Nickelvol32no1may2017 de fb

Akkus unter der Erde sorgen für mehr Sicherheit in Bergwerken Netzexterner Akkuspeicher DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR NICKEL UND SEINE ANWENDUNGEN

Akkutechnologie Nickel: gestern, heute und morgen

Mai 2017, Jhrg. 32, Nr. 1

Verwaltung des Stromnetzes – Angebot und Reaktion

© SOLAR IMPULSE | MERZ | REZO.CH

© SOLAR IMPULSE | REVILLARD | REZO.CH

FALLSTUDIE 09

Solar Solar Impulse 2 bei einem Testflug über der Schweiz (2014)

SOLAR IMPULSE 2 S

ie flog Tag und Nacht ausschließlich mit gespeicherter Sonnenenergie: Die Solar Impulse 2 (Si2) schrieb mit ihrer Erdumrundung ohne jeglichen Brennstoff Geschichte. Die beiden Konstrukteure Bertrand Piccard und André Borschberg wechselten sich im Cockpit ab und legten in 17 Etappen insgesamt 43.041 km zurück. Dabei überquerten sie Asien, den Pazifik, die USA, den Atlantik, das Mittelmeer und den Nahen Osten.

Bereits beim Entwurf des Flugzeugs wussten Piccard und Borschberg, dass sie eine ultraleichte Bauweise mit einer großen Flügelspannweite wählen mussten, um den Luftwiderstand zu reduzieren und eine ausreichende Oberfläche für die Aufnahme von genügend Solarzellen zu schaffen, um maximale Energie zu erzeugen. Schließlich mussten sie auch nachtsüber mit Batteriestrom fliegen. „Bei der Konstruktion des Flugzeugs kamen die neuesten Technologien zur Anwendung. Davon profitierte die wissenschaftliche Forschung in den Bereichen Kompositstrukturen, Leichtmaterialien, elektrische Antriebe und Methoden für das Management und Speichern von Energie“, so André Borschberg.

Mit fünf aufeinanderfolgenden Flugtagen und -nächten über dem Pazifik von Japan nach Hawaii stellte Borschberg einen neuen Rekord auf, und Bertrand Piccard schaffte die erste Atlantiküberquerung in einem Solarflugzeug. Insgesamt wurden 19 Weltrekorde gebrochen bzw. werden derzeit noch von der World Air Sports Federation (FAI) auf ihre Anerkennung geprüft. „Wir mussten jedes einzelne von der Sonne erzeugte Watt optimal nutzen und den Überschuss in den Bordakkus speichern. Wir suchten dazu jede noch so winzige Energieeffizienzquelle“, sagte Borschberg.

Die Si2 verwendete Akkus, die auf der fortgeschrittenen Ultra High Energy Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC)-Akkumulatortechnologie von Kokam Co., Ltd., basierten. Die Entscheidung für diesen Akku fiel aufgrund seiner hohen Energiedichte und Effizienz sowie der Betriebsfähigkeit über einen breiten Temperatur-, Feuchtigkeits- und Druckbereich hinweg.

Mit vier Ultra High Energy NMC-Akkusätzen mit 150-Ah-Zellen und einer Energiespeicherleistung von 4x38,5 kWh (also 154 kWh) erzeugten die 17.248 Solarzellen der Si2 11.000 kWh Strom. Ein großer Teil davon wurde in den NMC-Bordakkus gespeichert und dann für den Betrieb des Flugzeugs bei Nacht genutzt.

Die Ultra High Energy NMC-Akkus verfügen über eine Energiedichte von ca. 260 Wh/kg. Diese hohe Energiedichte ermöglicht der Si2 das Speichern einer hohen Energiemenge, ohne dass das Flugzeug dadurch schwerer oder größer wird. Außerdem weisen die Akkus eine Effizienz von 96 % auf. Das heißt, dass weniger Energie verschwendet wird, wenn die Akkus geladen oder entladen werden.

2 NICKEL FALLSTUDIE

 Solar Impulse 2 auf dem Rollfeld in Payerne, Schweiz (2014)

SOLAR IMPULSE 2 FAKTEN: • 17.248 in die Flügel eingebaute Solarzellen treiben die vier Akkumulatoren (38,5 kWh pro Akku) an, die wiederum vier Elektromotoren (jeweils 13,5 kW) und damit die Propeller antreiben • Einsitziges Flugzeug aus Kohlefaser • Cockpit nicht unter Druck und nicht beheizt, 3,8 m3 • Flügelspannweite: 72 m (größer als die einer Boeing 747: 68 m) • Länge: 25 m • Gewicht: 2.300 kg (ähnlich wie ein großer PKW) • Reisegeschwindigkeit: 45-55 km/h (25-30 KIAS (angezeigte Luftgeschwindigkeit in Knoten) auf Meeresspiegel) • Max. Flughöhe: 8.500m Flugebene: 280 (28.000 Fuß) • Das Antriebssystem ist 93 % effizient, d. h. nur 7 % Energieverlust

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

Die Fachzeitschrift für Nickel und seine Anwendungen ISTOCKPHOTO.COM © LILIBOAS

Das Nickel Magazine ist eine Publikation des Nickel Institute. www.nickelinstitute.org David Butler, Verbandspräsident Clare Richardson, Chefredakteurin Beiträger: John Chapman, Parul Chhabra, Gary Coates, Peter Kelly-Detwiler, Carly Leonida, Geir Moe, Kim Oakes, Marcel Onink, Kristina Osterman, Nigel Ward Entwurf: Constructive Communications

Das Textmaterial wurde zur allgemeinen Information des Lesers erstellt und sollte nicht als Grundlage für spezifische Anwendungen verwendet werden, ohne dass vorher fachmännische Beratung eingeholt wurde. Obwohl das Textmaterial nach unserem besten Wissen korrekt ist, garantieren das Nickel Institute, seine Mitglieder, Mitarbeiter und Berater nicht seine Eignung für eine allgemeine oder spezifische Anwendung und übernehmen keine Haftung oder Verantwortung irgendeiner Art im Zusammenhang mit den hierin enthaltenen Informationen.

