Im Laptop steckt ein Akku, in der Kamera und in dem Telefon, um das Interview mit Dr.-Ing. Ralf Benger von der TU Clausthal zu vereinbaren, ebenfalls – kurzum: In unserem Alltag sind wir von Batterien umgeben. Genau genommen von sekundären Batterien, sogenannten Akkumulatoren, wie es der Wissenschaftler im Gespräch präzisiert. Auf dem Gelände der ehemaligen Rammelsberg-Kaserne in Goslar, nicht weit entfernt von der Altstadt, hat sich seit 2006 ein EnergieCampus mit Forschungseinrichtungen, Büros und Gründerzentrum entwickelt. Hinter den dicken Mauern des mehrgeschossigen Gebäudes arbeitete bis 1998 noch der Bundesgrenzschutz, später kaufte es die Stadt und entwickelte es zu einer Bildungs- und Forschungseinrichtung.
Im einem der Besprechungsräume, mit Blick auf einige Container zwischen den Gebäuden, erzählt Benger von den Anfängen: Gegründet als Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (EFZN), einer Einrichtung der Technischen Universität Clausthal in Kooperation mit den Universitäten Braunschweig, Göttingen, Hannover und Oldenburg, betreibt heute das Forschungszentrum Energiespeichertechnologien (EST) der TU Clausthal anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf dem EnergieCampus Goslar. Auf dem Gelände ist auch der Batterie Sicherheitscampus Deutschland beheimatet, in dem die Allianz für die Region, das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut, der Landkreis und die Stadt Goslar, die Technische Universität Clausthal, die Wirtschaftsförderung Region Goslar (WiReGo) sowie die Wolfsburg AG ihre Kompetenzen bündeln. „In Deutschland gibt es nur wenige Standorte, die so viel Expertise auf dem Gebiet der Batteriesicherheit vorweisen können wie wir“, zieht der Energiesystemtechniker ein Fazit.
Um selbst Wasserstoff herstellen zu können, wird eine prototypische Elektrolyse-Anlage betrieben – und die sei enorm wichtig für die Zukunft der Energiespeicherung, betont Benger. Denn am Markt bekannte Batterien sind keine Lösung für die Energiewende. So viel steht fest. Es braucht stoffliche Energieträger wie Wasserstoff und Methan, um erneuerbare Energien über einen längeren Zeitraum zu speichern. Gleichzeitig ist die Technologie für deren Herstellung, die Elektrolyse, auf zuverlässige Kurzzeitspeicher angewiesen. Und bei denen gibt es, auch durch das Interesse und dem Bedarf in der Automobilindustrie, noch viele Ideen und neue Ansätze …
Herr Benger, was ist eigentlich eine Batterie?
Eine Batterie ist ein Speicher für elektrische oder elektrochemische Energie. Elektrische Energie selbst lässt sich schlecht speichern, das geht nur in Kondensatoren oder Spulen. In einer Batterie findet daher eine Umwandlung der elektrischen in elektrochemische Energie statt. Allgemein unterscheiden wir zwischen Primärbatterien, die einmal auf- und entladen werden, und wiederaufladbaren Sekundärbatterien.
Das, was handelsüblich als Akkus bezeichnet wird?
Genau. Der Begriff Akkumulator kommt aus dem lateinischen für sammeln oder anhäufen. Ein klassisches Beispiel dafür sind Blei-Säure-Batterien, die in Autos verbaut werden. Seit ungefähr 20 Jahren, massiv seit 2010, sind Lithium-Ionen-Modelle verbreitet.
Wie viele Arten von Batterien gibt es?
Technisch nutzbar? Bei den Primärzellen gibt es Alkali, Mangan, Zink-Luft- und Zink-Kohle-Batterien. Und die drei Sekundär-Batterien arbeiten mit Blei, Nickel und Lithium. Untergeordnet gibt es noch Varianten wie Natrium-Schwefel oder Natrium-Nickel-Chlorid-Batterien … Insgesamt werden es 15 bis 20 verschiedene sein, abhängig vom technischen Reifegrad und der Einsatzfähigkeit.
Welche ist die leistungsstärkste Batterie der Welt?
