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Möchten Sie die Energie revolutionieren? Verbessere den Akku

Batterien sind überall. Sie sind in unseren Handys, unseren Flugzeugen, unseren benzinbetriebenen Autos, sogar - im Fall von Menschen mit Herzschrittmachern oder anderen implantierten medizinischen Geräten - in unseren Körpern.

Die Batterien, die in Zukunft wirklich von Bedeutung sein werden, helfen Ihnen jedoch nicht, 12 Stunden lang Angry Birds auf Ihrem Telefon zu spielen, oder starten Sie Ihr Fahrzeug an einem kalten Wintermorgen. Die Batterien mit dem Potenzial, die Energieaussichten der Welt zu verändern, werden Elektrofahrzeuge antreiben und Speicher für das Stromnetz bereitstellen.

„Wenn Sie einen Zauberstab bewegen und die Energieprobleme der Welt lösen könnten, müssten Sie nur eines ändern: Batterien“, sagt Ralph Eads, stellvertretender Vorsitzender der Investmentbank Jeffries LLC, die in neue Energietechnologien investiert.

Das Problem mit der Energie ist nicht, dass wir nicht genug davon haben; Neue Technologien wie horizontales Bohren und Hydraulic Fracturing oder „Fracking“ haben vor kurzem Mengen fossiler Brennstoffe freigesetzt, die noch vor einem Jahrzehnt unvorstellbar waren. Das Problem ist, dass unser Vertrauen in diese fossilen Brennstoffe für den Großteil unserer Energie äußerst ungesund ist, jährlich Millionen vorzeitiger Todesfälle verursacht und das Klima auf drastische und unvorhersehbare Weise verändert.

Aber fossile Brennstoffe sind keine beliebte Energiequelle, nur weil sie so reichlich vorhanden sind. Sie sind beliebt, weil sie auf kleinem Raum viel Energie speichern können. Batterien speichern auch Energie, aber im Pfund-für-Pfund-Vergleich können sie einfach nicht mithalten. Der einfachste Ort, um diesen Unterschied zu demonstrieren, ist ein Auto:

Der Akku im Hybrid-Toyota Prius hat rund 225 Wattstunden Energie pro Pfund. Das ist die Energiedichte der Autobatterie - die Menge an Energie, die pro Volumen- oder Gewichtseinheit gespeichert werden kann. Das Benzin in diesem Prius enthält 6.000 Wattstunden pro Pfund. Der Unterschied in der Energiedichte zwischen flüssigen Erdölbrennstoffen und selbst den modernsten Batterien führt zu einem Szenario, in dem ein 7.200 Pfund schwerer Chevrolet Suburban mit einem Benzintank und einem vollelektrischen Nissan Leaf, der weniger als halb so schwer ist, 650 Meilen weit fahren kann hat eine Reichweite von nur etwa 100 Meilen.

Und obwohl rund 80 Prozent der Autofahrten der Amerikaner weniger als 60 Kilometer zurücklegen, haben Verbraucherforschungen ergeben, dass die Fahrer unter „Reichweitenangst“ leiden. Sie wollen Autos, die in der Lage sind, lange Straßenfahrten zu unternehmen sowie zur Arbeit und zur Arbeit zu pendeln Besorgungen in der Stadt.

Die Energiedichte ist seit 100 Jahren das A und O von Batterien. Immer wenn eine neue Technologie oder ein neues Design auf den Markt kommt, die bzw. das die Energiedichte erhöht, leidet ein weiterer entscheidender Aspekt der Leistung der Batterie - beispielsweise die Stabilität bei hohen Temperaturen oder die Häufigkeit, mit der sie entladen und wieder aufgeladen werden kann. Und wenn einer dieser Aspekte verbessert wird, leidet die Energiedichte.

Die Lithium-Eisenphosphat-Technologie ist ein gutes Beispiel. Diese Batterien des chinesischen Herstellers BYD sind in Südchina sowohl in Elektro- als auch in Hybridfahrzeugen weit verbreitet. Sie laden sich schneller auf als die Lithium-Ionen-Batterien, die in anderen Elektrofahrzeugen wie dem Leaf üblich sind, sind aber weniger energiedicht.

