Können Lithiumbatterien den Status Quo der Energie verändern?

lithium-ionen-batterien können nicht nur die Revolution der Elektroautos auslösen, sondern sogar unser tägliches Leben durchdringen und die heutige Energiesituation revolutionieren, so eine Printausgabe der neuesten Ausgabe des Economist-Magazins.

Das Folgende ist der Originaltext:

Ein Arbeiter, der im Werk Nissan Sunderland etwa drei Viertel entlang einer Serpentinenlinie läuft, installiert ständig Kraftstofftanks auf zahlreichen losen Fahrgästen - die meisten Autos, die das Werk herstellt, sind SUVs. Aber von Zeit zu Zeit fährt die Linie an einem anderen Auto vorbei: einem Elektroauto namens Leaf.

Zu diesem Zeitpunkt ändert sich die Aufgabe des Arbeiters von der Installation eines Kraftstofftanks zur Installation einer Batterie. Seine Bewegungen passen perfekt zum Roboterarm neben ihm und wechseln nahtlos zwischen Kraftstoff- und Elektroautos.

Bis vor kurzem fanden viele Leute den Wechsel unglaublich. Im vergangenen Jahrhundert war der Verbrennungsmotor der Hauptmotor von Autos und Schiffen. Es gibt ihm einen großen Vorsprung. Obwohl Leaf behauptet, das weltweit meistverkaufte Elektroauto zu sein, produzierte das Werk in Sunderland, die größte Autofabrik Großbritanniens, im vergangenen Jahr nur 17.500 Leas, verglichen mit 310.000 kostenlosen Autos in diesem Jahr. Im krassen Gegensatz dazu ist Xiaoke in einem profitablen Zustand, während Leaf in einem Verlust ist.

Im vergangenen Jahr wurden weltweit 750.000 Elektrofahrzeuge verkauft, was weniger als 1% des Neuwagenmarktes entspricht. Carlos Ghosn, der Eigentümer der Renault-Nissan-Allianz, sagte 2011, dass nur die beiden Unternehmen ihre Elektrofahrzeugproduktion bis 2016 verdoppeln werden. Im Nachhinein ist diese Vorhersage offensichtlich zu optimistisch, aber ähnliche Vorhersagen sind nicht ungewöhnlich.

Obwohl der Zeitpunkt für die Einführung von Elektrofahrzeugen ungewiss ist, ist man sich im Allgemeinen einig, dass diese Technologie bald ein großes Geschäft werden wird.

Zivile Elektrofahrzeuge mit einer Laufleistung nahe einem vollen Benzintank (wie Teslas Modell 3 und Chevrolet Bolt von General Motors) sind kürzlich an die Börse gegangen, und das überarbeitete Blatt wird im September veröffentlicht. Das Werk in Sunderland zeigt, dass sich LKWs und Elektrofahrzeuge bereits eine Produktionslinie teilen können, wodurch die Beliebtheit solcher Fahrzeuge durch Kapazitätserweiterungen vereinfacht wird.

lithium-batterie springt vorwärts

Viele Prognosen deuten darauf hin, dass die Lebenszeitkosten für den Besitz und das Fahren eines Elektroautos innerhalb weniger Jahre mit denen eines Kraftstoffautos verglichen werden können, was dazu führt, dass die Verkäufe in den 2020er Jahren steigen und in den 2030er Jahren zum Mainstream werden. Es machte im vergangenen Jahr etwa die Hälfte des weltweiten Absatzes von Elektrofahrzeugen aus. Bis 2020 waren schätzungsweise 2 Millionen Elektro- und Plug-in-Hybride unterwegs, in 10 Jahren waren es 7 Millionen.

Das Beratungsunternehmen Bloomberg New Energy Finance wies darauf hin, dass die Erwartungen der Ölunternehmen an Elektrofahrzeuge viel höher sind als noch vor einigen Jahren. Die Organisation der erdölexportierenden Länder (OPEC) geht nun davon aus, dass bis 2040 266 Millionen Elektrofahrzeuge auf der Straße fahren werden. Sowohl Großbritannien als auch Frankreich haben ebenfalls angekündigt, dass bis dahin Fahrzeuge mit reinem Kraftstoff verboten sein werden.

Dies ist auf die bemerkenswerte Ausweitung des Lithiumbatterie-Geschäfts und den allgemeinen Konsens zurückzuführen, dass die Branche auch in Zukunft schnell wachsen wird. Die ersten Lithiumbatterien wurden vor 26 Jahren verkauft und ursprünglich für die CCD-TR1-Kamera von Sony verwendet. Dieses Produkt war beliebt, und die verwendeten Batterien waren es noch mehr, und es wurde nach und nach auf Computer, Mobiltelefone, schnurlose Geräte, elektronische Zigaretten und andere Produkte angewendet.

