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Jun 11, 2023

Warum Hersteller von Elektrofahrzeugbatterien so hungrig nach sauberer Energie sind

Auf der Suche nach dem richtigen Standort für seine Fabrik für Batteriematerialien schaute sich Eric Stopka 15 Bundesstaaten an. Die meisten Websites entsprachen nicht seinen wesentlichen Bedürfnissen. Einige dieser Anforderungen gelten für jeden Hersteller

Auf der Suche nach dem richtigen Standort für seine Fabrik für Batteriematerialien schaute sich Eric Stopka 15 Bundesstaaten an. Die meisten Websites entsprachen nicht seinen wesentlichen Bedürfnissen. Einige dieser Bedürfnisse sind bei jedem Hersteller üblich – gute Transportmöglichkeiten, verfügbare Arbeitskräfte –, die anderen waren jedoch im 21. Jahrhundert neu.

„Drei der fünf wichtigsten waren strombezogen“, sagte Stopka, der Präsident von Anovion Technologies.

Erstens benötigte die Anlage eine große Menge Strom. Zweitens musste dieser Saft schnell gesteigert werden. Und drittens musste sie in einer Entwicklung, die die Zukunft der amerikanischen Batterieindustrie vorhersagt, sauber sein.

„Ich möchte nicht der Typ oder das Unternehmen sein, das das Unternehmen, das Netto-Null anstrebt, in den Abgrund zieht“, sagte Stopka.

Die Suche von Anovion weist auf eine wenig bekannte Realität für die Lieferkette für neue Batterien für Elektrofahrzeuge hin. Wenn die Fabriken ans Netz gehen, werden sie einen unersättlichen Hunger nach Strom verspüren – und zwar nicht nach irgendeiner Art, sondern nach erneuerbarem und CO2-freiem Strom, den auch andere Industrien zu begehren beginnen.

Der Trend ist so neu, dass er noch nicht Eingang in offizielle oder akademische Prognosen zum Energieverbrauch gefunden hat. Es wirft die Frage auf, woher der Strom kommen soll, um eine neue Generation von Batteriefabriken für Elektrofahrzeuge zu unterstützen, und weist auf einen neuen industriellen Wettlauf um die Früchte von Wind-, Solar-, Atom- und Wasserkraftwerken hin.

Mitglieder der neuen Batterielieferkette gehen davon aus, dass sie von ihren nachgelagerten Kunden, insbesondere von Automobilherstellern, unter dem Druck stehen werden, ihre Produkte makelloser herzustellen als in der Vergangenheit.

Das liegt daran, dass sie in einer neuen Ära geboren werden. Während die Regierungen sich ernsthaft mit der Eindämmung des Klimawandels befassen, stehen die Emissionen aus der Produktion auf dem Prüfstand. Die europäischen Regulierungsbehörden haben gerade neue Regeln verabschiedet, um den Energie-Fußabdruck von Batteriematerialien bis zur Mine zu verfolgen. Die US-amerikanische Börsenaufsichtsbehörde (Securities and Exchange Commission) entwirft Anforderungen für öffentliche Unternehmen, ihre CO2-Emissionen zu melden. Und die Lieferkette von Elektrofahrzeugen steht aufgrund der übergroßen Rolle der Automobilindustrie in der Wirtschaft und der Bedeutung von Elektrofahrzeugen als Instrument zur Emissionsbekämpfung besonders im Rampenlicht.

Der Trend ist klar: Die Batterielieferkette muss mit sauberem Strom betrieben werden, auch wenn der eigentliche Bedarf dafür erst in der Zukunft liegt.

„In zehn Jahren, in 20 Jahren wollen wir in einer anderen Welt sein“, sagte Venkat Srinivasan, Chemieingenieur am Argonne National Laboratory und Direktor des Argonne Collaborative Centre for Energy Storage Science.

„Wir müssen uns also fragen: ‚Woher kommt die Energie zur Herstellung der Batterie?‘“, fuhr er fort. „Wenn wir alle auf eine saubere Energiezukunft zusteuern und Batterien der Dreh- und Angelpunkt sind, der alle dorthin bringt, müssen wir sicherstellen, dass dieser Dreh- und Angelpunkt saubere Energie nutzt.“

Führungskräfte von Batterielieferkettenunternehmen, die im ganzen Land Fabriken bauen, sagten in Interviews, dass die Sauberkeit der Elektrizität oberste Priorität habe. Insgesamt geht Stopka davon aus, dass diese neue Lieferkette für Batterien und Fahrzeuge „jegliches Wachstum, das wir in den letzten 150 Jahren in den USA erlebt haben, übertreffen wird“.

