Batterieproduktion vers. Brennstoffzelle - warum die Batterie gewinnt

Die Entwicklung eines nachhaltigeren Energiesystems wird durch die Energiewende vorangetrieben und verlagert die Wirtschaft in Richtung Elektrifizierung. Der Bedarf an Batterien ist dadurch gerade in den letzten Jahren sprunghaft nach oben geschnellt. Auch andere Möglichkeiten für die Energiespeicherung werden weiterentwickelt, vor allem die Nutzung von Wasserstoff.

Beide Speichertechnologien werden von Unternehmen in der ganzen Welt bereits seit mehreren Jahrzehnten gefertigt. Urgesteine wie Ballard Power begannen bereits Mitte der 1980er Jahre Brennstoffzellenstapel zu fertigen. Anfang der 1990er Jahre gab es die erste kommerzielle Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien (Sony, Hi8-Videokamera).

Wie man erkennt, sind beide Technologien bereits relativ alt – dennoch hat sich zunächst nur die Lithium-Ionen-Batterie Technologie weiterentwickelt. Das liegt an der vergleichsweise leichten Handhabbarkeit solcher Batterien/Akkumulatoren, die zudem vergleichbar war mit den damals bekannten Nickel-Cadmium-Akkumulatoren. Brennstoffzellen dagegen waren groß, schwer und kompliziert. Auch die Versorgung mit dem „Brennstoff“, also mit Wasserstoff, gestaltete sich kompliziert. Dies war der Grund, warum es nie ernsthaft zu tragbaren Computern (Laptop) kam, die durch Brennstoffzellen betrieben wurden – obwohl es zahlreiche Versuche dazu gab. Vielmehr setzte sich auf breiter Front die Lithium-Ionen-Technik durch.

Rund 30 Jahre später werden diese beiden Technologien differenzierter betrachtet. Inzwischen ist klar, dass beide Technologien nebeneinander existieren können, jedoch nur in wenigen Bereichen miteinander austauschbar sind.

Ähnlichkeiten in der Herstellung

Dabei ist die Fertigung der zentralen Bauelemente gar nicht so verschieden: Bei der Lithium-Ionen-Technologie werden die Stromabnehmerfolien Kupfer und Aluminium mit einer dünnen Schicht aus Graphit bzw. einer Lithiumverbindung beschichtet. In Batterie-Fertigungen wird dazu eine streichfähige Paste auf die dünnen Metallfolien aufgebracht. Zwischen den einzelnen Folien sorgt ein Elektrolyt für die batterieinterne Ionenleitung und ein ionendurchlässiger Separator für die elektrische Trennung.

Bei PEM-Brennstoffzellen wird auf einer Seite der Wasserstoff zugeführt und auf der anderen Seite der für die chemische Reaktion notwendige Luftsauerstoff. Der dazwischenliegende Separator (hier „Membrane“ genannt, daher Proton Exchange Membrane, kurz PEM genannt) ist für die ladungstragenden Protonen (Äquivalent zu den Ionen bei der LION-Batterie) durchlässig. Die chemische Reaktion, bei der am Ende Wasser (H2O) entsteht, wird durch die unterschiedlichen Beschichtungen auf beiden Seiten der Membrane initiiert (Katalysatoren). Aus praktischen Gründen werden die Katalysatorbeschichtungen in vielen Fällen unabhängig von der Protonen-leitenden Membran auf Hilfsträgerfolien beschichtet.

In beiden Fällen, bei der Batterie wie bei der PEM-Brennstoffzelle (und der PEM-Elektrolyse) werden also dünne Schichten (wenige Mikrometer) aufgebracht. Dadurch ähneln sich die ersten Produktionsschritte auch noch sehr.

Doch danach trennen sich die Fertigungsverfahren signifikant. In stark vereinfachter Darstellung werden die beiden Batteriefolien zusammen mit dem Separator aufgewickelt, in ein äußeres Behältnis gebracht, mit einem flüssigen Elektrolyten gefüllt und verschlossen. Damit ist die Batterie prinzipiell fertig und einsatzbereit.

Bei der Brennstoffzelle dagegen bedarf es weiterer aufwändiger Maßnahmen. Zunächst werden zahlreiche der Einzelzellen zu einem Brennstoffzellen-Stapel (Stack) verbaut. Dazu kommen Aggregate wie der Luftbefeuchter (Humidifier), Pumpen, Sensoren und ein H2-Tank. Auch die weitere Peripherie ist erheblich umfangreicher: der Elektrolyseur zum Erzeugen des Wasserstoffs, die Aufreinigung zu hochreinem Wasserstoff, Transport und Lagerung sowie das Auslieferungssystem. Während bei einer Lithium-Ionen-Batterie „nur“ ein Stromanschluß und eine Ladevorrichtung benötigt wird, ist die Wasserstoff-Infrastruktur erheblich aufwändiger und damit teurer.

Zudem gibt es für Wasserstoff zahlreiche andere Anwendungen, in denen er als nachhaltiger Energieträger eingesetzt werden kann: Stahlverhüttung, Düngemittelherstellung und allgemein die chemische Industrie. Hier ist das Substitut Wasserstoff anstelle fossiler Brennstoffe erheblich besser eingesetzt wie im, immer wieder propagierten, Individualverkehr. Dennoch hat auch die Energieerzeugung mittels Brennstoffzellen-Technologie ihre Berechtigung.