ISSN 0829-8351 Gedruckt in Kanada von der Hayes Print Group auf Recyclingpapier Titelseite: Constructive Communications Foto auf der Titelseite: Constructive Communications

INHALTSVERZEICHNIS Fallstudie Solar Impulse 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Im Brennpunkt Editorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Sonder-Leitartikel Akkus gestern, heute und morgen . . . 4-5 Die Bedeutung von Nickel. . . . . . . . . . . . . . 5 Akkuspeicher für das Netz. . . . . . . . . . . . 6-7 Nachfrageseitige Reaktionssysteme . . 8-9 Batterie- und Akku-Recycling. . . . . . . 10-11 Aktuelle Anwendungen Untertagebau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-13 Vernickelter Stahl für Akkus . . . . . . . . . . . . 15 Chevy Bolt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Kurzmeldungen Speichern von Sonnenenergie . . . . . . . . 14 Erdbebenfeste Brücke . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

DER MOTOR DER ZUKUNFT Der Batterie- und Akkumulatormarkt bewegt sich, sowohl im wörtlichen als auch im bildlichen Sinne. Sorgen um den Klimawandel, die verstärkte Bedeutung der Energieeffizienz und die Festlegung von Kohlendioxidemissionszielen durch nationale Regierungen haben eine verstärkte Akzeptanz von Hybrid- und Elektroautos zur Folge. Dazu kommen das gesteigerte Interesse an erneuerbaren Energietechnologien in Bezug auf Batterien und Energiespeicherung sowie die globale Verbrauchernachfrage nach Batterien mit einer längeren Lebensdauer für Elektronikgeräte, Smartphones und E-Bikes. Die Dynamik ist beeindruckend!

WACHSENDER MARKTANTEIL VON NICKELHALTIGEN LITHIUM-IONEN-AKKUS High-Ni 3% NMC 7% NCA Mid-Ni 10 % NMC Low-Ni NMC LMO 19 % 13 % LCO 25 %

LFP 22 % LTO 1%

2016 nickelhaltig 39 %

Mid-Ni NMC 18 % 13 % Low-Ni NMC

High-Ni NMC 18 %

NCA 9% LMO 12 %

LCO 15 %

LTO 1%

LFP 14 %

2025 nickelhaltig 58 %

NMC: Nickel-Mangan-Cobalt NCA: Nickel-Cobalt-Aluminium LFP: Lithium-Eisenphosphat LCO: Lithium-Cobaltoxid LMO: Lithium-Manganoxid LTO: Lithium-Titanat

QUELLE: ROSKILL

Kontaktangaben: Rue Belliard 12 Brüssel 1040, Belgien Tel. +32 2 290 3200 communications@nickelinstitute.org

Elektroautos (Electric Vehicles oder EVs) machen derzeit nur einen geringen, aber stetig zunehmenden Anteil an der weltweiten Automobilproduktion aus. Während die Wachstumsprognosen für EVs schwanken, ist doch bei allen eine starke Zunahme zu beobachten. Der Anteil von EVs auf der Straße liegt derzeit unter 1 %, wird neuen Schätzungen zufolge bis 2025 aber auf sieben bis elf Prozent ansteigen. Und viele dieser Fahrzeuge werden von nickelhaltigen Lithium-Ionen-Akkus angetrieben.

Neue nickelhaltige Akkutechnologien werden auch eine wichtige Rolle bei Energiespeichersystemen in Verbindung mit erneuerbaren Energien spielen. Windräder oder Photovoltaikanlagen erzeugen Strom, wenn Wind herrscht oder die Sonne scheint. Akkutechnologien sorgen dann dafür, dass dieser Strom für einen entsprechenden Bedarf gespeichert wird.

Nachdem seit Jahren von signifikanten Technologien für die Zukunft des Elektrizitätssystems die Rede ist, betreten jetzt auch bedeutende internationale Marken wie Nissan und Tesla diese Bühne. Tesla kündigte Anfang 2015 seinen Einstieg in den Energiespeichermarkt an. In diesem Kontext wurde ein Lithium-Ionen-Akku mit einer Kathode aus einer Nickellegierung vorgestellt.

In dieser Ausgabe behandeln wir Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der Batterietechnik sowie die Rolle, die Nickel dabei spielt. Weil es sich um ein so umfassendes Thema handelt, widmen wir ihm den Großteil dieser Ausgabe. Die Situation ist komplex. Verschiedene Anwendungen erfordern verschiedene Technologien, und keine spezifische Batterietechnologie wird auf diesem Markt als „Sieger“ hervorgehen. Nickel ist bei der Herstellung von Batterien seit über 100 Jahren eine wichtige Komponente, und das wird sich in absehbarer Zeit auch nicht ändern. Nickel wird in diesem sich schnell verändernden Sektor auch weiterhin eine wichtige Rolle spielen.

Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Clare Richardson Chefredakteurin, Nickel Magazine

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

NICKEL IM BRENNPUNKT 

BILDER VON WIKIMEDIA COMMONS, SOFERN NICHT ANDERWEITIG ANGEGEBEN

 1748 Benjamin Franklin verwendet den Begriff „Batterie“ –USA

1799  Erste Batterie mit Dauerstrom: Voltasche Säule Alessandro Volta –Italien

 1859

© 2017 ENCYCLOPÆDIA BRITANNICA, INC.

Erster wiederaufladbarer Akkumulator Bleisäure Gaston Planté –Frankreich

1899 

 1959 Erste Alkalibatterien Lewis Urry –Kanada

1967  Erfindung der NiMH-Batterie Battelle-Geneva –Schweiz

 1980 Lithium-IonenCobalt-Oxid-Kathode –USA

2014 

4 NICKEL SONDER-LEITARTIKEL

V

on Bleisäure bis zu Li-Ionen: In den vergangenen 50 Jahren haben sich Batterien und Akkus radikal verändert. Früher wurden Batterien in sehr begrenzten Anwendungsbereichen eingesetzt: zum Starten von Autos und für Spielwaren, Fernbedienungen und Taschenlampen. Bleisäure war lange die erste Wahl für Autos mit Benzinmotoren, während die typischen Alkalibatterien in Geräten zuhause eingesetzt wurden.

Dann brach das Zeitalter der wiederaufladbaren nickelbasierten Akkus an: Nickel-Cadmium (NiCd) und Nickel-Metallhydrid (NiMH) mit einer noch längeren Ladedauer. Sie veränderten unsere Arbeits- und Lebensweise und speisten sowohl Elektrowerkzeuge als auch die ersten Digitalkameras. NiMH machte dann Mitte der Neunziger den großen Sprung in den Transportbereich: als unterstützende Technologie für den Toyota Prius. Dadurch wurde die Fahrtechnologie von Grund auf verändert, was uns die Elektroautos von heute bescherte. Aber es mangelte noch an Dichte, um die Erwartungen des Marktes hinsichtlich neuer Produkte wie bspw. Autos, Werkzeuge, Kameras zu erfüllen.