Tatsächlich beginnt die Suche nach kohlenstofffreiem Strom wie eine unsichtbare Hand zu wirken, die steuert, wo Fabriken gebaut werden – zusammen mit jahrzehntelangen Arbeitsplätzen und Wirtschaftswachstum – und wo nicht.

Und die Unternehmen wollen weit mehr Strom, als sie finden können.

„Obwohl in den USA reichlich und preiswertes Land für die industrielle Entwicklung zur Verfügung steht, sind Standorte, die wirklich schaufelbereit für Projekte mit großem Strombedarf sind, überraschend knapp“, sagte ein Konsortium der Batterieindustrie namens Li-Bridge in einem Bericht Anfang des Jahres. Viele, so fügte sie hinzu, „brauchen Standorte, die Zugang zu großen Mengen sauberer, zuverlässiger Energie haben.“

Der Vorstoß kommt zu einer Zeit, in der es schwierig ist, saubere Energie von ihrer Quelle in neue Nachfragezentren zu verlagern. Große Wind- und Solarenergieprojekte werden durch mangelnde Übertragung und verstopfte Netzverbindungswarteschlangen behindert.

Klar ist, dass die Batterieherstellung ein Energiefresser ist. Zwar gibt es nur begrenzte Statistiken zum Stromverbrauch der Branche insgesamt, doch vorläufige Studien deuten darauf hin, dass sie mit anderen großen industriellen und kommerziellen Stromverbrauchern wie Chemiefabriken oder Rechenzentren konkurrieren könnte.

Laut Schätzungen einer Studie des Argonne National Laboratory erfordert die Herstellung einer Kilowattstunde Batterie – der Grundeinheit, die die Reichweite eines Fahrzeugs bestimmt – einen Energieaufwand von 47 kWh.

Vor sieben Jahren besuchten Argonne-Forscher Batteriefabriken in China und untersuchten deren Energienutzung. Diese Anlagen nutzten hauptsächlich Erdgas, weshalb die Ergebnisse der Studie nur teilweise für die heutigen amerikanischen Batteriefabriken relevant sind, die größtenteils oder vollständig mit Strom betrieben werden wollen.

Überlegen Sie, was passiert, wenn die Ergebnisse der Studie auf die Batterie im charakteristischen Elektro-Lkw von Ford Motor Co., dem F-150 Lightning, angewendet werden, der in seinem größten Format über eine Batterie mit 131 kWh verfügt. Nach Schätzungen von Argonne würde die Synthese einer solchen Batterie mehr als 6 Megawatt Energie verbrauchen. Wenn alles mit Strom versorgt würde, würde das ausreichen, um ein durchschnittliches amerikanisches Haus mehr als sieben Monate lang mit Strom zu versorgen.

„Es erfordert etwas Saft“, sagte Celina Mikolajczak, eine Produktionsveteranin und Chief Battery Technology Officer bei Lyten, einem kalifornischen Hersteller von Lithium-Schwefel-Batterien.

Der Prozess, den Anovion zur Herstellung seines Produkts verwendet, ist ein Einblick in den Energiebedarf der Batterieindustrie.

Das Angebot von Anovion ist synthetischer Graphit. Graphit ist einer der voluminösesten Bestandteile einer Lithium-Ionen-Batterie. Das Unternehmen erhielt im vergangenen Herbst einen Zuschuss in Höhe von 117 Millionen US-Dollar vom Energieministerium mit Mitteln aus dem parteiübergreifenden Infrastrukturgesetz 2021. Die Graphitproduktion wird überwiegend von China kontrolliert, und die Ausweitung der Graphitproduktion auf das eigene Land könnte die Befürchtungen zerstreuen, dass die Graphitproduktion in einer Zeit der Spannungen zwischen den USA und China verschwinden könnte.

Die Technik von Anovion beginnt mit einem Erdölabfallmaterial namens Nadelkoks. Es sind „die letzten 15 Prozent des Fasses“, wie Stopka es ausdrückt.

Die Masse wird in Tiegel oder dicke, ein bis zwei Meter lange Kanister aus Metall und Keramik gegossen. Dann greift sie ein riesiger elektrischer Strom an und erhitzt das Erdöl auf mehr als 5.400 Grad Fahrenheit, die Hälfte der Temperatur der Sonnenoberfläche. Diese Röstung dauert fast einen Monat.

