterien handeln würde, wären 540 Megawattstunden pro Jahr genug, um etwa 7.000 durchschnittliche US-Elektrofahrzeuge mit Strom zu versorgen.

Das Darlehen des US-Energieministeriums ist eine "große Neuigkeit", meint Nathan Kroeker, Finanzvorstand von Eos. Das Unternehmen hat zwei Jahre lang an der Sicherung der Finanzierung gearbeitet und wird dadurch "dringend benötigtes Kapital" für den Aufbau seiner Produktionskapazität erhalten.

Mit den Mitteln des DOE werden bis zu vier zusätzliche, vollautomatische Fertigungsstraßen in der bestehenden Fabrik unterstützt. Insgesamt könnten die vier Linien bis 2026 jährlich Batterien im Wert von acht Gigawattstunden produzieren. Das ist genug, um den täglichen Bedarf von bis zu 130.000 Haushalten zu decken.

Probleme bei der Kommerzialisierung

Das DOE-Darlehen ist eine bedingte Zusage und Eos muss einige Bedingungen erfüllen, um die Finanzierung zu erhalten. Dazu gehört das Erreichen technischer, kommerzieller und finanzieller Meilensteine, führt Kroeker aus.

Viele alternative Batteriesysteme haben sich schwergetan, von funktionierenden Labormustern und kleinen Produktionsläufen zu einer großangelegten kommerziellen Produktion überzugehen. Darüber hinaus haben Probleme bei der Sicherung der Finanzierung und bei der Suche nach Käufern in den letzten zehn Jahren dazu geführt, dass Start-ups mit einer Vielzahl alternativer chemischer Verfahren gescheitert sind.

Es kann schwierig sein, Alternativen im Bereich der Energiespeicherung auf den Markt zu bringen, sagt Kroeker. Dennoch sieht er dies als den richtigen Zeitpunkt für neue Batteriechemien an, um sich zu etablieren. Da die erneuerbaren Energien ins Netz drängen, besteht ein viel größerer Bedarf an großangelegten Energiespeichern als noch vor zehn Jahren.

Außerdem gibt es neue Unterstützungsmaßnahmen wie Steuergutschriften im Rahmen des Inflation Reduction Act, die neue Batterien wirtschaftlich attraktiver machen. "Ich denke, wir haben jetzt die einmalige Gelegenheit, unsere Energiewende entscheidend zu verändern", sagt er.

(vsz)