Je mehr Elektronik Sie verwenden, desto größer ist die Nachfrage nach Lithiumbatterien. Im vergangenen Jahr haben Konsumgüter etwa 45 GWh Lithiumbatterien beigesteuert. Wenn alle Batterien für die Stromversorgung des Vereinigten Königreichs verwendet werden (der durchschnittliche Stromverbrauch im Land beträgt 34 GW), kann dies für Laien etwa 1 Stunde und 20 Minuten dauern.

Im selben Jahr erreichte die Produktion von Lithiumbatterien für Elektrofahrzeuge die Hälfte der Elektronik: 25 GWh. SamJaffe, eine Batterieberatung bei CairnERA, geht jedoch davon aus, dass die Nachfrage nach Autobatterien bereits im nächsten Jahr die Unterhaltungselektronik übertreffen wird, was sie zu einem Wendepunkt für die gesamte Branche macht. Die massive Expansion hat begonnen.

Japans Panasonic, Südkoreas LG Chemical und Samsung SDI sowie Chinas BYD- und Ningde-Epochen, die fünf weltweit führenden hersteller von lithiumbatterien, erhöhen ihre Investitionsausgaben und werden voraussichtlich bis 2020 die Produktion verdreifachen. Es wird geschätzt, dass Tesla 5 Milliarden US-Dollar Super hat Fabriken, die mit Panasonic in Nevada gebaut wurden, können bereits etwa 4 GWh pro Jahr produzieren. Tesla sagte, dass es bis 2018 eine Kapazität von 35 GWh haben würde. Noch vor vier Jahren war diese Leistung für alle Lithiumprodukte der Welt ausreichend.

Superfabriken werden nicht nur für Elektroautos gebaut. Nachdem Tesla-Gründer Elon Musk von der Stromregulierung in Südaustralien erfahren hatte, teilte er dem Premierminister des Landes im März mit, dass Tesla bis Ende des Jahres genügend Batteriekapazität bereitstellen könne, um sicherzustellen, dass sich das Stromnetz niemals verabschiedet.

In der Superfabrik versuchen sie nun, 129 MWh Kapazität zu stopfen, um das Versprechen ihres Chefs zu halten. Wenn es auf der anderen Seite des Pazifiks installiert wird, wird es das weltweit größte seiner Art sein, basierend auf Stromnetzen. In Zukunft werden jedoch viele ähnliche Systeme bereitgestellt.

Da Netzbetreiber nach Möglichkeiten suchen, die intermittierende Versorgung mit Solar- und Windenergie zu glätten, werden Lithiumbatterien im industriellen Maßstab immer beliebter. Insbesondere spleißen sie viele der in Autos verwendeten Batterien zusammen und passen ihre chemischen und elektronischen Komponenten an. Um eine schnellere Lade- und Entladegeschwindigkeit zu unterstützen.

Verbraucher, die vom Stromnetz unabhängig sein möchten, können kleinere Batterien kaufen - oder ihren eigenen Strom speichern, der tagsüber oder nachts an das Stromnetz verkauft wird, wenn der Strompreis am höchsten ist. Batterien sind ein wesentlicher Bestandteil einer wirklich emissionsarmen Vision für die Zukunft geworden.

Die weltweite Produktionskapazität steigt

Die Grundprinzipien von Lithiumbatterien sind leicht zu verstehen. Wenn die Batterie auf ein Potential aufgeladen wird, werden Lithiumionen tief in die Graphitelektrode gezogen. Während des Gebrauchs kehren diese Lithiumionen durch den flüssigen Elektrolyten zu der komplexeren Elektrode, der Kathode, zurück, die aus einer Verbindung von Lithium und anderen Metallen besteht.

Andererseits ist das grundlegende Betriebsmodell des Batteriegeschäfts sehr undurchsichtig, vor allem, weil die Lieferanten der Geheimhaltung und der unvorhersehbaren wirtschaftlichen Situation der asiatischen Marktführer, die Marktführer sind, zu viel Aufmerksamkeit schenken.

Die Situation in den letzten Jahren zeigt, dass alle großen Hersteller ihre Produktionskapazität erhöhen, auch weil dies die Stückkosten senken kann. Als Grundbestandteil der Batterie kosteten Lithiumbatterien im Jahr 2010 mehr als 1.000 USD pro kWh und fielen im vergangenen Jahr auf 130 bis 200 USD. GM sagte, als das Unternehmen einen 60-kWh-Akku für Bolt kaufte, betrug der an LG Chem gezahlte Preis 145 USD pro kWh (die Kosten für den Akku waren aufgrund von Arbeit, Material und elektronischen Komponenten höher als die Kosten für den Akku).