Erster NiCd-Akku Waldemar Jungner –Schweden

Lithium-IonenFestkörperakkumulator –USA

AKKUS: HEUTE GUT UND MORGEN NOCH VIEL BESSER

Auftritt: der Lithium-Ionen-Akku 1991 erschien der Lithium-Ionen-(Li-Ionen)-Akku (wovon die meisten Versionen Nickel enthalten) auf dem kommerziellen Markt. Er wurde in den ersten Videokameras und dann schon bald in unseren Smartphones, Laptops und anderen tragbaren Geräten von heute eingesetzt. Li-Ionen-Akkus wurden wegen ihrer überlegenen Leistungsdichte, die für das Antreiben von Fahrzeugen über lange Strecken von kritischer Bedeutung ist, auch in die nächste Automobilgeneration integriert.

Innerhalb von 50 Jahren sind wir von einem Punkt, an dem Batterien in unserem Alltag eher eine Randerscheinung waren, in einer Ära angelangt, in der wir sie in der Hosen- oder Handtasche ständig mit uns führen. (Und manche von uns tragen sie in Form von Schrittmachern oder anderen implantierbaren Geräten sogar im eigenen Körper.) Ein Blick in die Wartehalle eines Flughafens genügt: Die Menschen sind ständig auf der Suche nach Steckdosen. Das zeigt, wie bedeutsam diese Geräte für unseren Alltag geworden sind.

Die nahe Zukunft sieht für Nickel rosig aus.

Wie bei vielen anderen Technologien gilt: Je mehr wir sie verwenden, desto besser sollten sie sein. Batterien sind da keine Ausnahme. Wir wünschen uns, dass Handys und Laptops tagelang nicht wieder aufgeladen werden müssen.

Wir möchten, dass Elektroautos die gleiche Reichweite wie Benziner haben (und genauso wie an der Tankstelle in weniger als zehn Minuten „betankt“ werden können). Wir benötigen zunehmend Batterien zur Unterstützung unserer massiven und komplexen Stromnetze.

Wir wünschen uns leichtere, dichtere, leistungsstärkere und schneller aufladbare Akkus. Aber woher sollen diese tollen Batterien kommen? Müssen wir bestehende Technologien kontinuierlich, Schritt um Schritt, verbessern?

Oder steht ein revolutionärer Durchbruch bevor? Und wenn ja, wie lange wird das noch dauern?

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

Die langfristige Zukunft ist unklar Wir wollen uns zunächst den Verbesserungen an bestehenden Lithium-Ionen-Akkus widmen. Ein Trend besteht im Umstieg auf Nickel-Mangan-Cobalt-Kathoden, die eine höhere Energiedichte und niedrigere Kosten für die gelieferte Energie bieten. Verstärkt wird auch an superdichten Lithium-Luft-Akkus geforscht (Tesla hat in diesem Bereich mehrere Patente angemeldet und auch andere Forscher machen beträchtliche Fortschritte). Gleichzeitig sinken die Kosten von Lithium-Ionen-Akkus kontinuierlich, weil Lieferketten effizienter werden (und China seine massiven Produktionskapazitäten hochgefahren hat). Viele Beobachter glauben, dass die Kosten in den kommenden Jahren um bis zu 50 % sinken werden.

aus dem Periodensystem zu kombinieren, um zu testen, welche Leistungen sie erbringen. Heute können wir die chemischen Eigenschaften auf eine Art und Weise untersuchen, die noch vor ein paar Jahren nicht möglich war. Hochleistungs-Supercomputer ermöglichen die Durchführung von mehr als einer Billiarde Berechnungen pro Sekunde, die Kombination verschiedener Elemente zu Verbindungen in der virtuellen Welt und fast sofortige Daten zu ihrer Leistung. Übertragen sie Licht und Elektrizität?

Sind sie formbar oder spröde? Virtuelle Verbindungen können zu tatsächlichen Verbindungen konvertiert und in der Realität weiter getestet werden. Forscher glauben nun, dass sie die für die Produkteinführung erforderliche Zeit halbieren können.

Längerfristig ist die Lage weniger klar: Wie wird die nächste Generation von bahnbrechenden Lithium-Produkten aussehen? Woher wird sie kommen, wenn überhaupt? Und wann? Ein möglicher Kandidat ist der Festkörperakkumulator, der sicherer und dichter ist (bis zu doppelt so viel Energie im gleichen Raum), länger Energie erzeugt, aber auch viel teurer ist als gegenwärtige Akkus. Diese Akkus werden für ihren Siegeszug wahrscheinlich einen „Brückenkopf“ in Form bestimmter Geräte brauchen, bevor dank Großserienproduktionen Preisreduzierungen erzielt werden können. Es wird voraussichtlich vier oder fünf Jahre dauern, bis sie ihren Weg in unsere Smartphones gefunden haben.

Bessere Batterie- und Akkutechnologien Es wird erwartet, dass Supercomputer innerhalb von fünf Jahren What-if-Berechnungen ausführen werden können, wodurch sie menschenähnlicher „denken“ können. Das US-Energieministerium beschreibt in einem Bericht zu Forschung und Technologie die folgende Entwicklung: „... eine Kombination aus physikalischer Theorie, fortgeschrittenen Computermodellen und riesigen Materialeigenschafts-Datenbanken beschleunigen die Entwicklung eines neuen Materials mit anwendungsspezifischen Eigenschaften durch die Optimierung von Zusammensetzung und Bearbeitung, um die gewünschte Struktur und die gewünschten Eigenschaften herbeizuführen.“

Lithium-Schwefel ist aufgrund seiner vier Mal höheren Dichte als Lithium-Ionen und der niedrigeren Materialkosten ein weiterer Kandidat. In diesem Bereich müssen noch signifikante technische und Sicherheitsprobleme behoben werden, auch wenn schon heute eindeutige Fortschritte diagnostiziert werden können.