Ein weiterer wichtiger Aspekt beim Batteriedesign ist die Häufigkeit, mit der Batterien geladen und entladen werden können, ohne dass die Fähigkeit verloren geht, Energie zu speichern. Nickel-Metallhydrid- oder NiMH-Batterien, die seit mehr als einem Jahrzehnt das Arbeitspferd für Hybridfahrzeuge wie den Prius und den Ford Escape Hybrid sind, schneiden in dieser Kategorie gut ab. Ted J. Miller, der für die Ford Motor Company an fortschrittlicher Batterietechnologie arbeitet, sagte, Ford habe die Batterien aus Escape-Hybriden gezogen, die in San Francisco für einen Taxidienst von 260.000 Meilen eingesetzt wurden, und festgestellt, dass sie immer noch 85 Prozent ihrer ursprünglichen Leistungsfähigkeit besitzen . Diese Haltbarkeit ist von Vorteil, aber für reine Elektrofahrzeuge sind NiMH-Batterien bei der gleichen Menge an Energie, die von einer Lithium-Ionen-Batterie gespeichert wird, viel schwerer. Das zusätzliche Gewicht verringert die Reichweite des Fahrzeugs. NiMH-Akkus sind auch giftig - Sie müssen also recycelt werden, ohne sie in den Mülleimer zu werfen, wenn der Saft ausgeht. Und weil Nickel in Zukunft möglicherweise seltener ist als Lithium, könnten diese Batterien teurer werden.

Lithium-Ionen-Polymer-Akkus haben eine etwas höhere Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus - ein Prototyp eines Audi-Fahrzeugs legte mit einer einzigen Ladung 372 Meilen zurück -, können jedoch nicht so oft aufgeladen und entladen werden, sodass sie eine geringere Lebensdauer haben.

Es sei daran erinnert, dass Batterien, die für den Antrieb von Kraftfahrzeugen entwickelt wurden, trotz dieser Einschränkungen in relativ kurzer Zeit einen langen Weg zurückgelegt haben - noch vor 40 Jahren war eine Batterie mit weniger als der Hälfte der Energiedichte der heutigen Hybrid- und Elektrofahrzeuge wird als exotischer Traum angesehen - und sie werden sich sicherlich weiter verbessern. "Wir sehen einen klaren Weg zur Verdoppelung der Batteriekapazität", sagt Fords Miller. "Das ändert nichts an der Technologie, verbessert aber den Prozess, sodass wir hochwertige Autobatterien mit dem gleichen Energiegehalt haben, den wir heute auf tragbaren Geräten finden."

Eine solche Batterie für Vollelektrofahrzeuge würde das Transportwesen verändern und es viel klimafreundlicher machen. Der Verkehr verursacht rund 27 Prozent der US-amerikanischen Treibhausgasemissionen und rund 14 Prozent der weltweiten Emissionen. 95 Prozent der US-Personenkraftwagen fahren mit Erdöl. Wenn diese Autos und Lastwagen durch Elektrofahrzeuge ersetzt werden könnten, wenn die Umweltverschmutzung erheblich verringert würde, selbst wenn der Strom weiterhin hauptsächlich aus Kohle stammt, hat das Energieministerium festgestellt. Dies liegt daran, dass Verbrennungsmotoren so ineffizient sind, dass sie bis zu 80 Prozent der in ihrem Kraftstoff enthaltenen Energie an Wärme verlieren, während Elektromotoren fast ihre gesamte Energie in den Antrieb des Fahrzeugs stecken.

Durch die Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne können Batterien auch dazu beitragen, die Quelle unseres Stroms zu verändern. Da die Energieversorger den Prozentsatz des Stroms, den sie aus diesen Quellen produzieren, erhöht haben, bestand das Leitprinzip darin, dass Erdgaskraftwerke erforderlich wären, um den Bedarf zu decken, wenn Windturbinen und Photovoltaikzellen nicht produzieren. Wenn überschüssige erneuerbare Energie, die bei geringem Bedarf erzeugt wird, auf eine Batterie übertragen, ohne nennenswerte Verluste gespeichert und bei steigendem Bedarf schnell entladen werden könnte - und wenn das System billig genug wäre -, würde dies den Bedarf für beide erneuerbaren Kohlekraftwerke überflüssig machen ersetzen, und die Erdgasanlagen gelten als unverzichtbar, um Wind und Sonne zu begleiten.