Tesla sagte, dass der Preis für die Batterie des Modells 3 günstiger ist. Niedrige Kosten sind nicht die einzige Verbesserung. Durch große F & E-Investitionen wurden eine höhere Energiedichte (erhöhte Kapazität pro Kilogramm) und eine längere Lebensdauer (erhöhte Lade- und Entladezyklen) erzielt. Die Batteriegarantie von Bolt beträgt 8 Jahre.

Auf diese Weise können Preissenkungen nicht nur Batterien produzieren, die billiger und von besserer Qualität sind, sondern auch zu starken Überkapazitäten führen. CairnERA schätzte im vergangenen Jahr, dass die Lithiumbatteriekapazität ein Drittel über der Nachfrage liegt. Sowohl die Agentur als auch BNEF sagten, dass die Batteriehersteller für jede produzierte Autobatterie entweder Geld verlieren oder nur einen geringen Gewinn erzielen können.

Trotz Überangebot planen alle, weiter zu expandieren, um die Kosten weiter zu senken. Jeff erklärte, dass diese Art des Denkens zum "traditionellen asiatischen Riesenmodell" gehört: im Austausch gegen Gewinnmargen im Austausch gegen Marktanteile.

Dies scheint eine gute Strategie zu sein, da die Zukunft von Elektrofahrzeugen vielversprechend ist. Aber jetzt scheint es ein bisschen nervös. Obwohl Jeff glaubt, dass die wachsende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und Lagereinrichtungen diese rasche Expansion unterstützen kann, glaubt er jetzt auch, dass "dies wie ein Goldrausch ohne Gold ist".

Aber es enthält einige andere wertvolle Metalle. Um mehr Batterien herzustellen, benötigen Sie mehr Lithium sowie eine Vielzahl anderer Metalle, einschließlich Kobalt, das zur Herstellung von Kathoden verwendet wird. Diese Metalle machen etwa 60% der Batteriekosten aus. Für Batteriehersteller ist es ebenso wichtig, die kontinuierliche Versorgung mit diesen Materialien sicherzustellen wie die Beherrschung der elektrochemischen Technologie.

Laut Simon Moores vom Beratungsunternehmen BenchmarkMineralIntelligence haben sich die Lithiumpreise seit 2015 verdreifacht, die Kobaltpreise haben sich verdoppelt und die Preise für nickelhaltige Chemikalien für Kathoden sind ebenfalls gestiegen.

Morse sagte, es sei nicht schwierig, eine neue Lithiumquelle zu finden. Die weltweiten Lithiumreserven betragen mindestens 210 Millionen Tonnen, und die derzeitige Jahresproduktion beträgt nur 180.000 Tonnen. Die neue Lithiummine wird schrittweise abgebaut. Chiles SQM, der weltweit größte Lithiumproduzent, kündigte im Juli an, 110 Millionen US-Dollar in Westaustralien zu investieren, um ein Lithium-Joint Venture zu gründen.

Die Situation mit Kobalt ist noch schwieriger. Nicht nur die Lieferungen sind knapp, sondern viele stammen aus der Demokratischen Republik Kongo. In dieser Region gibt es sowohl ethische Probleme (Notwendigkeit, sich auf Kinderarbeit zu verlassen) als auch geschäftliche Probleme (niemand möchte sich bei wichtigen Ressourcen auf Kriegsherren verlassen). Laut LG Chem versucht das Unternehmen, die im Akku verwendete Kobaltmenge zu reduzieren und gleichzeitig die Leistung weiter zu verbessern. In Zukunft wird das Recycling dieses Metalls aus gebrauchten Batterien die Nachhaltigkeit der gesamten Branche erhöhen.

Einer der Gründe, warum die Hersteller ihre Produktionskapazität angesichts steigender Rohstoffpreise immer noch zuversichtlich erweitern, ist, dass Lithiumbatterien derzeit nur wenige Konkurrenten haben. Es gibt oft andere Batterietechnologien, die behaupten, im Prinzip einen größeren Vorteil zu haben - aber keine Technologie kann sich durch jahrzehntelange Entwicklung von einer einfachen Idee zu einer dominanten Technologie wie einer Lithiumbatterie ändern. Der gesamte Prozess hat eine Reihe komplementärer Technologien hervorgebracht, darunter Feinfertigung, Elektrolytauswahl und noch komplexere Metallkathoden-Nanotechnologie.

