Studie nimmt Optimierung des Energieverbrauchs von Batteriezellfabriken in den Fokus

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Münster - Für den Betrieb von Elektrofahrzeugen im Rahmen der Verkehrswende werden künftig große Mengen an Strom benötigt. Aber auch das Hochfahren der weltweiten Batterieproduktion geht mit einer deutlichen Steigerung des Strombedarfs einher. Eine aktuelle Studie analysiert den Stromverbrauch der Batterieherstellung und zeigt Ansätze zur Verbrauchsreduzierung auf.

Mit dem derzeitigen Stand der Produkt- und Produktionstechnologie wird der Strombedarf aller weltweit geplanten Batteriefabriken im Jahr 2040 mit 130.000 Gigawattstunden so groß sein wie der heutige Elektrizitätsverbrauch von Norwegen oder Schwede. Durch neue Produkt- und Produktionstechnologien kann die Batteriezellproduktion jedoch so optimiert werden, dass bis zu 66 Prozent eingespart werden können, was dem Energieverbrauch von Belgien oder Finnland (im Jahr 2021) entspricht. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie des Forscherteams rund um Dr. Florian Degen von der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB, dem MEET der Universität Münster, des Helmholtz-Instituts Münster und der Universität Münster.

130.000 GWh/a in 2040 mit heutiger Batterie- und Produktionstechnologie
Mit der stark wachsenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen wächst der Markt für Batterien rasant und beschleunigt den Bedarf an Batteriezellfabriken. Eine Studie des Weltwirtschaftsforums und der Global Battery Alliance prognostiziert, dass der weltweite Bedarf an Batterien bis 2030 auf 2600 GWh pro Jahr wachsen wird. Zum Vergleich: 2022 lag die Nachfrage bei ca. 400 GWh. Jedoch ist die Herstellung von Batteriezellen aufgrund der jetzigen Produktionsprozesse sehr energieintensiv und es fallen hohe Treibhausgasemissionen an.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, wie sich der Energieverbrauch der Batteriezellproduktion entwickeln wird und wie dieser durch Produktions- und Materialtechnologien zukünftig gesenkt werden kann. Hierzu hat das Forscherteam, dem Dr. Florian Degen (Fraunhofer FFB), Prof. Dr. Martin Winter (Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) der Universität Münster; Helmholtz-Institut Münster) Prof. Dr. Jens Tübke (Fraunhofer FFB, KIT) sowie Prof. Dr. David Bending (Universität Münster; REACH - EUREGIO Start-up Center) angehören, in einer Studie analysiert, wie viel Energie derzeit und künftig für die Produktion auf Ebene der Batteriezellen und auf makroökonomischer Ebene benötigt wird. Dazu wurde zwischen Lithium-Ionen-Batterien (kurz LIBs) und alternativen Batteriezellen, so genannte Post-Lithium-Ionen-Batterien (kurz PLIBs), unterschieden.

„Nicht nur in Europa, sondern auch in Asien und Nordamerika wird der Bau von Batteriezellfabriken gefördert, um den notwendigen Mobilitätswandel voranzutreiben. Der Strombedarf wird sich bis 2040 auf 130.000 Gigawattstunden im Jahr vervielfachen. Dies entspricht dem jährlichen Strombedarf von Norwegen oder Schweden im Jahr 2021“, so Dr. Florian Degen von Fraunhofer FFB.

Laut der Studie werden mit dem heutigen Know-how und Stand der Produktionstechnologie für die Fertigung einer Batteriezelle mit einer Speicherkapazität von einer Kilowattstunde 20 bis 40 Kilowattstunden Energie benötigt, je nach produziertem Batterietyp und auch ohne, dass das Material mitberücksichtigt wird.

Zukünftige Produktion: Neue Technologien benötigen weniger Energie
Die Studienergebnisse des Forscherteams prognostizieren, dass durch technologische Verbesserungen der Produktion, wie zum Beispiel der Einsatz von Wärmepumpen, alternativen Trocknungstechnologien, neuen Trockenraumkonzepten u.v.m. sowie durch Lern- und Skaleneffekte, bis 2040 bis zu 66 Prozent Energie eingespart werden können. Diese potenziellen Einsparungen entsprechen dem Elektrizitätsverbrauch von Belgien oder Finnland im Jahr 2021. Ebenso zeigen die Ergebnisse auf, dass für die Produktion alternativer Batterietechnologien, wie z.B. von Feststoffbatterien deutlich weniger Energie je erzeugter Batteriespeicherkapazität benötigt wird als für die Produktion von heutigen Lithium-Ionen-Batterien.

Intensive Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten erforderlich
Das Autorenteam der Studie zieht daher folgendes Fazit: Die Batteriezellfertigung spielt eine zentrale Schlüsselrolle für die Mobilitätswende und damit für das Erreichen der nationalen Klimaschutzziele. Dabei ist davon auszugehen, dass in den kommenden Jahren die Lithium-Ionen-Technologie den Batteriemarkt weiterhin beherrscht - vorerst. Um den enorm hohen Energiebedarf der Batteriezellfabriken zu decken, sind weitere Anstrengungen im Bereich Forschung und Entwicklung, insbesondere für alternative Batterietechnologien, in Deutschland und Europa unabdingbar. Hierdurch ließe sich zukünftig 50 Prozent und mehr des heutigen Energiebedarfs einsparen.