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China könnte Natriumbatterien dominieren, der nächste große Fortschritt im Energiebereich

Apr 28, 2023Apr 28, 2023

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China ist dem Rest der Welt bei der Entwicklung von Natriumbatterien weit voraus, die allmählich mit den allgegenwärtigen Lithium-Energiezellen konkurrieren.

Von Keith Bradsher

Berichterstattung aus Changsha, Ningde und Fuzhou in China

In Changsha, tief im Landesinneren Chinas, gestalten Tausende Chemiker, Ingenieure und Fertigungsarbeiter die Zukunft der Batterien.

Die Central South University der Stadt bringt Absolventen hervor, die die Technologie vorantreiben, so wie die Stanford University die Karrieren von Unternehmern aus dem Silicon Valley prägte, die Pionierarbeit bei Mikrochips leisteten. Auf der anderen Seite des Xiang-Flusses mischen riesige Fabriken Mineralien zu hochverarbeiteten Verbindungen, die wiederaufladbare Batterien ermöglichen.

Diese meist aus Lithium bestehenden Batterien haben den Aufstieg von Mobiltelefonen und anderer Unterhaltungselektronik vorangetrieben. Sie verändern die Automobilindustrie und könnten bald damit beginnen, dasselbe bei Solarpaneelen und Windturbinen zu tun, die im Kampf gegen den Klimawandel von entscheidender Bedeutung sind. China dominiert die chemische Raffinierung und Produktion.

Jetzt positioniert sich China für die nächste große Innovation bei wiederaufladbaren Batterien: den Ersatz von Lithium durch Natrium, ein weitaus billigeres und häufiger vorkommendes Material.

Natrium, das überall auf der Welt als Bestandteil von Salz vorkommt, wird für 1 bis 3 Prozent des Lithiumpreises verkauft und ist chemisch sehr ähnlich. Jüngste Durchbrüche haben dazu geführt, dass Natriumbatterien nun über Jahre hinweg täglich aufgeladen werden können, was einen entscheidenden Vorteil von Lithiumbatterien zunichte macht. Auch die Energiekapazität von Natriumbatterien ist gestiegen.

Und Natriumbatterien haben einen großen Vorteil: Sie behalten fast ihre gesamte Ladung, wenn die Temperaturen weit unter den Gefrierpunkt fallen, was bei Lithiumbatterien normalerweise nicht der Fall ist.

In Changsha arbeiten Absolventen des grünen Campus der Central South University in nahe gelegenen Forschungslabors, die von Unternehmen wie der deutschen BASF, dem weltweit größten Chemiehersteller, betrieben werden, an der Natriumbatterietechnologie. Eine der ersten großen Fabriken für Natriumbatteriechemikalien befindet sich bereits ein paar Blocks von den Laboren entfernt im Bau.

Chinesische Batteriemanager sagten in Interviews, sie hätten im vergangenen Jahr herausgefunden, wie man Natriumbatteriezellen so ähnlich wie Lithiumbatterien herstellen könne, dass sie mit der gleichen Ausrüstung hergestellt werden könnten. Der chinesische Riese CATL, der weltweit größte Hersteller von Batterien für Elektroautos, sagt, er habe einen Weg gefunden, Natriumzellen und Lithiumzellen in einem einzigen Batteriepaket für Elektroautos zu verwenden und dabei die niedrigen Kosten und die Wetterbeständigkeit von Natriumzellen mit der erweiterten Reichweite von zu kombinieren Lithiumzellen. Das Unternehmen sagt, es sei nun bereit, diese gemischten Batteriepakete in Massenproduktion herzustellen.

„Wir sind bereit, es zu industrialisieren“, sagte Huang Qisen, stellvertretender Dekan des CATL-Forschungsinstituts, in einem Interview am Hauptsitz des Unternehmens in Ningde, China. CATL, die Abkürzung für Contemporary Amperex Technology Ltd., verlässt sich teilweise auf Chemikalien aus Changsha und baute kürzlich in Ningde seine erste große Natriumbatterie-Montagelinie.

Multinationale Konzerne werden auf Natrium aufmerksam.

„Es wird den Höhepunkt der Lithiumnachfrage abmildern“, sagte Mike Henry, Vorstandsvorsitzender von BHP, dem weltweit größten Bergbauunternehmen. „Ich bin zuversichtlich, dass Natrium in bestimmten Anwendungen Lithium ersetzen wird.“

Die ernsthafte Erforschung der Verwendung von Natrium für Batterien begann in den 1970er Jahren unter der damaligen Federführung der Vereinigten Staaten. Japanische Forscher haben vor einem Dutzend Jahren entscheidende Fortschritte gemacht. Seitdem haben chinesische Unternehmen die Führung bei der Kommerzialisierung der Technologie übernommen.

Laut Benchmark Minerals, einem Beratungsunternehmen, befinden sich 16 der derzeit weltweit geplanten oder bereits im Bau befindlichen Natriumbatteriefabriken 16 in China. In zwei Jahren wird China über fast 95 Prozent der weltweiten Kapazität zur Herstellung von Natriumbatterien verfügen. Die Produktion von Lithiumbatterien wird zu diesem Zeitpunkt immer noch die Produktion von Natriumbatterien in den Schatten stellen, prognostiziert Benchmark, aber die Fortschritte bei Natrium beschleunigen sich.

Auf der Shanghai Auto Show nächste Woche werden Automobilhersteller und Batteriehersteller voraussichtlich Pläne für Natriumbatterien in zumindest einigen Kleinwagen mit begrenzter Reichweite für den chinesischen Markt bekannt geben.