Kainan · Saxin, Leiter von CaMX Power, einem Lieferanten von Kathodenmaterialien in den USA, sagte, dass die Kosten und das Gewicht von Lithiumbatterien, die Anzahl der wiederholten Zyklen, die Haltbarkeit und die Sicherheit durch unzählige Anpassungen und nicht über Nacht erreicht werden.

Er vergleicht die Batteriechemie mit dem Wirkstoffentdeckungsprozess in der Pharmaindustrie. "Es ist wirklich schwer. Was auch immer Sie auf einer Skala tun möchten, Sie müssen die Nebenwirkungen akzeptieren", sagte er. Dies ist für einen potenziellen Usurpator schwer nachzuahmen. In absehbarer Zeit wird die fortschrittliche Lithiumbatterietechnologie - möglicherweise unter Verwendung neuer Festkörperelektroden - weiterhin führend sein und von der anhaltenden Verbreitung der von ihr unterstützten Anwendungen profitieren.

Bis jetzt ist die zylindrische 18650-Batterie der Hauptstrom. Es ist ungefähr 65 mm lang und 18 mm im Durchmesser und hat eine Energiedichte von ungefähr 250 Wh pro Kilogramm. (Zum Vergleich: Die Energiedichte von Benzin ist etwa 50-mal höher, aber die Batterie kann hunderte Male mehr Energie speichern.)

Tesla und Panasonic entwickeln derzeit 2170 Kerne, die etwas länger und breiter als 1.8650 sind. Es wäre die dichteste Batterie auf dem Markt, sagte Musk. Das Unternehmen gab an, dass die Kosten für das Ende Juli gelieferte Modell 3 halb so hoch waren wie bei jedem früheren Modell. Bei der Markteinführung des Autos war die Ankündigung von Herrn Musk, im nächsten Jahr 500.000 Fahrzeuge produzieren zu können, beeindruckend. "Willkommen in der Produktionshölle", sagte er zu dem Monteur.

Tesla kündigte am 7. August an, Anleihen im Wert von 1,5 Mrd. USD zur Unterstützung des Expansionsplans des Unternehmens auszugeben, was dem Aktienmarkt eine dringend benötigte Ruhepause einräumt - oft von der Börse finanziert - und der Aktienkurs ist um zwei Drittel gestiegen im Laufe des letzten Jahres.

Das Unternehmen hat angekündigt, 455.000 Vorverkaufsaufträge für das Modell 3 erhalten zu haben, mit denen vor Ende des Jahres genügend Bargeld generiert werden kann, um die Finanzen zu stützen. Wenn alles nach Plan läuft, hofft Musk, dass die Superfabrik mit einer Kapazität von 100 GWh pro Jahr das größte Gebäude der Welt wird. Das Unternehmen könnte auch anderswo Superpflanzen bauen, und die nächste könnte in China sein.

All dies deutet darauf hin, dass Elektroautos florieren werden. Es besteht kein Zweifel, dass diese Produkte besser und billiger werden. Es gibt jedoch noch andere Faktoren, die die Praktikabilität einschränken, insbesondere das Aufladen. In Großbritannien haben 43% der Autobesitzer keine Parkplätze am Straßenrand, sodass sie ihre Autos zu Hause nicht aufladen können. Mit einem 11-kW-Ladegerät zum Laden eines 90-kWh-Akkus für 6 Stunden kann die Sicherung durchgebrannt werden.

Schnellladestationen sind eine Lösung, eine Art Tankstelle. Einige Autohersteller haben begonnen, solche Einrichtungen zu bauen, um die für Besitzer von Elektroautos charakteristische "Kilometerangst" zu lindern. Es bleibt jedoch abzuwarten, ob die Geschwindigkeit, mit der solche Einrichtungen expandieren, die Ambitionen der Branche unterstützen wird.

Es ist die Unsicherheit über die Wachstumsrate der Nutzung von Elektrofahrzeugen, die die Speicherung für Batteriehersteller zu einer attraktiven Option macht. Die San Diego Gas- und Elektrizitätsgesellschaft (SDGE) hat kürzlich eine solche Anlage auf einem Parkplatz am Stadtrand von San Diego gebaut. Sie ist nicht so glänzend wie die Einführung eines neuen Autos. Es ist eigentlich eine Autobatterie, die als Wohnwagensiedlung mit 384.000 Kernen getarnt ist. Dies ist wahrscheinlich der langweiligste Transformator aller Zeiten.