Das ist ein spannendes Thema! Denn wenn es um Leistung geht, finden wir die stärksten Batterien entgegen herkömmlichen Annahmen nicht im Auto. Dort geht es vielmehr um optimierte Energie-Anforderungen: Ich möchte möglichst weit mit meinem Fahrzeug fahren. Sehr hohe Leistung wiederum habe ich typischerweise bei Anwendungen, die für Netzstabilität sorgen, beispielsweise bei der Sicherstellung unserer Energieversorgung. In Kraftwerken gibt es große Schwungmassen, mit denen innerhalb kürzester Zeit auf Ausfälle im Leitungsnetz reagiert werden kann. Nun setzen wir verstärkt auf erneuerbare Energien, die diese Reserve nicht haben. Es gibt Modellrechnungen, nach denen unsere Netzstabilität daher abnimmt. Eine Idee, um darauf zu reagieren, sind Batterien mit sehr hoher Leistung im Vergleich zur Energie – diese werden bei Bedarf innerhalb von Sekunden vollständig entladen, während das Auto mit gleicher Energie mehrere Stunden unterwegs ist. Da erneuerbare Energien nicht immer im gleichen Umfang zur Verfügung stehen, sind solche leistungsstarken Batterien auch für die Elektrolyse wichtig.
Etwa für die Herstellung von grünem Wasserstoff?
Genau. Dafür brauchen wir eine möglichst gleichmäßige Energieversorgung. Eine Unterbrechung der Energieversorgung könnte den Wasserstoff verunreinigen, im schlimmsten Fall entsteht ein explosives Gemisch. Daher: Leistungsfähige Batterien könnten diese Fluktuationen kurzzeitig überbrücken.
Gibt es Einsatzgebiete, für die sich eine Batterie überhaupt nicht eignet?
Batterien sind Kurzzeitspeicher, sie können keine große Energiemengen lange Zeit vorhalten – und daher auch nicht die Energiewende lösen.
Dabei gelten Batterien als Schlüsselbaustein für die Energiewende…
Sprechen wir über Stunden oder Tage: Ja, das geht. In meinem Keller steht auch ein Heimspeicher, der die Sonnenenergie bis in den Abend bringt. Aber eben nicht vom Sommer in den Winter. Dafür ist die Kapazität zu klein; da werden wir andere Technologien brauchen. Wie zum Beispiel die Elektrolyse, die aus dem elektrischen einen stofflichen Energieträger wie Wasserstoff oder Methan macht. Flüssigkeiten und Gase lassen sich in größeren Maßstäben speichern.
Warum können Batterien das nicht?
Sie würden es schaffen, wenn wir Fußballstadien große Containerburgen mit Batterien aufbauen. Die Natur setzt einfach Grenzen bei dem, was geht und eine Wunderbatterie wird es auch in 100 Jahren nicht geben. Zumindest mit dem uns bekannten Periodensystem lässt sich nur eine bestimmte Anzahl an Materialien kombinieren.
Was brauchen wir aus Ihrer Sicht, um die Energiewende zu schaffen?
Sicherlich einen Mix aus verschiedenen Kraftwerken, ein Kraftwerkpark. Eine Komponente könnten Gaskraftwerke sein, die mit Wasserstoff betrieben und um Energiespeicher ergänzt werden. Dann eine Anpassung an die Verfügbarkeit, für Erneuerbare Energien brauchen wir mehr Flexibilität: Industrielle Prozesse, die keine kontinuierliche Versorgung brauchen, könnten kurzfristig verzichten. In privaten Haushalten ließe sich der Absatz durch Tarife steuern. So wie früher, als Strom nachts günstiger war.
Wie robust, nachhaltig und sicher sind Batterien?
Das sind, zusammen mit den Kosten, die vier Kernherausforderungen, an denen die Batterieforschung arbeitet.
Fangen wir mit der Robustheit an.
Bei Batterien reden wir von Lebensdauer. Wir unterscheiden zwischen Zyklen-Festigkeit und kalendarischer Alterung. Letztere ist, aus meiner Sicht, Stand heute bereits ausreichend. Bei der Zyklen-Festigkeit kommt es auf die Anwendung an. In Fahrzeugen wird sie mittlerweile reduziert: Angenommen ein Hersteller garantiert eine Laufleistung von 160.000 Kilometern, die Reichweite liegt bei 400 Kilometern, dann sind das insgesamt 400 Ladungen. Die Zyklen-Lebensdauer der Batterien liegt allerdings bei 1.000 bis 1.500 – viel mehr, als garantiert werden muss.
Warum ist es sinnvoll zu reduzieren?
Dafür können die Batterien energiereicher werden.
Sie bekommen also mehr Reichweite?
Ja. Wobei ein schnellladendes Auto mit 400 bis 500 Kilometern Reichweite meiner Meinung nach ausreicht.
