Battery-News.de – Nachgefragt bei Katharina Gerber, Ph.D.: „Eins gilt dabei für alle Energiespeicher: der Preis muss weiter nach unten gehen“

Autor: Benedikt Hürter

Veröffentlicht am: 25.05.2020

Nachhaltige Produktion von Lithium-Ionen-Batterien erfordert durchdachte Prozesse beginnend mit der Lithium-Gewinnung – wir sprachen mit Katharina Gerber von der Kalifornischen Energiekommission und Mitglied des Verwaltungsrates von Vulcan-Energy-Ressources über die CO2-neutrale Lithiumgewinnung und die Unterschiede zwischen Europa und den USA.

Katharina Gerber hat zwischen 2003-2009 an der Rhenischen Friedrich-Wilhelms Universität Bonn studiert und anschließend in 2009-2013 im Arbeitskreis von Prof. Dr. Glaum promoviert. Nach Abschluss ihres Dissertationsvorhabens zu Synthese und Charakterisierung von Lithium-Übergangsmetall-Phosphaten Katharina hat als Postdoktorandin an der University of California Davis geforscht. Zur Zeit leitet Katharina zahlreiche Projekte im Bereich erneubarer Energie bei der Kalifornischen Energiekommission in US. Zusätzlich ist Katharina Mitglied des Board of Directors von Vulcan Energy Ressources – einem Unternehmen mit Sitz in Karlsruhe, welches ambitionierte Ziele zu Entwicklung des weltweit ersten CO2-neutralen Lithium Extraktion Prozesses in Deutschland verfolgt.

Benedikt Hürter: Sehr geehrte Frau Gerber, Sie haben sich umfassend dem Thema Lithium-Ionen-Batterie u.a. im Rahmen Ihrer Dissertation gewidmet. Wodurch kam die Faszination ursprünglich zustande? Was ist der Fokus Ihrer heutigen Tätigkeit? ​

Katharina Gerber: Ich fand Naturwissenschaften schon immer faszinierend, vor allem die anorganische Chemie. Sie ist wie ein Baukasten, aus dem man Materialien mit ganz spezifischen Eigenschaften erschafft, je nachdem wie die einzelnen Bausteine aufgereiht sind. Die Lithium-Ionen-Batterie-Forschung bietet neben neuen Erkenntnissen zur Synthese und strukturellen sowie physikalischen Eigenschaften von neuen Verbindungen zusätzlich auch eine anwendungsrelevante Technologie, die den Übergang zu einer sauberen und umweltfreundlichen Zukunft ermöglicht. Da sind wir dann schon schnell bei dem Thema Energiewende und Klimalösungen. Das ist gerade das, womit ich mich derzeit beruflich bei der Kalifornischen Energie Kommission (California Energy Commission) beschäftige. Kalifornien nimmt eine besondere Stellung gegenüber dem Klimawandel und der Rolle von Erneuerbaren Energien ein und hat sehr ambitionierte politische Ziele und Gesetze wie zum Beispiel das Erreichen von 100% CO2 Neutralität bis zum Jahr 2045 oder das Elektrifizieren von Verkehrsmitteln.

Benedikt Hürter: Welche Entwicklungen faszinieren Sie momentan ganz besonders? Sehen Sie Themen wie z.B. die allgemeine Digitalisierung, die die Batterietechnologie zukünftig besonders prägen wird?

​Katharina Gerber: Wir leben in einem faszinierenden Zeitalter, das zum einen von vielen Herausforderungen und zum anderen von vielen großartigen Ideen und Möglichkeiten geprägt ist. Eine der wichtigsten Aufgaben, die so schnell wie möglich erfüllt sein soll, ist das Ersetzen von fossilen Energieträgern durch nachhaltige Energiequellen. Im Bereich der Sonnenenergie sehe ich die neue Generation von photovoltaischen Zellen als die trendigste und vielversprechendste Technologie. Dazu zählen die dünnschichtigen, durchsichtigen, biegsamen organischen und anorganischen (Perowskit-) Module, welche entweder als Fenster oder als Bauteile verwendet werden können. Im Bereich der Windenergie wird vor allem das 3D-Drucken viel stärker eingesetzt und Offshorewindparks werden viel weiter verbreitet sein. Wegen der periodischen Natur von Sonne und Wind, werden in der Zukunft die Energiespeicher umso wichtiger. Lithium-Ionen-Batterien werden weiter und entsprechend ihrer Anwendung entwickelt, sei es durch das Optimieren der Speicherkapazität oder die Verbesserung von Sicherheitsmerkmalen. Eins gilt dabei für alle Energiespeicher: der Preis muss weiter nach unten gehen: weniger als $100 per kWh für die Anwendungen in Elektromobilen und weniger als $70 per kWh für Hausspeichersysteme. Erreicht wird dieses durch Fortschritte in der Materialwissenschaft und durch das Optimieren von Lieferketten.