Aber SDGECOO Caroline Winn sagte, dass das Gewöhnliche sein Charme ist. Der Zweck dieser Anlage ist die Bereitstellung von Strom bei maximalem Stromverbrauch. Aufgrund des modularen Gebäudes dauerte diese 120-MWh-Anlage - eine Anlage, die etwas kleiner ist als Teslas Verpflichtung, in Südaustralien zu bauen - vom Bau bis zur Inbetriebnahme nur acht Monate. Das Geräusch ist sehr gering und fast unhörbar.

Wenn die gleiche Arbeit durch Gasturbinen ausgeführt wird, können die Kosten gesenkt werden, dies dauert jedoch mehrere Jahre und es ist unmöglich, die Zustimmung der Anwohner einzuholen. Die Batterie ist "viel schöner als eine Gasturbine", sagt Wynn.

Ultimative Energiequelle.

Für Tesla und andere Batteriehersteller ist die Netzspeicherung der attraktivste Teil des Strommarkts und nutzt die sonst möglicherweise überschüssige Kapazität. Darüber hinaus können selbstgenutzte Speichersysteme auch den Batteriebedarf erhöhen. Tesla kam über Powerwall-Heimbatterien auf den Markt und hoffte, die Solarmodule des Unternehmens ergänzen zu können.

Nissan erkundet auch seinen eigenen Speichermarkt. Das Unternehmen arbeitete mit Eaton, einem amerikanischen Energieverwaltungsunternehmen, zusammen, um Unternehmen und Fabriken gebrauchte Blattbatterien als Ersatzstromversorgung für Dieselgeneratoren zur Verfügung zu stellen. Ihr erster großer Kunde war das Amsterdam Stadium, Heimat des Ajax Football Club.

Solche Systeme sind preislich vielleicht nicht sehr wettbewerbsfähig, aber die Regierung wird ihnen verschiedene Subventionen gewähren. Im Mai erteilten die Aufsichtsbehörden des Staates New York dem Versorgungsunternehmen ConEdison das Recht, Batterien in Brooklyn und Queens zu installieren, um das Netz mit Strom zu versorgen.

Das New Yorker Stromnetz ist verfallen und geht auf die Zeit von George Westinghouse und Nikola Tesla vor mehr als einem Jahrhundert zurück. Derzeit werden Anstrengungen unternommen, um mehr erneuerbare Energiequellen als Stromquelle zu absorbieren, und Energiespeicher bieten neue Möglichkeiten, um den Spitzenbedarf an Strom zu decken. Der Energiebeamte des Staates, Jason Doling, sagte, das Projekt sei ideal für die Installation in Hochhäusern geeignet, die den Aufzug morgens und abends mit Strom versorgen könnten.

Die Feuerwehr in New York befürchtet jedoch weiterhin, dass Lithiumbatterien in Gebäuden Brände auslösen könnten. Das letztjährige Samsung Galaxy Note 7 "Bomb Door" hat der Welt klar gemacht, dass der lithium-akku aufgrund eines Kurzschlusses brennt, wenn er nicht richtig konstruiert ist. Insgesamt haben die neuen Materialien und Keramikbeschichtungen der Elektroden die Autobatterien sehr sicher gemacht.

Zusätzlich zu Sicherheitsbedenken geben Unternehmen, die ihre eigenen Energiespeichersysteme installieren, an, durch veraltete regulatorische und versicherungstechnische Probleme behindert zu werden. AnilSrivastava, der Chef des Schweizer Batterieherstellers Leclanché, sagte, dies schränke ihre Fähigkeit ein, Mittel zu beschaffen. Sie müssen auch Wege finden, um die Speicherung von Strom lohnenswert zu machen.

Manchmal ist dies fast die einzige regulatorische Lösung (wie in San Diego): Das kalifornische Versorgungsunternehmen war besorgt über einen Stromausfall in Los Angeles nach dem Leck des Aliso Canon-Panzers im Jahr 2015. Wenn der Preis das Hauptziel ist, sucht die Batterie nach mehr als einem Dienst, der dem Benutzer bereitgestellt werden kann. Dieses Programm wird als "Einnahmenüberlagerung" bezeichnet. Beispielsweise kann ein System das Netz nicht nur zur kurzfristigen Frequenzregelung mit Strom versorgen, sondern auch als Reaktion auf den Spitzenbedarf dienen.

Es mag kompliziert klingen, aber es ist ein unvermeidlicher Trend in der Batterieindustrie, mehr als einen Weg zu finden, um dasselbe zu verkaufen, ebenso wie es unterschiedliche Produkte für unterschiedliche Märkte und unterschiedliche Nutzungsgrößen anpasst. Während der heutige Boom entmutigend erscheinen mag, scheint die Branche auf lange Sicht auf dem richtigen Weg zu sein.

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