Wenn sich die Tiegel klirrend öffnen, bleibt synthetischer Graphit zurück, eine graue Substanz mit der Konsistenz von Backpulver, die bereit ist, in die Batterie eines Elektrofahrzeugs integriert zu werden.

Anovion ist ein extremes Beispiel dafür, was die Batterieherstellung zu einem solchen Energiefresser macht: die Temperatur.

Hinter Produkten wie dem von Anovion beginnt eigentlich der traditionelle Batterieherstellungsprozess. Pulver werden gemischt und mit Flüssigkeit versetzt, wodurch sie in einen halbflüssigen Zustand übergehen, der als Aufschlämmung bezeichnet wird. Diese Aufschlämmung wird dann auf Metallbleche geklebt.

Ein kleiner Teil des Energieverbrauchs bei der Batterieherstellung entfällt auf die Maschinen, die dieses Material mischen, rollen und glätten.

Ihr Stromverbrauch ist jedoch nichts im Vergleich zu anderen wichtigen Maschinen: Öfen und Klimaanlagen.

Öfen sind unerlässlich, um die Aufschlämmung in einen Feststoff umzuwandeln, der den Strapazen eines jahrelangen Betriebs in einem Elektroauto standhält. Die Hitze entfernt das Wasser und die Chemikalien aus der Gülle. Laut einer Studie des Worcester Polytechnic Institute und A123 Systems LLC aus dem Jahr 2021 stammen fast 47 Prozent der für die Herstellung einer Batteriezelle benötigten Energie aus dieser Trocknung oder Rückgewinnung des Lösungsmittels, „aufgrund der Langzeiterhitzung und Abgaskühlung“. .

Auch dann ist die Trocknung noch nicht abgeschlossen.

Einige Batteriematerialien, insbesondere Nickel, werden „durch Feuchtigkeitseinwirkung irreversibel verändert“, sagte Mikolajczak. Das bedeutet, dass für einige anspruchsvollere Materialien die gesamte Batteriemontagehalle hinter Plastikplanen in einem riesigen trockenen Raum untergebracht werden muss, in dem Klimaanlagen ständig arbeiten, um der Luft Feuchtigkeit zu entziehen und die Luftfeuchtigkeit niedrig zu halten.

Die Studie des Worcester Polytechnic ergab, dass weitere 29 Prozent des Energieverbrauchs der Batterieherstellung auf diese Klimaanlagen zurückzuführen sind. Insgesamt entfallen mehr als drei Viertel des Energieverbrauchs einer Batterie auf die Temperaturregelung.

Diese Heizung verursacht enorme Energiekosten und trägt wesentlich zu den Endkosten der Batterie bei.

„Temperatur ist Geld“, sagte Srinivasan, der Forscher bei Argonne.

Der Energiebedarf ist der Grund, warum Autohersteller nach einem wenig beachteten heiligen Gral suchen, der sogenannten „Trockenzellen“-Technologie. Wie der Name schon sagt, geht es darum, die Batterieelektrode ohne Verwendung einer Aufschlämmung herzustellen, was den Energieverbrauch bei der Batterieherstellung fast halbieren könnte.

Tesla Inc. betrachtet Trockenzellen als Schlüssel zur Aufrechterhaltung seiner Dominanz bei Elektrofahrzeugen. Die Technologie war ein wichtiges Ziel, als Tesla 2019 ein Unternehmen namens Maxwell Technologies übernahm. Ein Jahr später nannte das Unternehmen die Trockenzellentechnologie als eine der Schlüsselinnovationen für seine neue 4680-Batteriezelle, die den Energieverbrauch und den Platzbedarf reduzieren soll Batteriezellen zu verzehnfachen.

„Trockenelektroden sind ein Schlüsselelement (eines von vielen) im Puzzle zur Senkung der Kosten von Lithiumbatterien.“ Musk hat im Jahr 2021 getwittert – obwohl es nicht einfach ist. „Es war ein *immenser* Aufwand an Technik erforderlich, um Maxwells Proof-of-Concept in eine qualitativ hochwertige Massenproduktion zu überführen, und wir sind immer noch nicht ganz fertig“, fuhr Musk fort.

Tesla antwortete nicht auf eine Anfrage zu seinen aktuellen Plänen zum Einsatz von Trockenzellen.

