Der Übergang zu erneuerbaren Energien beinhaltet die Nutzung epischer Kräfte der Natur. Glatt Solarplatten aus Silber und Kieselerde aus den Tiefen der Erde geschmiedet, wandeln die blendend feurige Lichtenergie der Sonne in Elektrizität um. Windkraftanlagen mit Flügeln von der Größe eines 12-stöckigen Gebäudes unterstreichen die Skyline windgepeitschter Felder und tragen dazu bei, ganze Städte mit Strom zu versorgen.
Was ist eines der wertvollsten Werkzeuge, um all dies zu ermöglichen? Welche Geheimwaffe ist ein entscheidender Faktor für diese dramatische Energiewende?
Batterien.
Eine 1-Megawatt-Vanadium-Flow-Batterie (eine andere Technologie als Lithium-Ionen, die aber auch zur Energiespeicherung verwendet wird) befindet sich in Pullman, Washington, gebaut von UniEnergy Technologies und im Besitz von Avista Utilities. Quelle: UniEnergy Technologies/Wikimedia Commons
Batterien helfen, überschüssige Energie zu speichern. Wenn das Stromnetz zu einem bestimmten Zeitpunkt über die gesamte benötigte Energie verfügt, es aber ein sonniger oder windiger Tag ist und Solar- und Windenergieanlagen immer noch Strom erzeugen, helfen Batterien, den Überschuss zu speichern. Wenn die Sonne dann untergegangen ist und der Wind nicht weht, können Batterien diese gespeicherte überschüssige Energie entladen, um den Strombedarf weiterhin zu decken. Während die meisten Energiespeicher für das US-Stromnetz heute in Form von PumpspeicherkraftwerkeBatterien sind ein wachsendes Stück des Speicherkuchens.
Der häufigste Batterietyp, der in Netzspeichersystemen verwendet wird, sind Lithium-Ionen-Batterien. Lithium-Ionen-Akkus, die ihre ursprüngliche Nische in Laptops und Mobiltelefonen finden, sind leicht und können tausende Male aufgeladen werden, ohne an Kapazität zu verlieren. Dies macht sie zu einem perfekten Kandidaten für die Betankung von Elektrofahrzeugen (EVs), die heute die Lithium-Ionen-Batterieindustrie dominieren. Derzeit gibt es in Elektrofahrzeugen etwa 35-mal mehr Lithium-Ionen-Batteriekapazität als in Netzenergiespeichern weltweit (700 Gigawattstunden (GWh) vs. 20 GWh). Daher werden die meisten Lithium-Ionen-Batterien, die heute zur Energiespeicherung verwendet werden, aus denselben hergestellt Lieferketten und Prozesse als EVs, angesichts der größeren Skaleneffekte der EV-Industrie.
Was sind die Bausteine einer Lithium-Ionen-Batterie?
Lithium-Ionen-Akkus enthalten fünf Komponenten: eine Anode, eine Kathode, ein Separator zwischen Anode und Kathode, eine Elektrolytlösung, die die Lithiumionen transportiert, und Stromkollektoren aus Kupfer und Aluminium, die die Batterie mit Drähten verbinden.
Die Anode besteht typischerweise aus Graphit. Der Graphit wird gemischt, bis er vollständig gleichförmig ist, und dann auf Aluminiumfolie aufgetragen. Bei der Herstellung der Kathode wird die zwei der häufigsten Chemien sind solche, die Kobalt enthalten (entweder Nickel-Magnesium-Kobalt oder Nickel-Kobalt-Aluminium) oder solche, die dies nicht tun und stattdessen Lithium-Eisen-Phosphat enthalten. Für jeden Typ, die Metallmischung wird gemischt, bis es einheitlich ist, und auf Kupferfolie aufgetragen. Anschließend werden die beschichteten Folien mit Walzen verdichtet und anschließend in Streifen geschnitten.
Zusammenbau der Komponenten
In einer typischen Lithium-Ionen-Batterie werden die Anode und die Kathode separat mit einem Bindemittel gemischt, um eine Aufschlämmung zu erzeugen, und die Aufschlämmungen werden dann auf die Stromkollektoren aufgetragen. Nach dem Trocknen werden die Anoden- und Kathodenbleche mit dazwischen angeordneten Polymerseparatoren gestapelt. Um eine „Beutelzelle“ zu erzeugen, werden diese Schichten abwechselnd zu einem Rechteck gestapelt. Um eine „zylindrische Zelle“ zu bilden, wird der Schichtstapel aufgewickelt. Die Anode an einem Ende ist mit dem negativen Stromkollektor verschweißt und die Kathode am anderen Ende mit dem positiven Stromkollektor. Anschließend wird das System in das Zellengehäuse eingesetzt und der Elektrolyt zugegeben.