"Großvolumige Batterien, die Energie zeitlich verschieben können, wären der Grundpfeiler", sagt Peter Rothstein, Präsident des New England Clean Energy Council.

Batterien, die Energie für das Stromnetz speichern, haben andere Anforderungen als Batterien für Autos, da Fahrzeuge relativ kompakte Batterien benötigen, die ihre Energie fast augenblicklich übertragen können. Technologien, die sich nicht für den Antrieb von Elektrofahrzeugen eignen, können also hervorragend zur Speicherung von Strom für das Stromnetz beitragen.

Lithium-Luft-Batterien, eine relativ neue Technologie, die viel Aufsehen erregt hat, können eine höhere Energiedichte aufweisen als vorhandene Lithium-Batterien, liefern jedoch viel weniger Energie, als zum Beschleunigen eines Fahrzeugs erforderlich wäre, so Fords Miller. „Wenn Sie eine Leistung von 120 Kilowatt benötigen, benötigen Sie mit Lithium-Luft möglicherweise 80 bis 100 Kilowattstunden Batterieenergie, um diese Anforderung zu erfüllen“, erklärt Miller. „Das ist eine sehr umständliche, sehr große Batterie.“ In einem Auto würde es nicht gut funktionieren - der Ford Focus EV verbraucht im Vergleich etwas mehr als 100 Kilowatt Leistung mit einer 23-Kilowattstunden-Batterie - aber es könnte sein beim Sitzen neben einem Windpark.

Vanadium-Flow-Batterien, eine weitere vielversprechende Entwicklung, haben ebenfalls eine hohe Energiedichte und eine schnelle Entladungszeit, wodurch sie sich ideal für die Lagerung eignen. Für diese Anwendung wirft Ron MacDonald, CEO von American Vanadium, sie auf. „Es gibt viele gute Speichermöglichkeiten, aber jeder hat ein Problem“, räumt MacDonald ein. „Unser Problem waren immer die Anschaffungskosten, weil wir teurer sind.“ Eine Vanadium-Flow-Batterie kann jedoch 20 Jahre halten. „Wir liegen also unter den meisten anderen, wenn man die Kosten über die Lebensdauer der Batterie betrachtet.“ er sagt.

Die Entwicklung des so genannten „intelligenten“ Stromnetzes, bei dem mithilfe fortschrittlicher Algorithmen und Kommunikationstechnologien schnell reagiert werden kann, wenn Stromversorgung und Verbrauchernachfrage schwanken, und der verteilten Speicherung hat möglicherweise dazu geführt, dass weniger energieintensive Batterien als erforderlich sind Experten haben in der Vergangenheit gedacht. Mit Zehntausenden von kleinen Batterien in Autos, Ampeln und an anderen Orten in der Stadt könnte ein Elektrizitätsversorger in Zeiten hoher Nachfrage theoretisch Strom aus diesen Batterien ziehen und die Energie einige Stunden später an die Kunden zurückgeben.

Die Energieversorger versuchen möglicherweise auch zu ändern, wann und wie die Menschen Energie verbrauchen, indem sie in Zeiten hoher Nachfrage überhöhte Strompreise für Einkäufe über ein bestimmtes Maß erheben. Kunden werden davon abgehalten, das System zu belasten, indem sie beispielsweise große Geräte bedienen oder ihr Elektroauto aufladen. Ähnlich wie Batterien würden solche Praktiken die Kurve des Stromerzeugungsbedarfs abflachen, der dem Versorger auferlegt wird.

"Demand Response wird eine ebenso wichtige Rolle spielen wie Storage", sagt Randy Howard, Leiter der Planung und Entwicklung von Stromversorgungssystemen für das Los Angeles Department of Water & Power.

Trotzdem möchte Howard, dass eine Batterie den Versorgungsunternehmen den Fortschritt bringt, den Öl- und Gasproduzenten erlebt haben. "Wir sind alle zuversichtlich, dass es irgendwann einen Technologiesprung bei den Batterien geben wird, aber das ist noch nicht geschehen", sagt Howard. "Wir suchen unser Fracking in der Batteriewelt."

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