Tesla ist nicht allein: Letzten Monat gab die Volkswagen AG bekannt, dass sie sich auf den Ausbau einer Trockenzellentechnologie vorbereitet, die nach Angaben des Unternehmens Hunderte Millionen Euro pro Jahr einsparen könnte.

In den Vereinigten Staaten müssen Batteriehersteller nicht auf erneuerbare Energien oder kohlenstofffreien Strom zurückgreifen. Warum verspüren sie also eine solche Dringlichkeit, diesen Strom zu bekommen, ohne der Atmosphäre Treibhausgase zuzuführen?

Eine Antwort sei, so die Batteriehersteller, dass sie die gleiche Ethik verfolgen wie Hersteller von Elektrofahrzeugen wie Tesla, deren Ziel es sei, Endrohre überflüssig zu machen. Aber wenn man in einer Zeit, in der Regierungen bestrebt sind, die Treibhausgasemissionen zu senken, eine neue Industrie hochfährt, ist das auch ein gutes Geschäft.

„Im Laufe der Zeit wird es Grenzen für den CO2-Fußabdruck pro produzierter Kilowattstunde einer Batterie geben“, sagte Gene Berdichevsky, Mitbegründer und CEO von Sila Nanotechnologies, das im US-Bundesstaat Washington eine Fabrik für Batteriematerialien baut.

„Wenn Sie ein Automobilhersteller sind und unter einer bestimmten Obergrenze bleiben müssen, und wenn Sie über dieser Grenze liegen, sind Sie bereit, mehr für ein Produkt zu zahlen, mit dem Sie unter dieser Grenze bleiben“, sagte er.

Sila ist davon überzeugt, denn einer seiner Hauptinvestoren und Kunden ist der deutsche Automobilhersteller Mercedes-Benz AG. Kürzlich in der Europäischen Union verabschiedete Vorschriften verpflichten sich, den CO2-Fußabdruck der in Europas Elektrofahrzeugen verwendeten Batterien genau zu verfolgen.

Um sein Produkt, ein Anodenpulver auf Siliziumbasis, herzustellen, kocht Sila „im Wesentlichen unsere Materialien“ in Elektroöfen, sagte Berdichevsky. Im Vorgriff darauf, wie die Vorschriften auf einem anderen Kontinent diesen Stromverbrauch beeinflussen würden, baute Sila seine Fabrik auf einem Stromnetz im Osten Washingtons, das über reichlich Wasserkraft verfügt und einen geringen CO2-Fußabdruck hat.

Diese Denkweise sei in der jungen Batterieindustrie allgegenwärtig, sagte Mikolajczak, der Batterieexperte bei Lyten, denn „Energie“ und „Kohlenstoff“ seien Synonyme, wenn man über eine Welt ohne Kohlenstoff nachdenke.

„Jede Führungskraft schaut sich den CO2-Fußabdruck ihrer Fabrik an“, sagte sie. „Sie gehen davon aus, dass Ihre Fabrik 30 Jahre lang läuft, und Sie müssen sie 30 Jahre lang mit Energie versorgen. Andernfalls sind Sie nicht kosteneffektiv und verlieren Geld.“

Diese doppelten Energieanforderungen – voluminös und sauber – bestimmen die Gespräche von Batterie-Startups mit Stromversorgern und beeinflussen manchmal sogar den Bau einer Fabrik.

Aqua Metals Inc. ist ein Batterierecycler, dessen große Idee darin besteht, hochreine, kritische Mineralien aus Altbatterien zurückzugewinnen. Alte Batterien werden in eine sogenannte schwarze Masse zerkleinert, die „wie schwarzer Sand aussieht“, sagte Steve Cotton, der Präsident des Unternehmens. Die Masse wird in eine proprietäre Flüssigkeit getaucht und mit elektrischem Strom versorgt, bis sich die gewünschten Metalle auf einem Metallblech ablagern. Dieser Vorgang wird als Galvanisieren bezeichnet.

In seiner Pilotanlage in Reno, Nevada, will Aqua Metals jährlich 3.000 Tonnen schwarze Masse einweichen und kritische Mineralien im Wert von 60 Millionen US-Dollar produzieren, darunter Kobalt, Mangandioxid, Lithiumhydroxid, Nickel und Kupfer.

Es überrascht nicht, dass beim Galvanisieren viel Strom verbraucht wird. Cotton sagte „zig Megawatt“, was der Anlage einen Energie-Fußabdruck verleiht, der dem eines Rechenzentrums ähnelt, einer der stromintensivsten Arten von Unternehmen überhaupt.