Doch warum ist man bei der Batteriefertigung so viel weiter wie bei der ebenso alten Produktionstechnik von Brennstoffzellen?

Der maßgebliche Grund ist die wesentlich leichtere Einsetzbarkeit von LION-Batterien. Ihre Verwendung in tragbaren Geräten trieb die Weiterentwicklung voran. Immer größere Stückzahlen, die der Markt benötigte, erzeugten den notwendigen Druck (und die ökonomischen Voraussetzungen) zur Produktionsoptimierung. Dabei spielt der Skaleneffekt eine immense Rolle. Heutige Gigafactories produzieren unter optimierten Bedingungen und mit standardisierten Produkten riesige Mengen an Lithium-Ionen-Zellen. Erst diese Hochskalierung rechtfertigt auch die ebenfalls gigantischen Investitionskosten für eine solche Fabrik.

Weltweit arbeiten seit Jahrzehnten Firmen und wissenschaftliche Institute an der Verbesserung der Zellchemie. Ziel der kontinuierlich betriebenen Arbeit ist die Erhöhung der Speicherkapazität, eine verbesserte Schnelladefähigkeit und eine möglichst hohe Zyklenfestigkeit (Lebensdauer).

Wegen der geringen Kosten der fossilen Treibstoffe konnten sich lange Zeit keine alternativen Energiequellen und Energiespeicher etablieren. Im Prinzip waren alle anderen Möglichkeiten einfach teurer als das Verbrennen von Gas, Erdöl oder Kohle.

Erst der Druck durch die zunehmende, fossil verursachte Klimaerwärmung zwang zum Umdenken. Doch zu diesem Zeitpunkt war die Produktionstechnik für Batterien ein etabliertes und erprobtes Verfahren – wohingegen sich die „Wasserstoff-Technologie“ mit Elektrolyseur und Brennstoffzellenstack noch immer im Bereich der Manufaktur-Fertigung befand.

Die Brennstoffzellen-Fertigung kann sich zwar vor allem an der Stelle der untersten Ebene, der Zellfertigung, Produktionstechniken aus der Batteriefertigung entleihen, aber tatsächlich ist die Herstellung einer ganzen Wasserstoff-Wirtschaft von der Erzeugung des Wasserstoffs (hochreines Wasser) bis zur Energieerzeugung mittels Brennstoffzelle erheblich aufwändiger. Zahlreiche Fertigungsschritte harren noch immer der großtechnischen Umsetzung, was auch dazu führt, dass Brennstoffzellen und Elektrolyseure noch immer vergleichsweise teuer sind. Der Skaleneffekt, der LION-Batterien heute unvergleichlich günstig macht, ist erst an sehr wenigen Produktionsstandorten im Ansatz vorhanden.

Mit weiter fortschreitender Elektrifizierung der gesamten, bisher auf fossiler Energie beruhenden Prozesse, wird Wasserstoff einen Beitrag leisten. Doch noch immer hat die Batterietechnologie nicht die physikalisch-chemischen Grenzen ausgeschöpft. Weitere Steigerungen in der Leistungsdichte und leichter handhabbare Zellchemien sind zu erwarten und erlauben bereits jetzt den Aufbau von Megawatt-Speichern. Gerade die vergleichsweise günstige und sichere Lithium-Eisen-Phosphat (LiFeP) Technologie beeindruckt durch eine gute Speicherdichte und eine hohe Zyklenzahl, was für stationäre Anwendungen wichtig ist. Sie entzieht damit der Brennstoffzelle einen wichtigen Anwendungsbereich: Die dezentrale Energieversorgung und die Funktion als Backup-Energiequelle.

Auch im Bereich der Schwerlastanwendungen gewinnen die immer leistungsfähigeren Batterien Boden. Oder es werden gleich ganz andere Techniken eingesetzt wie z.B. die Methanol-Herstellung mittels regenerativer Energien für die Schifffahrt. Auch E-Fuels (SAF, Sustainable Aviation Fuels) für Flugzeuge sind eher der Ersatz für aus Erdöl hergestellte Treibstoffe als großvolumige Wasserstofftanks in Linienflugzeugen. Zudem liegt besonders beim Start der Energiebedarf im Megawattbereich, was entsprechend große Brennstoffzellen (oder Batterien) erfordern würde.

Fazit

Die sich noch in der Entwicklung befindliche Produktion von PEM-Elektrolyseuren und PEM-Brennstoffzellen kann stellenweise Fertigungstechniken der etablierten Batteriefertigung übernehmen. Doch noch sind viele Produktionsschritte nicht großtechnisch umgesetzt. Da der äußere Druck (Wirtschaftlichkeit) nicht vorhanden ist, wird die Weiterentwicklung der Brennstoffzellen-Technologie maßgeblich durch staatliche Förderprogramme vorangetrieben. Durch den fehlenden Druck vom Markt ist daher nach einer anfänglichen Euphorie die Realität zurückgekehrt: Der Weg bis zu einer profitablen Massenfertigung für eine funktionierende Wasserstoff-Wirtschaft ist ein noch langer. Währenddessen baut die Batterie-Technologie ihren Vorsprung weiter aus. So wird jede Technologie den Bereich besetzen, wo sie den größten jeweiligen Vorteil bietet.

© Gerald Friederici 12/24