In den Urlaub nach Italien kommen Sie damit womöglich nicht …
Bis an die Ostsee sind es rund 300 Kilometer. Die fahre ich noch gerne in einem Stück. An den Gardasee geht es nicht ohne Pause – und in der kann ich mein Auto auch eben laden. Denn das grundlegende Problem ist das folgende: Bei einem herkömmlichen Tank ist es egal, ob ich einen für 50 oder 100 Liter habe, der Gewichtsunterschied sind vielleicht 50 Kilogramm. Bei einer Batterie bedeutet eine Reichweitenverdopplung unter Umständen 300 bis 400 Kilogramm mehr Gewicht. Außerdem fährt der Durchschnittsbürger gerade einmal 40 Kilometer am Tag. Man muss also abwägen.
Wir kennen es von Smartphones, dass der Akku bereits nach einem halben Jahr nachlässt …
In Handys ist die Batterie an den Produktlebenszyklus angepasst. Hersteller gehen davon aus, dass niemand ein Handy länger als drei oder vier Jahre nutzt. Aus Nachhaltigkeitsgründen finde ich es sehr bedenklich, dass diese Akkus zum Großteil nicht ohne Weiteres ausgetauscht werden können.
Warum nimmt die Lebensdauer so rapide ab?
Im Smartphone haben wir eine hohe Leistung im Vergleich zur Energie. Apps benötigen eine hohe Rechenleistung und verbrauchen entsprechend Energie. Eine längere Lebensdauer könnte etwa durch größere Akkus erzielt werden, allerdings würden so auch die Modelle größer, schwerer und teurer.
Apropos Nachhaltigkeit … Wie ist es um Batterien bestellt?
In Batterien mit hoher Energiedichte werden Lithium, Nickel, Mangan oder Kobalt verwendet. Letzteres ist stark krebserregend und wird fast ausschließlich im Kongo unter fragwürdigen Bedingungen gewonnen. Bei Mangan ist es ähnlich. Ein erster Schritt ist, dass der Anteil von Mangan und Kobalt in den Zellen reduziert wird. Statt des bisherigen eins zu eins Verhältnis gibt es bereits Batterien mit acht Teilen Nickel, einem Teil Mangan und einem Teil Kobalt.
Geht es nicht ganz ohne?
Der Aspekt Sicherheit spielt dabei eine Rolle. Wenn wir beispielsweise das Kobalt aus der Zelle entfernen, kann diese instabil werden. Eine Alternative könnten Batterien mit Eisenphosphat sein, die als sicher und kostengünstig gelten. Das geht aber wiederum zulasten der Energiedichte – wobei wir von 10 bis 20 Prozent geringerer Energiedichte sprechen. Es wäre durchaus denkbar, dass sich solche im Fahrzeug-Massenmarkt durchsetzen.
Derzeit treibt die angekurbelte Produktion für die Autoindustrie die Nachfrage nach Rohstoffen und damit die Kosten nach oben. Gleichzeitig scheuen sich viele Firmen in den Bergbau zu investieren. Müssen wir an dieser Stelle also über Recycling sprechen?
Durchaus. In zehn bis zwanzig Jahren könnte das Recycling auf einem Stand sein, dass sich der Betrieb einer Miene nicht mehr rentiert. Es gibt auch Forschung und Entwicklung zur Verwendung ungiftiger Materialien, zum Beispiel Natrium-Ionen: In China hat ein Unternehmen angekündigt, Fahrzeuge damit betreiben zu wollen.
Es werden also durchaus noch neue Energiespeicher entwickelt?
Vor einigen Jahren galten Lithium-Luft-Zellen als heiliger Gral, doch außerhalb des Labors gibt es nach jahrelanger Forschung keine kommerziellen Zellen. Jetzt hoffen einige Automobilhersteller auf sogenannte Feststoff-Batterien mit einem festen Kern, kombiniert mit metallischem Silizium. Aber die Forschung ist noch nicht bereit für eine Fertigung im industriellen Maßstab. Aber ja, es gibt noch Ideen.
Die Autoindustrie investiert viel in die Entwicklung und Herstellung von Batterien. Können stationäre Speichermedien da mithalten?
Die Automobilbranche arbeitet mit Stückzahlen in Millionengröße. Dadurch ergeben sich ganz andere Möglichkeiten und Preise als bei einem vergleichsweise kleinen Hersteller von stationären Speichern. Daher profitieren diese aktuell ebenfalls von den mobilen Batterien.
Gibt es Forschung für kleinere Formate wie sie in Smartphones oder Diktiergeräten verwendet werden?
Kein Hersteller von Kleingeräten lässt eigene Batterien entwickeln. Sie schauen sich auf dem Markt um und wählen dort die beste Alternative aus.