Die vielversprechendste Verwendung für Natriumbatterien sind Stromnetze, Netzwerke aus Leitungen und Masten, die Strom übertragen. Batterien für Netze sind ein schnell wachsender Markt, insbesondere in China. Tesla gab diese Woche bekannt, dass es in Shanghai eine Fabrik bauen werde, um Lithiumbatterien für Energieversorger herzustellen.

Natriumbatterien müssen größer sein als Lithiumbatterien, um die gleiche elektrische Ladung zu speichern. Das ist für Autos ein Problem, da der Platz begrenzt ist, nicht aber für Stromspeicher. Energieversorger, die von Lithium auf Natrium umsteigen, können einfach doppelt so viele große Batterien auf einem leeren Grundstück in der Nähe von Solarpaneelen oder Windkraftanlagen unterbringen.

Energieversorger auf der ganzen Welt haben einen zunehmenden Bedarf an enormen Mengen an Batteriespeichern, da sie auf klimafreundliche Quellen wie Sonne und Wind umsteigen. Sie müssen in der Lage sein, Energie zu speichern, während die Sonne scheint und der Wind weht, und sie dann später als Ersatz für Strom aus Kohle oder Gas zu nutzen.

In einer großen chinesischen Provinz, Shandong, wird Strom am frühen Abend, wenn die Nachfrage hoch ist, bereits für bis zu 20-mal mehr verkauft als am Mittag, wenn das Netz mit mehr Solarstrom überflutet ist, als Fabriken und Haushalte benötigen. Die Stromerzeugungsunternehmen nutzen Lithiumbatterien, um ihren erneuerbaren Strom über mehrere Stunden zu verteilen.

Aber einige Energieversorger, wie die Three Gorges Corporation in West-Zentralchina, beginnen, mit Natriumbatterien zu experimentieren. Viele Provinzen haben damit begonnen, neu errichtete Solar- oder Windparks zu verpflichten, genügend Batterien zu installieren, um 10 bis 20 Prozent des von ihnen erzeugten Stroms zu speichern, sagte Frank Haugwitz, ein auf Chinas Solarindustrie spezialisierter Berater.

CATL hat Lithiumbatterien in der Größe von Minivans an Ladestationen für Elektroautos in Städten wie Fuzhou installiert. Die Batterien laden sich automatisch immer dann auf, wenn der Strom günstig ist, zum Beispiel über Nacht oder wenn die Sonne auf die Solarpaneele auf dem Dach der Ladestation scheint, und sind bereit, wenn Autofahrer zum Aufladen vorfahren. CATL untersucht, ob Natrium an solchen Standorten verwendet werden kann.

Im Gegensatz zu Lithiumbatterien benötigen die neuesten Natriumbatterien keine knappen Materialien wie Kobalt, ein Mineral, das hauptsächlich in Afrika unter Bedingungen abgebaut wird, die Menschenrechtsgruppen alarmiert haben. Die neuesten Natriumbatterien kommen zudem ohne Nickel aus, das hauptsächlich aus Minen in Indonesien, Russland und den Philippinen stammt.

Doch während China auf dem Weg zur Führungsspitze bei Natrium ist, steht es immer noch vor Herausforderungen. Zunächst einmal gibt es die Quelle, wo man das Natrium bekommt.

Während Salz im Überfluss vorhanden ist, entfallen auf die Vereinigten Staaten über 90 Prozent der weltweit leicht abbaubaren Reserven an Soda, der wichtigsten industriellen Natriumquelle. Tief unter der südwestlichen Wüste von Wyoming liegt eine riesige Lagerstätte von Soda, die vor 50 Millionen Jahren entstanden ist. Dort wird seit langem Soda für die amerikanische Glasindustrie gewonnen.

Angesichts der geringen natürlichen Reserven an Soda und der Zurückhaltung, sich auf Importe aus den Vereinigten Staaten zu verlassen, produziert China stattdessen synthetisches Soda in mit Kohle betriebenen Chemiefabriken.

Chinas Industrie für synthetisches Soda weist eine Liste gefährlicher Wasserverschmutzung auf. Dazu gehört auch der Einsturz eines Alkalischlackenhaufens in Ost-Zentralchina im Jahr 2016, der Autos weggespült und einen großen Fluss verunreinigt hat. Die Umweltbehörde des Landes arbeitet daran, die Branche zu bereinigen.

Eine weitere Frage im Zusammenhang mit Natrium ist, ob Lithium teuer bleiben wird. Die Lithiumpreise haben sich von 2017 bis November letzten Jahres vervierfacht, sind seitdem aber um zwei Drittel gesunken.

Auch an der Haltbarkeit von Natriumbatterien bestehen Zweifel. Energieversorger wollen sehen, wie sich Natriumbatterien über Jahre hinweg im Freien und nicht nur in Laboren verhalten, sagte David Fishman, Berater für den Energiesektor bei der Beratungsfirma Lantau Group.

Aber Herr Fishman und andere beobachten die Entwicklung von Natriumbatterien jetzt genau. Die Nachfrage nach Batterien wächst schnell und Lithium wird wahrscheinlich nicht auf Dauer das dominierende Material bleiben.

„Ja, Natrium spielt eine Rolle“, sagte Herr Henry von BHP. „China steht hier an vorderster Front und treibt die Forschung voran.“

Li Sie haben zur Forschung beigetragen.

Keith Bradsher ist der Leiter des Pekinger Büros der Times. Zuvor war er als Büroleiter in Shanghai, Hongkong und Detroit sowie als Washington-Korrespondent tätig. Er hat während der Pandemie auf dem chinesischen Festland gelebt und berichtet. @KeithBradsher

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