Test & Aktivierung
Schritte zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie. Quelle: Liuet al. 2021
Laden und Entladen von zusammengebauten Batterien – Schlüsselqualität Aktivierung und Testschritte – nehmen etwa ein Drittel der Zeit des Herstellungsprozesses in Anspruch.
Können sicherere, kleinere und energiedichtere Festkörperbatterien herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien ersetzen? Materialwissenschaftler testen skalierbare, industrierelevante Prozesse und Technologien, die dies vermuten lassen. (Bild von Argonne National Laboratory.)
Schließlich durchlaufen die Zellen einen „Alterungsprozess“, der sowohl für Elektrofahrzeuge als auch für Netzspeicherbatterien ähnlich aussieht. Über einen Zeitraum von oft mehreren Wochen wird die Spannung der Batterie überwacht, um Stabilität zu gewährleisten und auf etwaige Spannungen zu testen Fehlfunktionen oder Verschlechterungen im Laufe der Zeit. Sobald die Batterie den Code erfüllt, geht sie ans Netz, um unsere Zukunft mit erneuerbaren Energien mit Strom zu versorgen!
Batterie-Energiespeicher ist leistungsstark und wächst
Batteriespeicher können dazu beitragen, saubere Energie für das Netz zu speichern. Ein weiterer kleinerer Vorteil von Batterien ist ihre Verwendung in „Mini-Grids“, die Einzelpersonen und Gemeinden helfen können, das Licht für zusätzliche Stunden eingeschaltet zu lassen, wenn das Stromnetz vorübergehend ausfällt Stromausfälle oder Naturkatastrophen.
Batterien können auch verwendet werden, um den Spitzenstrombedarf zu decken; Anstelle von Batterien werden derzeit häufig fossil betriebene „Spitzenkraftwerke“ zur Energieversorgung in Zeiten hoher Nachfrage eingesetzt. Obwohl diese Anlagen selten genutzt werden, sind sie ineffizient und stark umweltbelastend und tragen zu den CO2-Emissionen der USA bei. Der Ersatz von Peaker-Anlagen durch Batteriespeichersysteme wird ein großer Gewinn für den Klimaschutz und die öffentliche Gesundheit in den USA sein. In einem aktuellen Beispiel aus dem August 2022 haben Tesla Powerwall-Batterien in Tausenden von kalifornischen Haushalten Strom gebündelt und das Netz unterstützt, wenn die Nachfrage sehr hoch war.
Die Branche wächst. Von 2020 auf 2021 verdreifachten sich die großflächigen Installationen von US-Batteriespeichersystemen von 1,4 auf 4,6 Gigawatt. Holz Mackenzie schätzt, dass die USA bis 2026 mehr als 63 Gigawatt zusätzliche Batterien hinzufügen werden. Dieser verstärkte Einsatz von Energiespeichersystemen wird die Forschung an Batterietechnologien vorantreiben, die speziell für die Netzspeicherung entwickelt wurden, einschließlich neuer Arten von Lithium-Ionen-Batterien und Alternativen.
Flotten von Batterien – Hektar um Hektar unscheinbarer stationärer Metallkisten – sind ein Schlüssel zum Entsperren des erneuerbare energien zukunft. Aber sind Batterien selbst erneuerbar? Kann man sie wiederverwenden bzw recycelt am Ende ihres Lebens? Wo tun ihre rohes Material stammen, und wie können wir sicherstellen, dass ihr wertvoller Inhalt zurückgewonnen und nicht verschwendet wird? Klicke, um mehr zu lernen!
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Und was ist mit den Sonnenkollektoren und Windturbinen, die den Strom erzeugen, den die Batterien speichern? Schauen Sie sich unsere vorherigen an Beiträge auf die Lebenszyklen von Solarmodulen und Windkraftanlagen!
Von Charlie Hofs war 2022 UCS Summer Schneider Fellow in Cambridge, Massachusetts. Sie erwarb 2022 ihren BS Chemical Engineering an der Stanford University und verfolgt derzeit einen MS in Community Health and Prevention Research in Stanford. Im April 2020 war sie Mitbegründerin und Co-Leiterin von unBox, einer von Jugendlichen geführten Organisation, die sich dafür einsetzt, junge Menschen zu vereinen und zu befähigen, die Ernährungsunsicherheit in den USA zu bekämpfen.
Mit freundlicher Genehmigung von Union Betroffener Wissenschaftler.
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