Der Strom wird von NV Energy geliefert, dem größten Energieversorger des Staates, der dem Unternehmen versprochen hat, 40 Prozent Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu beziehen. Die restlichen 60 Prozent, sagte Cotton, sollen aus Zertifikaten für erneuerbare Energien stammen – eine Art Gutschein für saubere Energie, die anderswo erzeugt wird und oft als unausgegorene Lösung kritisiert wird.

„Heute ist das cool, aber am Ende des Jahrzehnts wird man nicht sagen können, dass man Netto-Null erreicht, wenn man nicht sagen kann, dass jedes Elektron aus einer sauberen Quelle stammt“, sagte Cotton. „Deshalb wird unsere Anlage über massive Solarenergie verfügen“ – wahrscheinlich etwa ein Megawatt, verteilt auf Dächer und Parküberdachungen auf einem 5 Hektar großen Campus, sagte er.

Der Faktor Strom – sowohl die Bereitstellung als auch die Speicherung – spielte auch eine Rolle bei der Standortwahl von Amprius Technologies Inc., einem kalifornischen Batteriezellenhersteller. Im März kündigte das Unternehmen die Errichtung einer neuen, 1,3 Millionen Quadratmeter großen Fabrik außerhalb von Denver an, die sich in einem riesigen Gebäude befindet, das früher als Auslieferungslager der Costco Wholesale Corp. diente.

Die niedrige Luftfeuchtigkeit in Denver werde die Energiekosten senken, sagte Kang Sun, CEO von Amprius. „Mit den 300 Tagen Sonnenlicht, die sie haben“, fügte er hinzu, „können wir Sonnenenergie und Windenergie nutzen.“

Für Anovion bedeutete die Suche nach dem richtigen Standort für eine Fabrik zunächst die Ablehnung eines Standorts, dessen Netz nicht sauber genug war, weil er größtenteils mit fossilen Brennstoffen befeuert wurde.

„Selbst der 10-Jahres-Plan lag nicht in einem Bereich, mit dem wir zufrieden waren“, sagte Stopka. Im Mai ließ sich das Unternehmen in Bainbridge nieder, einer Stadt mit weniger als 15.000 Einwohnern im Südwesten von Georgia.

Die Seite hatte Eigenschaften, die Anovion ansprachen. Die Fabrik kann eine Weiche auf der örtlichen Bahnlinie bauen und per Lastkahn auf dem nahegelegenen Flint River fahren. Um die 400 Mitarbeiter zu bekommen, ist man in Gesprächen mit der örtlichen Fachhochschule.

Stopka sagte, ein großer Anziehungspunkt sei, dass ein großer Energieversorger, Georgia Power, versprochen habe, im Laufe der Zeit mehr CO2-freie Energie zu liefern. Der Staat verfügt über zwei große Kernkraftwerke, und in einem im vergangenen Jahr von den Aufsichtsbehörden genehmigten Plan verpflichtete sich Georgia Power, bis 2025 2.300 MW erneuerbare Energien hinzuzufügen.

Anovion ist eines von Dutzenden Unternehmen mit Bezug zu Elektrofahrzeugen, die in den Südosten der USA strömen, wo sie von örtlichen Beamten aggressiv umworben werden und wo eine kulturelle Abneigung gegen Gewerkschaften die Beschäftigungskosten senken kann.

„Die Leute halten diesen Teil des Landes nicht für eine saubere Energiequelle“, sagte Stopka. „Wir waren angenehm überrascht.“

Wie andere Batterieunternehmen hat auch Anovion es eilig.

Das Unternehmen will nicht sagen, wie viel Energie es benötigt, aber Stopka sagte, dass der Standort ein neues Umspannwerk und Transformatoren benötige. Sobald diese gebaut sind, wird der Prozess der Umwandlung von Erdölabfällen in Batteriematerialien für Elektrofahrzeuge in großem Maßstab beginnen. Standorte, die in der ersten Runde verloren haben, könnten erneut besucht werden, da Anovion plant, eine zweite große Fabrik und dann eine dritte zu bauen.

„Versorgungsunternehmen, die bereit waren, schnell zu starten und weiterzumachen, erzielten bei uns eine höhere Punktzahl“, sagte er. „Wenn Sie den Grundstein legen, beginnt die Uhr zu ticken.“