Benedikt Hürter: Die Verbesserung des grünen Fußabdrucks von Batteriezellen wird stets heiß diskutiert. Welcher Bereich der Wertschöpfungskette stellt in Ihren Augen den größten Hebel für eine Optimierung dar?

Katharina Gerber: Das ist richtig. Die Diskussionen drehen sich im Moment um die Umweltverträglichkeit und um soziale Auswirkungen der Batterie-Wertschöpfungskette. In meinen Augen bedarf die Rohstoffförderung als auch die Weiterverwendung/Rückgewinnung von Rohstoffen am meisten Aufmerksamkeit. Das ganze Konzept der Lithium-Ionen-Batterie funktioniert nur mit einer Handvoll von chemischen Elementen, die größtenteils mit Einsatz von fossilen Brennstoffen gewonnen und buchstäblich einmal um die Welt transportiert werden. Ein unabhängiges Forschungsprojekt zu dem Thema hat vor kurzem berechnet, dass das Extrahieren von einer Tonne Lithiumhydroxid aus Spodumen, einem lithium-reichen Gestein inklusive seines Transportes zu Raffinerie in Asien und von dort zur Batteriefabrik für den Ausstoß von 15 Tonnen von CO2 je Tonne Lithiumhydroxid (LiOH*H₂O) verantwortlich ist (https://static1.squarespace.com/static/5c9aa323c46f6d499a2ac1c5/t/5e1cf0d3a12a6a33c900c8ea/1578954965079/The+CO2+Impact+of+the+2020s+Battery+Quality+Lithium+Hydroxide+Supply+Chain.pdf). Ohne innovative Änderung der Gewinnungsprozesse von Batterierohstoffen, könnte das Umsteigen von Verbrennern auf Elektromobile (300 Millionen Elektromobile für Europa) nach meiner Berechnung, bei den Elektromobilen mit etwa 230 Megatonnen CO2 Emissionen zum Klimawandel beitragen. Zum Vergleich, so viel CO2 stößt Irland in einem ganzen Jahr aus! Sehr lange Lieferketten bei der Batterieherstellung sind zusätzlich noch sehr ineffizient und führen zu unüberschaubaren Lieferungszeiten und Preisen. Insbesondere in den heutigen turbulenten Zeiten stellen die Konsequenzen der COVID-19 Pandemie ein großes Problem für die gesamte Batterieindustrie dar und verlangsamen das Abschalten von CO2-ausstoßenden Technologien. Die Verbesserung des grünen Fußabdrucks der Batterien sollte am Anfang der Batterieherstellungskette stehen (Rohstoffgewinnung), dann durch die gesamte Wertschöpfungskette weiter optimieret werden (Elektroden- und Batterieherstellung) und schließlich beim Wiederverwerten und Recycling enden.

Benedikt Hürter: Sie sind Mitglied des Boards von Vulcan Energy Zero Carbon Lithium ™. Was ist hier der Ansatz und welches Ziel wird verfolgt?