Das Tempo der Innovationen auf dem Batteriesektor wird weiter anziehen Langfristig ist die Batterie- und Akkutechnologie in erster Linie eine Frage der Werkstoffwissenschaft. Es geht darum, verschiedene Elemente

Das verspricht eine viel schnellere Markteinführung neuer Batterien und Akkus, als das derzeit der Fall ist. In den kommenden zehn Jahren werden wahrscheinlich viel bessere Akku- und Batterietechnologien auf dem Markt erscheinen, wobei noch nicht klar ist, auf welchen Technologien sie basieren werden.

In den vergangenen Jahrzehnten hat Nickel unserer batterieabhängige Lebensweise massiv unterstützt. Daran wird sich auch in der vorhersehbaren Zukunft nichts ändern.

Die Bedeutung von Nickel für aufladbare Batterien Eine elektrische Batterie ist ein Gerät, das aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen besteht, die sich aus zwei Elektroden – einer Anode und einer Kathode – sowie einem Elektrolyten zusammensetzen. Wenn die beiden Elektroden mittels einer elektrischen Bahn verbunden werden, Lithium-Ionen-(NMC)-Akku –Entlademechanismus

SCHICHTFÖRMIGE GRAPHITSTRUKTUR (ANODE)

Elektronen

Strom

Li+

Li+

Li+ Li+

Li+

Li+ Li+ Li+ Li+

Li+

Li+ Li+ Elektrolyt

LiCC+Li++ e-

Li++MO2 + e-LiMO2

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

LITHIUM-METALLOXID (KATHODE)



können Elektronen fließen. Wenn eine Batterie elektrischen Strom bereitstellt, ist die Anode die Quelle der Elektronen, die bei Verbindung mit einem externen Stromkreis fließen und ein externes Gerät mit Energie speisen.

Elektrolyte können sich im Innern als Ionen bewegen; sie ermöglichen chemische Reaktionen an den separaten Elektroden und dadurch die Energieversorgung des externen Stromkreises. Durch die Bewegung dieser Ionen in der Batterie kann Strom aus der Batterie fließen und dadurch ein Gerät versorgen.

Batterien und Akkus unterscheiden sich in dem Punkt, ob die Elektroden regeneriert werden können, die Batterie also wieder aufgeladen werden kann. Sie gehören folglich einer von zwei Klassifizierungen an: Primärzellen (einmalige Verwendung oder Einwegbatterie) und Sekundärzellen (wiederaufladbar).

(Wiederaufladbare) Sekundärzellen gibt es in verschiedenen Ausführungen, darunter die bekannte Blei-Säure-Batterie in Autos, NiCd (Nickel-Cadmium), NiMH (Nickel-Metallhydrid) und Li-Ion (Lithium-Ionen). Nickel ist, wie in der nachstehenden Tabelle dargestellt, eine grundlegende Kathodenkomponente vieler Sekundärzellenausführungen einschließlich Li-Ion.

ZELLENTYP

KATHODE

ANODE

Alkalisch (P)

Mangan-Dioxid (MnO2)

Zink

Wässrig-alkalisch

Blei-Säure (S)

Blei-Dioxid (PbO2)

Blei

Schwefelsäure

Cadmium

Natriumhydroxid

Nickel-Cadmium (NiCd) (S) Nickel-Metallhydrid

Nickel-Oxyhydroxid (NiOOH)

Lithium-Ionen (LCO) (S)

Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO2)

Lithium-Ionen (NMC) (S)

Lithium-Nickel-ManganCobalt-Oxid (LiNiMnCoO2)

Lithium-Ionen (NCA) (S)

Lithium-Nickel-CobaltAluminium (LiNiCoAlO2)

ELEKTROLYT

Wasserstoffabsorbierende Natriumhydroxid Legierung

Kohlenstoffbasiert, in der Regel Graphit

Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel

(P) = Primär, (S) = Sekundär

NICKEL SONDER-LEITARTIKEL 

ISTOCKPHOTO.CAOM © PETMAL ISTOCKPHOTO.COM © 4XIMAGE

TESLA.COM

MEHR STROM IN DAS CO2EMISSIONSARME NETZ

6 NICKEL SONDER-LEITARTIKEL

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

Der Markt für Akkumulatoren zur Unterstützung von Stromnetzen weltweit steht vor einer Bedarfsexplosion

L

ithium-Ionen-(Li-Ion)-Akkus (von denen viele Nickel verwenden) werden bei den globalen Bemühungen um kostengünstigere und sauberere Stromnetze eine wichtige unterstützende Rolle spielen.

Diese Entwicklung ist in erster Linie auf den signifikanten Anstieg bei erneuerbaren Energiequellen zurückzuführen, in erster Linie Wind- und Solarenergie. In den USA machten Wind- und Sonnenenergie in den vergangenen drei Jahren mehr als die Hälfte der neuen Erzeugungskapazitäten aus. In Asien und Europa wurden Milliardenbeträge in erneuerbare Energien investiert; langfristig wird für Billionen von Dollar ein nachhaltiges Stromnetz entstehen.

Diese einzelne US-Fabrik wird genauso viele Lithium-Ionen-Akkus produzieren wie die gesamte Welt vor nur vier Jahren. Ungefähr ein Drittel der Produkte des Tesla-Werks ist für die Energiespeicherung für das Stromnetz vorgesehen.

Tesla steht dabei nicht allein und ist nicht einmal der größte Hersteller im Li-Ion-Bereich.

Gute Nachrichten für Nickel Für die Nachfrage nach Nickel sind das langfristig gute Nachrichten. Globale Zulieferer von Li-Ion-Akku-Kathodenmaterial erhöhen die Produktionskapazitäten von Nickel-Mangan-Cobalt (NMC, in der Regel mit einem typischen Anteil von 33 % jedes der Elemente).

Ein Großteil der Produktion wird von EVs genutzt, aber auch stationäre Netzspeicheranwendungen werden nicht zu kurz kommen. Bei der Netzspeicherung gewinnt die NMC-Tech-

Wie sieht’s mit der Speicherung aus?

Jüngste Zahlen der Energy Storage Association belegen, dass die Energiespeicherung rasant zunimmt. In den USA wurde 2016 fast eine Verdreifachung der Gesamtspeicherinstallation verzeichnet. Und das ist erst der Anfang.

Es wird erwartet, dass die Speicherinstallationen in den USA im Jahr 2017 fast um weitere 50 % zunehmen werden. Allein drei Installationen in Kalifornien im Januar dieses Jahres (alle nickelhaltige Lithium-Ionen-Systeme) entsprachen 15 % der US-Speicherinstallationen im letzten Jahr.

