Stand der Batterieforschung Die geballte Ladung
Im Alltag leistet die Batterie gute Dienste. Nur für Zukunftsthemen wie E-Mobilität oder Energiewende fehlt ihr noch der Saft. Aber Wissenschaft und Wirtschaft arbeiten an Lösungen.
Von Juri Sonnenholzner, SWR
Was würde Alessandro Volta dazu sagen, dass seine Erfindung immer noch Kopfzerbrechen bereitet? Der italienische Physiker gilt als Erfinder der Batterie. Weil er am 18. Februar 1745 geboren wurde, begeht die Batterieindustrie das Datum als Tag der Batterie. Auch nach mehr als 200 Jahren, nachdem er in Salzlösung geschichteten Kupfer- und Zinkscheiben Strom entlockte, haben Wissenschaft und Wirtschaft noch nicht die rundum zufriedenstellende Batterie entwickelt. Im Zeitalter von E-Mobilität und Energiewende ist der Stromspeicher von heute entweder zu teuer, zu schwer oder liefert nicht genügend Saft.
Für den Hausgebrauch scheint es zu reichen: Etwa 1,5 Milliarden Batterien und Akkus werden in Deutschland im Jahr verkauft. 2020 erwirtschafteten allein die deutschen Hersteller mehr als vier Milliarden Euro Umsatz. Tendenz steigend - weil bei immer mehr Geräten auf das Stromkabel verzichtet wird, selbst wenn die Sinnhaftigkeit beispielsweise bei einem Standmixer zweifelhaft ist. Und teuer: Batteriestrom kostet den Nutzer 300 Mal mehr als die gleiche Menge Strom aus der Steckdose, wie das Umweltbundesamt errechnet hat.
Batterie-Blei im Blut
Am Batterie-Hunger in den Industrieländern leiden Kinder in Entwicklungsländern. Auf der einen Seite bei der Herstellung: Für Akkus braucht es fast immer Kobalt. Das Metall stammt nach Angaben von Amnesty International beispielsweise aus Kinderarbeit in den Kobaltminen der Demokratischen Republik Kongo. Billigst gefördert, landet es in kleinen Akkus für Smartphones oder großen für E-Autos, auch von deutschen Herstellern.
Auf der anderen Seite leiden Kinder unter Batterien auch am anderen Ende der Nutzung, bei der Entsorgung. Laut einem aktuellen Bericht von UNICEF und der Umweltorganisation "Pure Earth" sind 800 Millionen Kinder weltweit in großem Ausmaß von Bleivergiftungen betroffen. Dem Bericht zufolge weist weltweit jedes dritte Kind eine Bleibelastung im Blut von mindestens fünf Mikrogramm je Deziliter auf. Die Hälfte der betroffenen Kinder lebt in Südasien. Sie sind Opfer der Wiederverwertung von Blei-Säure-Batterien etwa aus Autos.
Kinderarbeit ist in afrikanischen Kobaltminen an der Tagesordnung.
Für die Herstellung einer Batterie wird bis zu 500 Mal so viel Energie aufgewendet wie sie später wieder zurückgibt. Eine bessere Bilanz weisen wiederaufladbare Batterien auf, wenn sie eine gute Langlebigkeit aufweisen. Die Leistungsfähigkeit der wieder aufladbaren Batterien hat sich zwar enorm verbessert; trotzdem kauft die Kundschaft zu Dreiviertel Einweg-Batterien.
Sind sie leer, müssten sie dem Recycling-Kreislauf zurückgeführt werden. Doch auch wenn in jedem Discounter leere Batterien oder kaputte Akkus kostenlos abgegeben werden können, werfen sie viele Nutzer in den Restmüll oder gar in die Natur und somit umweltschädliche Stoffe wie Quecksilber, Cadmium und Blei, aber auch wiederverwendbare Rohstoffe weg. Aus 229.000 Tonnen Altbatterien im Jahr 2019 konnten laut Umweltbundesamt 186.000 Tonnen Rohstoffe wiedergewonnen werden. Aber bisher werden nur 40 Prozent der alten Batterien zurückgegeben.
Hoffnungsträger der Automobilindustrie
Sollen die Klimaziele erreicht werden, müssen vor allem Stromspeichermöglichkeiten, also große Batterien, entwickelt werden. "Ohne Stromspeicher keine Energiewende", rufen Wissenschaftler beispielsweise der Internationalen Energieagentur (IEA), und Wissenschaft und Wirtschaft haben den Ruf vernommen: In keinem anderen technischen Gebiet haben sie in den vergangenen Jahren in kurzer Zeit so viele Patente angemeldet wie in der Stromspeicherforschung.
Dabei gilt die Feststoffbatterie vor allem in der Automobilindustrie als ein Hoffnungsträger: kürzere Ladezeit, mehr Ladezyklen ohne Qualitätseinbußen, höhere Leistung. "Die Feststoffbatterie bietet viel Energie auf kleinem Raum bei geringem Gewicht - insbesondere für Elektrofahrzeuge ist das ganz entscheidend", erklärt Daniel Görges vom Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz in Kaiserslautern. Ein Hersteller beispielsweise verspricht die doppelte Reichweite, was der E-Mobilität Schub verleihen würde: Laut Studien schreckten geringe Reichweite und schlechte Ladeinfrastruktur viele E-Auto-Interessenten ab.
Intelligentes Lademanagement
Ein anderer Ansatz: bestehende Batterien nutzen. Autos stehen im Durchschnitt deutlich mehr Zeit still als dass sie fahren. Autos mit Akkus an Bord könnten in dieser Zeit als Stromspeicher dienen. Das Auto in der Garage könnte das öffentliche Stromnetz oder den Akkuspeicher im Keller unterstützen. "Vehicle-to-Grid (V2G)" und "Vehicle-to-Home (V2H)” nennen Fachleute die Verfahren. 50 Millionen Pkw und Lkw gibt es in Deutschland - es wäre eine geballte Ladung Strom.
Aber vielleicht ziehen auch alle E-Autobatterien gleichzeitig Strom, wenn etwa ihre Fahrer nach Hause kommen. Das würde das Stromnetz belasten. Dagegen helfen intelligente Batterien. An der TU Kaiserslautern gibt es dafür ein Forschungsprojekt: Künstliche Intelligenz koordiniert dabei das Buchungssystem von E-Fahrzeugen mit online zugänglichen Informationen über Topographie und Verkehrssituation der geplanten Route. Nur den Strom, der für die anstehende Fahrt tatsächlich gebraucht wird, zieht sich die Batterie 4.0.
"Cloudbasiertes Lademanagement" nennt sich das Verfahren. Alessandro Volta wäre wohl elektrisiert, könnte er sehen, in welcher technologisierten Umgebung seine größte und erfolgreichste Erfindung mittlerweile ihren Platz gefunden hat.