Katharina Gerber: Ich bin auf Vulcan Energy Ressources zum ersten Mal im September 2019 aufmerksam geworden. Es war genau die Zeit, als ich mich in Kalifornien einer ähnlichen Initiative widmete: California Lithium Valley. Im Rahmen dieser Initiative unterstützt die kalifornische Regierung den Bau von Geothermiekraftwerken und die Entwicklung von Verfahren zur Lithiumgewinnung aus Thermalwasser. Neben der dadurch geförderten technischen Innovation, öffnet dieses Verfahren der direkten Lithiumextraktion (Direct Lithium Extraction, DLE) einen Weg zur umweltfreundlichen Gewinnung eines wichtigen Rohstoffs der Lithium-Ionen-Batterie. Der CO2-Fußabdruck dieses Prozesses liegt bei null! Ich beziehe mich dabei auf die Forschungsdaten aus dem obengenannten Projekt. Meine Rolle bei Vulcan ist das Team mit meiner Erfahrung zu unterstützen und dabei den Weg zur Technologie-Reife und zum Market zu beschleunigen. Vulcans Zero Carbon Lithium™ Projekt, das sich räumlich im Zentrum der schnell wachsenden Batterieherstellungsindustrie befindet, bietet Europa eine einzigartige Möglichkeit nicht nur den CO2-Fußabdruck der Lithium-Ionen-Batterie zu reduzieren, sondern auch die Batterie-Wertschöpfungskette kürzer und vor allem zuverlässiger zu gestalten.

Benedikt Hürter: Tesla präsentiert seine Innovationen im Bereich der Batterietechnologie stets sehr medienwirksam. Wie aktiv ist die Batterieszene in den USA abseits davon?

Katharina Gerber: Elon Musk liebt die Presse, aber Tesla ist nicht das einzige Unternehmen, das sich mit Batterieforschung beschäftigt. Sila Nano Technologies entwickelt ein Anodenmaterial mit hohem Siliziumanteil, was die Speicherkapazität der Batterie erhöhen soll. Der deutsche Autohersteller Daimler beteiligt sich mit $170 Millionen an der Sila Nano. QuantumScape ist ein anderes Kalifornisches Unternehmen, das vor allem die nächste Generation von Feststoff-Lithium-Batterien entwickelt. Auch hier wird die Technologieentwicklung von einem Deutschen Unternehmen, Volkswagen mit $100 Millionen unterstützt. Es gibt auch kleinere Startups, wie Sepion Technologies, die gerade am Anfang viel Unterstützung von Regierung erhalten (Forschungsprogramme des Department of Energy oder der California Energy Commission).

Benedikt Hürter: Wie schätzen Sie die Aktivitäten in den USA im Vergleich zu denen in Europa, insbesondere Deutschland ein?

Katharina Gerber: Ich finde, dass die Europäische Union in den letzten 2-3 Jahren der Batterieindustrie durch Investitionen, politische Regelungen und Umweltprogramme sehr geholfen hat. Es war sehr wichtig, dass die Europäische Kommission eine ganz klare Stellung bezogen und den OEMs und Batterieherstellern die Zuversicht gegeben hat für ihre Produkte einen Markt zu finden. Das war zu den Zeiten als ich im Rahmen meiner Dissertation im Forschungsprojekt Lithium Ionen Batterie forschte noch ganz anders (https://www.fona.de/de/massnahmen/foerdermassnahmen/archiv/innovationsallianz-lithium-ionen-batterie-lib-2015.php). Viele damals entwickelte Technologien haben keinen Anschluss an den Markt gefunden. Es ist in den USA und in anderen Teilen der Welt nicht anders – wenn Unternehmen keine Unterstützung durch einen regulatorischen Rahmen finden, werden nicht alle innovativen Ideen verfolgt, die mit finanziellen Risken verbunden sind. Manchmal wird diese Übergangsphase „vom Labor – zum Markt“ als „Tal des Todes“ bezeichnet. Und gerade hier können Regierungen mittels Forschungsprogrammen, Vorgaben gesetzlicher Ziele usw. sehr viel tun. In Kalifornien wurde Tesla von Anfang an von der Staatsregierung unterstützt: per Gesetz sollen in Kalifornien im Jahr 2030 mindestens 5 Millionen E-mobile  auf den Straßen unterwegs sein.

Benedikt Hürter: Was möchten Sie unseren Lesern noch als Denkanstoß mitgeben?

Katharina Gerber: Einige meiner Freunde aus USA arbeiten in Investmentsektor. Wenn wir uns über Technologietrends unterhalten, stimmen wir überein, dass die größten Herausforderungen auch die größten Geschäftsmöglichkeiten schaffen: Der Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen unseres Zeitalters. Forschung und Innovation können diese nicht nur überwinden helfen, sondern auch die Welt grundlegend verändern und ein neues harmonisches Gleichgewicht zwischen Menschen und Natur schaffen.

Benedikt Hürter: Frau Gerber, herzlichen Dank für das Interview.