Auch in anderen Ländern wird die stationäre Speicherung mithilfe von Li-Ion-Akkus sehr schnell vorangetrieben. So plant beispielsweise die Korea Electric Power Corporation 500 MW aus NMC-Akkus für reaktionsschnelle Speicheranlagen zur Gewährleistung der Netzstabilität. Japan investierte kürzlich ebenfalls mehrere hundert Millionen Dollar in Speicherprojekte für sein Stromnetz.

Dank Economies of Scale dominiert die Li-Ion-Technologie.

Dies liegt an der langjährigen Verwendung von Li-Ion-Technologie auf dem Verbraucherelektronikmarkt und den enormen Investitionen der letzten Jahre in die Li-Ion-Herstellung, insbesondere zur Unterstützung der Elektro-Automobilindustrie.

Es wird z. B davon ausgegangen, dass Teslas bekannte Gigafactory in Nevada bis 2018 Zellen mit einer Gesamtkapazität von 35.000 Megawattstunden (MWh) herstellen wird.

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

WWW.TESLA.COM

Das Problem ist, dass nicht ständig Wind herrscht und die Sonne auch nicht immer scheint. Zur Stabilisierung unserer komplexen und weitreichenden Elektrizitätsinfrastruktur wird deshalb zusehends auf Akkus zurückgegriffen.

 Teslas Advanced Microgrid Solutions wollen mittels einer Energiespeichertechnologie ein flexibles, anpassungsfähiges Stromnetz schaffen.

China bestimmt das Tempo China treibt die wirtschaftliche Entwicklung in diesem Bereich voran, wodurch die Preise sinken und die Nachfrage steigt.

nologie gegenüber Lithium-Konkurrenztechnologien wie Lithium-Eisen-Phosphat an Boden und wird für immer mehr Entwickler zur Kathode erster Wahl.

Die Wachstumsziele für die Netzstromspeicherung mittels Akkus sind weiterhin sehr hoch gesteckt. Auf China entfällt schon heute der Löwenanteil der weltweiten Produktion.

Eine Welt voller Möglichkeiten Stationäre Netzstromspeicher befinden sich noch in der Anfangsphase und die Zukunftsprognosen hinsichtlich der Marktgröße variieren stark. In näherer Zukunft werden EVs die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien und dem darin enthaltenen Nickel fördern.

Wenn China mit Akkus das erreichen kann, was es mit Photovoltaikmodulen geschafft hat, kann es den Markt dominieren. Durch die Förderung von Elektroautos (Electric Vehicles, EVs) treibt das Land die Nachfrage nach Li-Ion-Akkus in die Höhe, was eine Großserienproduktion zur Folge hat. Manche Analysten erwarten, dass das gesteigerte Volumen und die Lieferketten-Effizienzen die Kosten im nächsten Jahr um bis zu 40 % reduzieren werden.

Amperex Technology, das größte chinesische Unternehmen auf diesem Sektor, verdreifachte seine Li-Ion-Akku-Produktion im vergangenen Jahr und hat LG Chem, eines der auf dem Weltmarkt führenden Unternehmen, überholt. Das Unternehmen plant, seine derzeitige Produktion von ca. 8.000 Megawattstunden (bzw. 8 Gigawattstunden – GWh) bis 2020 auf 50 GWh (oder den anderthalbfachen Wert von Tesla) hochzuschrauben

Stationäre Stromspeichersysteme werden angesichts fallender Kosten und subtilerer Geschäftsmodelle in unmittelbarer Zukunft an Bedeutung gewinnen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass stationäre Speicher die Millionen von Photovoltaikanlagen, die bereits auf Haus- und Stalldächern installiert wurden, ergänzen werden. Auf der Netzebene kann die Li-Ionen-Speicherung für führende Speicherunternehmen wie AES Energy Storage hinsichtlich der Kosten schon jetzt mit neuen Kraftwerken, die Elektrizität zu Spitzenlastzeiten erzeugen, und einem signifikanten Teil der zukünftigen globalen Netzarchitektur konkurrieren.

Klar ist, dass Nickel im CO2-neutralen Stromnetz der Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird.

NICKEL SONDER-LEITARTIKEL 

Nachfrageseitige Reaktions- und Akkuspeich D

ie Nachfrage nach Energie steigt kontinuierlich, ob von Seiten des Staates, innerhalb von Gemeinden oder in einzelnen Haushalten. Die herkömmliche Methode zum Decken dieses Bedarfs bestand darin, die Produktion zu steigern, um das Angebot zu vergrößern.

In letzter Zeit aber rückt die Nachfrageseite (z. B. die Verbraucher selbst) verstärkt in den Fokus. Es geht darum, die Nachfrage zu Spitzenzeiten anzupassen, indem Verbrauchern z. B. finanzielle Anreize geboten werden, während der Spitzenzeiten Strom zu sparen und mehr Strom außerhalb der Spitzenzeiten zu verbrauchen.

Eine Alternative, die beim Versuch, dieser gestiegenen Nachfrage gerecht zu werden, an Attraktivität gewinnt, ist die Bereitstellung „lokaler“ Möglichkeiten zum Speichern der außerhalb der Spitzenzeiten erzeugten Elektrizität, damit diese Kapazitäten bei Bedarf zur Verfügung stehen.

Mit dieser Art der Laststeuerung (nach dem engl. Begriff Demand-SideResponse als DSR bezeichnet) wird die Nachfrage zu Spitzenzeiten nicht reduziert, aber sie wird so verwaltet, dass die in Batterien (oft nickelhaltige Lithium-Ionen-Akkus) gespeicherte Energie zu kritischen Tageszeiten zur Verfügung steht.

Der Vorteil durch DSR In nationalen Stromnetzen kann ein automatisiertes DSR-System auf einen rapiden Nachfrageanstieg schneller reagieren als herkömmliche Methoden wie thermische Solaranlagen oder Wasserkraftwerke. Darüber hinaus beruhen solche Systeme auf einer Technologie, die auf mehrere Punkte verteilt ist, sodass es keinen SPOF (einzelnen Ausfallpunkt) gibt. In Verbindung mit Akkuspeichersystemen, die oft auf einer Lithium-Ionen-Technologie basieren, speichert ein DSR Energie aus erneuerbaren Quellen, sodass außerhalb der Spitzenzeiten ein Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage aufrechterhalten werden kann.