Welche Rolle spielt das Forschungszentrum Energiespeichertechnologien (EST) in Goslar bei der Erforschung von Energiespeichern?
Hinter dem EST stecken zwei Ideen: Der Energiespeicher an sich ist das Grundlagen-Thema, aber um ihn in eine Anwendung zu implementieren kommt die Technologie hinzu. Daran arbeiten wir in verschiedenen Clustern.
Welche sind das?
Im Cluster Systemintegration forschen wir an mobilen und stationären Energiespeichern. Wir betrachten Energiesysteme in ihrer Gesamtheit und versuchen alle Zeitbereiche abzudecken, in denen sie Energie bereitstellen sollen. Von der Millisekunde in dynamischen Netzen bis hin zur Langzeitspeicherung. Im Cluster Energiewandlung und -speicherung geht es um die Wandlung von elektrischer in chemische Energie. Dort sind Power-to-X und Redox-Flow-Batterien, Batterien mit organischen Materialien, im Trend. Das dritte Cluster der Materialfunktionalisierung arbeitet mit optischen Verfahren, also leistungsstarken Lasern. Durch die Bearbeitung von Oberflächen lassen sich deren Eigenschaften beeinflussen.
Neben der TU Clausthal sind seit 2016 auch die Universitäten Göttingen, Braunschweig, Hannover und Oldenburg im EST zusammengeschlossen. Welche Idee steckt dahinter?
Ziel ist es, die Energieforschung in Niedersachen mit einem interdisziplinären Ansatz zu bündeln. Die Hauptakteure sind aber hier an der TU Clausthal auf dem Batterie-Campus in Goslar.
Wie passt der Batterie-Sicherheitscampus Deutschland in dieses Gefüge?
Neben den bereits vertretenen Instituten der TU Clausthal sind außerdem das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut mit der Abteilung Faseroptische Sensorsysteme, die Allianz für die Region, der Landkreis und die Stadt Goslar, die Wirtschaftsförderung Region Goslar sowie die Wolfsburg AG an dem Campus beteiligt. Verbindendes Element ist es, die Forschung an Batterien und ihrer Sicherheit in der Region voranzubringen.
Der Campus entstand in einer Zeit, als es vermehrt zu Bränden von Smartphone-Akkus kam …
Batterien bringen einfach alles mit, um Feuer zu legen. Bei einem Kurzschluss, mechanischen Fehlern oder durch eine Beschädigung – etwa einen Sturz – kann es zu internen Erwärmungen kommen. Bei den Smartphones in 2016 war es schätzungsweise ein Produktions- oder Dimensionierungsfehler. Leider sind die Hersteller, was Fehler angeht, nicht sehr transparent, so kommen viele Fragestellungen und Erkenntnisse gar nicht erst in der Forschung an. Aktuell läuft ein spannendes Forschungsprojekt mit Zell- und Batteriesystemherstellern, einer Firma, die Partikelschäume produziert und einem Kunststoffhersteller, der Ventile für Zellgehäuse fertigt.
Worum geht es dabei?
Das Projekt befasst sich mit der Risikobeherrschung von Lithium-Ionen-Batterien. Bei einem Fehler in der Zelle entstehen Gase, die zu einer Explosion führen können. Unser Ziel die Verhinderung eines zündenden Gas-Gemischs, unter anderem durch Entlastungsventile. Eingebettet in Partikelschaum wollen wir die Vermischung der austretenden Gase mit Sauerstoff reduzieren und so das Brandrisiko verringern.
Ist Goslar Deutschlands Hochburg der Batterieforschung?
Geht es um Grundlagenforschung, ist es eher Münster. München ist im Bereich der Systemintegration stark. Aber in Deutschland gibt es nur wenige Standorte, die so viel Expertise auf dem Gebiet der Batteriesicherheit vorweisen können wie wir.
Was sind die bedeutendsten Goslarer Entwicklungen im Batteriesektor?
Wir haben Fahrzeugbatterien untersucht und für die Zulassung beim Kraftfahrzeugbundesamt geprüft. Des Weiteren haben wir für den europäischen Automobilherstellerverband ACEA das Verhalten von Batterien beim Thermal Runaway untersucht, eine Methode zur Erkennung erarbeitet und auch erfolgreich in einem Proof-of-Concept erprobt. Die Ergebnisse werden bei der Entwicklung neuer Prüfvorschriften berücksichtigt. Diesen Sommer startet darüber hinaus ein Projekt mit der Goslarer Feuerwehr, um das Wissen rund um die Gefahren und den Umgang mit Lithium-Ionen-Batterien aus der Forschung in die Praxis zu übertragen.
