Batteriespeicher sind sowohl in der Industrie als auch in der Wissenschaft ein zentrales Thema, da ihre Rolle in der Zukunft immer wichtiger wird. Doch welche Technologien sind bereits marktreif, welche erscheinen vielversprechend, und welche Neuerungen zeichnen sich in diesem Bereich ab? Eine aktuelle Studie nimmt sich genau dieser Fragen an, um den aktuellen Stand abzubilden und praxisnahe Szenarien zu beleuchten. Batteriespeicher gelten als entscheidender Baustein für die Energiewende, da sie die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energien ermöglichen.
Große Batteriespeicher-Container mit Windrädern und Solaranlagen im Hintergrund, symbolisieren die Rolle der Energiespeicherung für die Energiewende und die Integration erneuerbarer Energien.
Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit der etablierte Standard für zahlreiche Anwendungen. Ihre marktbeherrschende Stellung verdanken sie einer Kombination aus verschiedenen Vorteilen, herausragenden Leistungsmerkmalen und vergleichsweise niedrigen Kosten. Angesichts eines stetig wachsenden Batteriemarktes, dessen Wert auf rund 50 Milliarden Dollar geschätzt wird, ist es kaum verwunderlich, dass Forschende, Start-ups und Risikokapitalgeber intensiv nach Alternativen suchen, um die zukünftige Energiespeicherung zu optimieren.
Eine vielversprechende Option könnten Natrium-Ionen-Batterien darstellen. Sie erhielten insbesondere nach den durch COVID-19 verursachten Turbulenzen in der Mineralversorgungskette, die zu erheblichen Preisschwankungen bei Lithium führten, verstärkte Aufmerksamkeit. Dennoch wird es voraussichtlich noch einige Jahre dauern, bis Natrium-Ionen-Batterien zu einem ernstzunehmenden Konkurrenten avancieren. Dies erfordert eine Reihe von technologischen Durchbrüchen und günstige Marktbedingungen, um ihre Wettbewerbsfähigkeit vollständig zu entfalten.
Batteriespeicher mit großem Potenzial für die Zukunft
Natrium-Ionen-Batterien werden oft als kostengünstigere Option mit robusteren Lieferketten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien betrachtet. Trotz ihres großen Potenzials stehen Natrium-Ionen-Batterien derzeit jedoch noch vor erheblichen Herausforderungen. Die Energiemenge, die sie speichern können, ist tendenziell geringer als bei Lithium-Ionen-Batterien. Zudem bleiben die Kosten pro gespeicherter Energieeinheit bei Natrium-Ionen-Batterien – abgesehen von den möglicherweise niedrigeren Materialpreisen – insgesamt höher. Dieser Faktor schränkt ihren breiten Erfolg bisher noch ein.
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Neue Entwicklungen könnten diese Situation jedoch grundlegend ändern. Im Rahmen einer richtungsweisenden Studie werden die vielversprechendsten Forschungsergebnisse in diesem Sektor veröffentlicht. Das innovative Programm „STEER“, eine Kooperation des Precourt Institute for Energy, der Stanford Doerr School of Sustainability und des SLAC-Stanford Battery Centers, bewertet das technologische Potenzial neuer Energietechnologien und dient als strategischer Leitfaden für die Anforderungen der Energiewende. Die kürzlich erschienene Studie analysierte über 6.000 Szenarien, um die Robustheit von Roadmaps für das Wettbewerbspotenzial von Natrium-Ionen-Batterien umfassend zu testen.
Batteriespeicher: Lithium oder Natrium – die Entscheidung der Zukunft
„Der Preis für Lithium-Ionen-Batterien stieg im Jahr 2022 zum ersten Mal an, was bei vielen Fachleuten die Alarmglocken läuten ließ, dass möglicherweise eine Alternative benötigt wird. Natrium-Ionen-Batterien sind vielleicht die überzeugendsten kurzfristigen Herausforderer von Lithium-Ionen-Batterien, und viele Batterieunternehmen kündigten Pläne für einen umfassenden Ausbau der Natrium-Ionen-Fertigung an und versprachen niedrigere Preise als die etablierten Anbieter“, erklärt Adrian Yao, Hauptautor der Studie sowie Gründer und Teamleiter von STEER. Das STEER-Programm, das im Oktober 2023 mit Unterstützung von drei Büros des US-Energieministeriums startete, spielt eine entscheidende Rolle bei der Analyse dieser Marktentwicklungen.
