Den Energieverbrauch von Batteriezellfabriken optimieren

Batteriefabriken haben einen enormen Energiebedarf. Doch es gibt Strategien, die jede Menge Energie einsparen. Welche Maßnahmen helfen, veranschaulicht eine aktuelle Nature-Studie. 

Wächst die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen, wächst auch der Markt für Batterien. Das wiederum beschleunigt den Bedarf an Batteriezellfabriken. Laut einer Prognose des Weltwirtschaftsforums und der Global Battery Alliance soll der weltweite Bedarf an Batterien bis 2030 auf 2.600 GWh pro Jahr wachsen. Zum Vergleich: 2022 lag die Nachfrage bei circa 400 GWh. Um die Batteriezellen herzustellen, ist viel Energie nötig. Wie sich der Energieverbrauch der Batteriezellproduktion entwickeln wird und wie dieser durch Produktions- und Materialtechnologien künftig mindern lässt, hat jetzt eine Studie in der Fachzeitschrift "Nature Energy" von Münsteraner Forschern analysiert.

Die Studie, an der die Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB, das Meet der Universität Münster, das Helmholtz-Institut Münster und die Universität Münster beteiligt sind, hat untersucht, wie viel Energie für die derzeitige und zukünftige Produktion auf Ebene der Batteriezellen und auf makroökonomischer Ebene benötigt wird. Dazu wurde zwischen Lithium-Ionen-Batterien (kurz LIBs) und alternativen Batteriezellen, sogenannten Post-Lithium-Ionen-Batterien (kurz PLIBs), unterschieden.

130.000 GWh/a in 2040 mit heutiger Technologie

Nach der Studie soll der Strombedarf aller weltweit geplanten Batteriefabriken im Jahr 2040 mit 130.000 GWh im Jahr so groß sein wie der heutige Elektrizitätsverbrauch von Norwegen oder Schweden – mit dem derzeitigen Stand der Produkt- und Produktionstechnologie. So seien für die Fertigung einer Batteriezelle mit einer Speicherkapazität von einer Kilowattstunde 20 bis 40 Kilowattstunden Energie nötig, je nach produziertem Batterietyp und auch ohne, dass das Material mitberücksichtigt wird.

Mit neuen Technologien ließe sich die Batteriezellproduktion jedoch so optimieren, dass bis 2040 bis zu 66 % eingespart werden könnten. Dies würde dem Energieverbrauch von Belgien oder Finnland im Jahr 2021 entsprechen. Zu den technologischen Verbesserungen der Produktion gehörten unter anderem der Einsatz von Wärmepumpen, alternative Trocknungstechnologien, Environment-Lösungen, Skaleneffekte sowie neue Trockenraumkonzepte. Ebenso würden die Ergebnisse aufzeigen, dass für die Produktion alternativer Batterietechnologien, wie zum Beispiel von Feststoffbatterien deutlich weniger Energie je erzeugter Batteriespeicherkapazität benötigt werde als für die Produktion von heutigen Lithium-Ionen-Batterien.

Weitere Forschung erforderlich

Aktuell stellen LIBs aufgrund ihrer hohen Energiedichte für größere Reichweiten und langen Batterieladezyklen (1.000 bis 6.000 Zyklen) auf dem Markt die dominierende Batterietechnologie dar. "Neben exzellenter Performanz und weitestgehender Recyclingfähigkeit werden die Energieeffizienz und die damit zusammenhängenden Kosten – sowohl für den Zusammenbau als auch für den Betrieb von Batteriezellen – in Zukunft immer mehr die Technologiewahl mitbestimmen, gerade auch für Batterien jenseits der Lithium-Ionen-Technologie", sagt Professor Dr. Martin Winter, wissenschaftlicher Leiter des Meet-Batterieforschungszentrums der Universität Münster und Direktor des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich.

Das Autorenteam der Studie zieht folgendes Fazit: In den kommenden Jahren sei davon auszugehen, dass die Lithium-Ionen-Technologie den Batteriemarkt weiterhin beherrsche – vorerst. Um den enorm hohen Energiebedarf der Batteriezellfabriken zu decken, seien weitere Anstrengungen im Bereich Forschung und Entwicklung, insbesondere für alternative Batterietechnologien, in Deutschland und Europa unabdingbar. Hierdurch ließe sich zukünftig 50 % und mehr des heutigen Energiebedarfs einsparen.