Diese Nutzung von Energiespeichersystemen (ESS) ist besonders wichtig, weil 21 Gigawatt (86 %) der neuen, im Jahr 2016 produzierten Energiekapazitäten der EU aus Wind, Sonnenenergie und anderen erneuerbaren Quellen stammen, die naturgemäß nicht stetig und jederzeit Strom erzeugen. Diese effektivere Nutzung erneuerbarer Energiequellen hilft bei der Reduzierung der CO2-Emissionen.

Das britische nationale Stromnetz ist einer der Energielieferanten, die mehr in diese Kombination von DSR und Akkuspeichersystemen investieren. Als Reaktion auf die letzte Kapazitätsmarkt-Auktion in Großbritannien werden 500 Megawatt durch neue Speicherprojekte bereitgestellt werden, während die Umstellung auf Wind- und Sonnenenergie fortgesetzt wird.

Mehr Flexibilität für alle Diese verstärkte Nutzung von Akku-Energiespeichersystemen ist nicht auf nationale Stromnetze beschränkt. Auch auf industriellen und kommerziellen Märkten ist in dieser Hinsicht derzeit viel geboten. Open Energi, ein Technologieunternehmen in Großbritannien, liefert auf Laststeuerung und Energiespeicherung basierende Lösungen.

ISTOCKPHOTO.COM © 4XIMAGE

David Hill, Director von Open Energi: „Die Kombination von AkkuEnergiespeichersystemen mit einer Laststeuerung ist der Schlüssel für eine umfassende Verbraucherflexibilität und kann die Akkulebensdauer durch Reduzierung des Durchsatzes verlängern. Dadurch können Unternehmen Kosten und CO2-Emissionen in allen ihren Anlagen optimieren und die Funktionsweise unseres Elektrizitätssystems kann potenziell von Grund auf transformiert werden.“ Mit dem DSR-Wachstum geht eine verstärkte Nachfrage nach Nickel einher.

Dadurch entstehen weltweit vielseitigere Energieliefersysteme.

8 NICKEL SONDER-LEITARTIKEL

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

hersysteme stellen sich der Herausforderung DSR IN ACTION

D

UNIVERSITÄT GENUA

NEXTERA/DEMOSS PETRIEUMSPANNSYSTEM

ie Installation einer mit Energiespeichersystemen verbundenen DSR bedeutet mehr Flexibilität und Zuverlässigkeit sowie eine größere Nutzung umweltfreundlicherer erneuerbarer Energiequellen. Diese Fallstudien aus der Branche in den USA und Italien zeigen, wie mit bewährten Energiespeichersystemen alle diese Ziele erfüllt werden können.

 NextEra-Umspannsystem Fallstudie – TEP/NextEra (Lithium-Ionen-Akkus – NMC) Tucson Electric Power (TEP) ist ein Versorger mit mehr als 400.000 Kunden in Südarizona.

Um die Belastbarkeit des örtlichen Stromnetzes zu verbessern, installierte TEP in Zusammenarbeit mit einer Tochtergesellschaft von NextEra Energy Resources aus Juno Beach, Florida, ein 10-MegawattLithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid-(NMC)-Energiespeichersystem.

Dieses System gewährleistet Kunden jetzt auch zu Zeiten eines besonders hohen Energiebedarfs eine zuverlässige Stromversorgung.

Interessanterweise ist TEP auch an einem zweijährigen Forschungsund Entwicklungsprojekt mit IHI Energy Storage in Chicago beteiligt. Dabei soll untersucht werden, wie die effiziente Nutzung von Akku-Energiespeichersystemen die Zuverlässigkeit der Stromversorgung im heißen, trockenen Klima Arizonas verbessern kann.

Das NextEra-System nutzt NMC-Akkus, die in der Regel zu jeweils einem Drittel Nickel, Mangan und Cobalt enthalten. Sie weisen eine lange Lebensdauer auf und sind für die Konnektivität mit einem Mikronetz (einem sog. „Microgrid“) für die Speicherung außerhalb der Spitzenzeiten gut geeignet.

Dazu TEP-Sprecher Joe Barrios: „Das Unternehmen war auf der Suche nach kosteneffektiven, bewährten Energiespeichersystemen, um die Zuverlässigkeit zu verbessern und gleichzeitig zu untersuchen, wie innovative Technologien wie diese TEP dabei helfen können, mehr erneuerbare Ressourcen zu nutzen.“ Die aktuelle TEP-Kapazität aus erneuerbaren Quellen beläuft sich auf ca. 530 Megawatt, was ausreicht, um mehr als 110.000 Haushalte ein Jahr lang mit Strom zu versorgen.

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

 Für das Energiespeichersystem wurden FIAMM-Natrium-Nickel-Akkus gewählt.

Fallstudie – Siemens/FIAMM (Natrium-Nickel-Akkus) 2012 wurde der Beschluss gefällt, auf dem Savona-Campus der Universität Genua eine effizientere Methode für Energieversorgung und -management einzuführen.

Im Rahmen des Projekts „Energia 2020“ entschied sich die Universität für die Installation eines intelligenten Energiemanagementsystems, das auf der Microgrid-Technologie basiert.

Mithilfe dieses Systems können die elektrischen und thermischen Anforderungen des Campus durch eine lokale Stromerzeugung erfüllt werden, sodass weniger Strom aus dem externen Netz bezogen werden muss.

Das Ziel bestand darin, erneuerbare Energiequellen zu nutzen, den Energieverbrauch zu minimieren und die CO2-Emissionen und Energiekosten zu reduzieren.

Erneuerbare Energie wird mit einem konzentrierten Solarstromsystems und einer Photovoltaik-Anlage gewonnen. Das Microgrid ging 2014 in die Produktion, und die Installation fand unter der Leitung von Siemens statt.