„Wir haben erkannt, dass es weitgehend spekulativ ist, ob, wann und wie Natrium-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien preislich unterbieten könnten, insbesondere angesichts des weiter sinkenden Preises für Lithium-Ionen-Batterien“, führt Yao weiter aus. Sally Benson, Professorin für Energiewissenschaft und -technik an der Doerr School of Sustainability, ergänzt: „Diese Natrium-Ionen-Studie war das perfekte Unterfangen, um STEER als neuen Weg zu etablieren, um Forschung und Investitionen in die Technologie-Roadmaps zu lenken, die am meisten verfolgt werden sollten, und, was vielleicht noch wichtiger ist, weg von denen, die wahrscheinlich nicht erfolgreich sein werden.“
Beim Batteriespeicher kommt es auf die Chemie an
Um im Preiswettbewerb langfristig bestehen zu können, insbesondere gegenüber der kostengünstigen Variante der Lithium-Ionen-Batterie, die als Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) bekannt ist, zeigt die Studie mehrere Schlüsselstrategien auf. Am wichtigsten ist die Notwendigkeit, die Energiedichte ohne den Einsatz kritischer Mineralien deutlich zu erhöhen. Insbesondere sollten Entwickler die Energiedichte von LFP-Batterien anstreben und sich gleichzeitig vom teuren Nickel als Basismetall entfernen. Derzeit basieren die meisten führenden Natrium-Ionen-Designs noch auf diesem relativ kostspieligen Material.
Die Preisthematik war allerdings nicht das alleinige Augenmerk der Studie. Den Forschenden ging es vor allem darum, die Auswirkungen verschiedener Marktszenarien auf die Rentabilität konkurrierender Technologien detailliert aufzuzeigen. Aus Sicht der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werden technische Fortschritte wesentlich stärker dazu beitragen, die Kosten für Natrium-Ionen-Batterien zu senken, als eine bloße Produktionssteigerung. Solche Fortschritte und die Entwicklung neuer Batteriechemien betrachten sie daher als wichtige Etappenziele für die Energiewende. Frühere Studien deuteten zudem darauf hin, dass eine breite Nutzung unterschiedlicher Technologien für Netzenergiespeichersysteme die Widerstandsfähigkeit der gesamten Versorgungskette signifikant erhöhen könnte. Ein zu starker Fokus auf Lithium-Ionen-Batterien birgt dagegen Sicherheits-, wirtschaftliche und geopolitische Risiken.
Batteriespeicher: Neue Studie beleuchtet auch die Lieferkette
Die Studie simuliert beispielsweise, wie die Wettbewerbsfähigkeit von Natrium-Ionen-Batterien beschleunigt würde, wenn es zu Versorgungsengpässen bei Graphit käme. Graphit ist ein kritisches Material, das in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird und dessen globales Angebot zu über 90 Prozent von China kontrolliert wird. Tatsächlich hat China im Dezember 2024 damit begonnen, den Graphit-Export erheblich einzuschränken und gleichzeitig die Ausfuhr von drei weiteren kritischen Mineralien verboten. Die Studie identifiziert auch Teile der Lieferkette, die die Konkurrenzfähigkeit von Natrium-Ionen gegenüber Lithium-Ionen beeinträchtigen könnten. Wenn beispielsweise die Lithiumpreise weiterhin auf dem heutigen Niveau nahe den historischen Tiefstständen liegen, hat Natrium-Ionen eine begrenzte Anzahl von technologischen Möglichkeiten, um in den nächsten zehn Jahren preislich wettbewerbsfähig zu werden.
„Eine wichtige Erkenntnis, die wir von Branchenexperten gewonnen haben, ist, dass die Preise für Batteriezellen zwar wichtig sind, Technologien aber nur auf Systemebene erfolgreich sind, beispielsweise in einem Elektrofahrzeug oder einem netzgebundenen Batteriespeichersystem. Deshalb erweitern wir jetzt unseren Fokus, um ganzheitlichere Perspektiven zu bieten, einschließlich des Verständnisses der Kosten für Sicherheit und anderer Systemaspekte“, fasst Yao zusammen. STEER plant, diesen umfassenden Ansatz auch auf andere Technologiebereiche anzuwenden. Ziel ist es, einen noch größeren Beitrag zur Energiewende und zur Entwicklung nachhaltiger Energiespeicherlösungen zu leisten.
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