Dr. Mansueto Rossi von der Universität Genua: „Die Entscheidung fiel für das Energiespeichersystem mit FIAMM-Natrium-Nickel-Akkus, weil diese kein komplexes Kühlsystem benötigen. Sie sind gegenüber widrigen Witterungsbedingungen ausgesprochen widerstandsfähig und für das Laden während des Tages und Entladen zu Spitzenzeiten ideal geeignet.“

NICKEL SONDER-LEITARTIKEL



BATTERIE- UND AKKU-RECYCLING IN EINER BRUMMENDEN BRANCHE Die weltweite Batterie- und Akku-Industrie steigert die Produktion mit der Nachfrage

D

erzeit wird viel in Forschung und Entwicklung sowie in neue Produktionsanlagen auf dem Lithium-Akku-Sektor investiert, die direkt mit der Entwicklung von Elektrofahrzeugen (Electric Vehicles, EVs) verbunden sind. Dadurch kommt es zu einer Verlagerung bei den vorherrschenden chemischen Zusammensetzungen von Akkus. Hybrid-Elektrofahrzeuge (Hybrid Electric Vehicles, HEVs) verwenden in der Regel NiMH-Akkus, während Plug-in Hybrid-Elektrofahrzeuge (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEVs) und batterieelektrische Fahrzeuge (Battery Electric Vehicles, BEVs) aufgrund ihrer höheren Energiedichte und anderer vorteilhafter Eigenschaften Li-Ion-Batterien nutzen.

Wichtige Kathodenmaterialien in Li-Ion-Batterien sind Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA), die 33-80 % Nickel enthalten. NMC wird in verschiedenen Elektronikgeräten und in EVs eingesetzt.

NCA wird in 18650-Zellen von Panasonic in Tesla-Fahrzeugen und als Mischung mit Lithium-Mangan-Oxid (LMO) in anderen EVs verwendet. Weitere wichtige Kathodenmaterialien sind LiCoO2, LiMn2O4 und LiMPO4.

Neuere Recycling-Prozesse Je nach Kathodenzusammensetzung und Recycling-Prozess kann der Wert der wiedergewonnenen Zellmaterialien variieren. Die

10 NICKEL SONDER-LEITARTIKEL

meisten derzeit verfügbaren Li-Ion-Batterien enthalten Kathoden, die in erster Linie aus Cobalt-Oxiden bestehen. Die Wirtschaftlichkeit des Prozesses hängt von der Wiedergewinnung des elementaren Cobalts ab. Akkus mit einem niedrigeren Cobaltgehalt, z. B. viele der heute für Fahrzeuge gebauten, sind für das Recycling mit den gegenwärtigen Methoden weniger attraktiv. Derzeit werden neuere Recycling-Prozesse entwickelt, um aktive Kathodenmaterialien (einschließlich des enthaltenen Lithiums) wiederzugewinnen, die in Akkus wiederverwendet werden könnten, und die viel wertvoller als ihre einzelnen Elemente sind. Die Qualität der wiedergewonnenen Materialien muss gewährleistet sein.

Parallel zum technischen Fortschritt ändert sich auch das regulatorische Umfeld für die Batterie- und Akku-Industrie, das immer strikter wird. Die europäische Batterierichtlinie, die besagt, dass Batterien und Akkus dem Recycling zugeführt werden müssen, wird derzeit geprüft. China führte kürzlich gesetzliche Verordnungen ein, die die Verantwortung für das Recycling von Autobatterien auf den Fahrzeughersteller übertragen. Derzeit gibt es in den USA keine harmonisierten Vorschriften für das Batterie-Recycling. Die bestehenden Vorschriften gelten alle nur für die jeweiligen Bundesstaaten. Weltweit sind mehr Auflagen und Vorschriften zu erwarten.

Aufgrund der Probleme in Verbindung mit Sammelsystemen wird geschätzt, dass derzeit nur ca. 10 % der leeren Li-Ion-Akkus die Sammelsysteme erreichen und letztendlich wiederverwertet werden. Die meisten dieser Akkus stammen aus tragbaren Elektronikprodukten.

Andere Batterien und Akkus, die derzeit dem Recycling zugeführt werden, sind NiMH-Akkus einschließlich solcher aus HEVs, die 23 % Nickel, 4 % Cobalt, 7 % seltene Erden, 36 % Stahl, 18 % Kunststoff, 9 % Elektrolyte, 2 % andere Metalle und 1 % Polytetrafluorethylen

(PTFE) enthalten. Der Toyota Prius ist das weltweit bei weitem meistverkaufte HEV; Toyota setzt heute ganz auf NiMH-Akkus, in denen das Unternehmen eine ausgereifte und zuverlässige Batterietechnologie sieht. Angesichts der in den letzten fünf Jahren weltweit jährlich verkauften 1,5 bis 1,8 Millionen HEVs und einer Akkulebensdauer von zehn Jahren müssen immer mehr NiMH-Autobatterien dem Recycling zugeführt werden.

China Weltweit wurden 250.000 PHEVs verkauft, wobei China aufgrund der hohen Anreize mit 29 % der wichtigste Markt ist. Dank seiner Anreizprogramme hat sich China auch zum führenden EV-Markt entwickelt. 2016 wurden ca. 500.000 EVs verkauft, 55 % davon in China. Die Industrie erwartet, dass die Verkaufszahlen in den nächsten fünf Jahren nach oben gehen werden, was bedeutet, dass Akku-Recycling-Unternehmen in den nächsten Jahrzehnten immer mehr Li-Ion-Akkus werden verarbeiten müssen.

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

ISTOCKPHOTO.COM © BET_NOIRE

Vorbereitung auf die Zukunft Wenn PHEVs und EVs sich auf dem Markt durchsetzen, wird sich dies massiv auf die Akku-Recycling-Branche auswirken.

Akku-Recycling-Unternehmen investieren derzeit viel Geld und bereiten sich auf die Anforderungen der Zukunft vor. Dazu zählen viel größere Recycling-Anlagen und die Fähigkeit, Li-Ion-Batterien aus Fahrzeugen dieser Art zu verarbeiten. Wenn die Akkuleistung so weit nachlässt, dass sie für den Einsatz in Fahrzeugen nicht mehr ausreicht, kann sie durchaus noch für die sekundäre Nutzung in Speicheranlagen von Versorgern geeignet sein.

Irgendwann einmal nimmt die Leistung aber so weit ab, dass der Akku entsorgt werden muss. Nicht nur aus Gründen des Umweltschutzes ist Recycling erforderlich: Die Akkus enthalten auch sehr viele wertvolle und recyclingfähige Materialien. Der wirtschaftliche Anreiz zum Akku-Recycling besteht im Wert der Lithium-Metalloxide, die in den Kathoden dieser Akkus eingesetzt werden: Cobalt, Nickel, Mangan, Kombinationen dieser drei Elemente, oder Phosphor und Eisen. Kupfer, Aluminium und Stahl sind ebenfalls Komponenten der Zellstruktur. Die Akkumerkmale variieren je nach Kathodenmaterial. Es werden viele verschiedene chemische Zusammensetzungen verwendet.

EIN FÜHRENDES RECYCLINGUNTERNEHMEN WIKIMEDIA COMMONS

UMICORE BATTERY RECYCLING

 Das Umicore-Werk für Edelmetalle im belgischen Hoboken. Umicore ist einer der weltweit größten Edelmetall-Recycler.

Mit einer installierten Kapazität von 7000 Tonnen pro Jahr ist der UHT-Ofen

D

ank seines preisgekrönten, ausschussfreien Closed-Loop-Batterie- und Akku-RecyclingProzesses ist das belgische Unternehmen Umicore Battery Recycling (UBR) ein führender Recycler von NiMH- und Lithium-Ionen-Akkus. Mithilfe eines einzigartigen pyrometallurgischen Verfahrens und eines hydrometallurgischen Prozesses auf dem neuesten Stand der Technik kann UBR alle Arten und Größen von Li-Ion- und NiMH-Batterien auf möglichst nachhaltige Weise wiederverwerten.

Die pyrometallurgische Phase von Umicore zerlegt die Batterien in drei Fraktionen: • eine Legierung, die die wertvollen Metalle Cobalt, Nickel und Kupfer enthält; • eine Schlackenfraktion, die in der Bauindustrie zum Einsatz kommt. Die Schlacke aus Li-Ion-Akkus bietet Möglichkeiten zur Lithium-Rückgewinnung. Die Schlacke von NiMH-Batterien kann zu einem Konzentrat aus seltenen Erden verarbeitet werden, das dann in Zusammenarbeit mit Solvay weiter raffiniert wird, und

in Hoboken eine der weltweit größten Recycling-Anlagen für Li-Ion- und NiMH-Akkus. 7.000 t = ± 250.000.000 Mobiltelefon-Akkus ± 2.000.000 E-Bike-Akkus ± 35.000 EV-Akkus

• reine Luft, die aus dem Kamin abgelassen wird, nachdem sie im einzigartigen Ultra High Temperature (UHT)-Gasreinigungsverfahren behandelt wurde.

Beim pyrometallurgischen Schritt wird die UHT-Technologie von Umicore angewandt. Die UHT-Technologie gibt den Anstoß zu einer wahren Recycling-Revolution und setzt neue Maßstäbe als bestes verfügbares Verfahren für metallurgische Recycling-Prozesse. Sie dient dazu, auf sichere Weise große Volumen verschiedener Arten von Abfallströmen auf der Basis komplexer Metalle zu behandeln. So unterscheidet sie sich von anderen Recycling-Technologien: • Höhere Metallrückgewinnung als bei vorhandenen Prozessen, die resultierenden Produkte sind sofort marktfähig; • direkte Einspeisung der Akkus, wodurch potenziell gefährliche Vorbehandlungsverfahren vermieden werden; • das Gasreinigungssystem garantiert, dass alle organischen Verbindungen vollständig zersetzt und keine schädlichen Dioxine oder flüchtigen organischen Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOCs) erzeugt werden. Fluor wird sicher im Flugstaub aufgefangen; • Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen auf ein Minimum, indem die in den Batteriekomponenten (Elektrolyt, Kunststoffe und Metalle) vorhandene Energie genutzt wird, sowie • praktisch abfallfreies Verfahren.

Im darauf folgenden hydrometallurgischen Prozess wird die Legierung weiter aufgearbeitet, sodass die Metalle in aktive Kathodenmaterialien für die Produktion neuer aufladbarer Akkus umgewandelt werden können.

Umicore ist seit langer Zeit ein führender Lieferant wichtiger Materialien für in tragbaren Elektronikgeräten sowie Hybrid- und Elektroautos genutzten Akkus.

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

BATTERIE- UND AKKUUMSATZ WELTWEIT Die Batterie- und Akkubranche erzielte 2016 einen Umsatz von 65 Mrd. US$ und verzeichnete von 1990 bis 2016 ein durchschnittliches jährliches Wachstum von 5 %. Die Nutzung kathodenaktiver Materialien ist von 6900 im Jahr 2000 auf 178.000 im Jahr 2016 angestiegen, was ebenfalls das signifikante Wachstum in dieser Branche belegt. Eine starke Nachfrage nach vielen verschiedenen Produkten, die Akkus nutzen, z. B. tragbare Elektronikgeräte, Handys, E-Bikes, Elektrowerkzeuge, E-Busse usw. treibt diese Entwicklung an. Die Verkaufszahlen von Lithium-Ionen-Akkus stiegen zwischen 2006 und 2016 jährlich um 22 %. Für den Zeitraum 2016-2025 prognostiziert Avicenne Energy für den Absatz von Lithium-Ionen-Akkus ein kombiniertes jährliches Wachstum von 13 % pro Jahr.

NICKEL SONDER-LEITARTIKEL



Akkus verbessern Luftqualität in Bergwerken Akkutechnologien der nächsten Generation auf Nickelbasis und ihr Potenzial im Untertagebau

A

uf die Belüftung entfallen derzeit ca. 50 % des Gesamtenergieverbrauchs in Untertage-Metallbergwerken. Förderunternehmen graben immer tiefer und wollen gleichzeitig wirtschaftlich arbeiten; außerdem wollen sie Diesel-Feinstaub aus der unterirdischen Arbeitsumgebung beseitigen. Wenn diese Ziele mit der Einhaltung von Vorgaben hinsichtlich umweltfreundlicher Energien kombiniert werden, wird schnell ersichtlich, dass es eine ganze Reihe von Faktoren für die Einführung batteriebetriebener Fahrzeuge gibt, die für den Einsatz unter der Erde konstruiert werden.

Was hat der Markt heute schon zu bieten?

Im Bergbau werden schon seit Jahrzehnten Batterien und Akkus verwendet. Allerdings sind aufgrund von Fortschritten bei der Chemie sowie damit verbundenen Technologien wie Gleichstrommotoren und Ladetechnik die heutigen Akkus viel besser für den Einsatz im Untertagebau geeignet.

12 AKTUELLE ANWENDUNGEN

„Schnell wiederaufl adbare LTO-Akkus scheinen für das Laden und den Transport von Produkten von besonderem Vorteil zu sein, weil sie schnell aufgeladen werden können und eine lange Zyklusdauer sowie von Natur aus ausgezeichnete Sicherheitsmerkmale aufweisen“, erläutert Vilenius. „Natrium-Nickelchlorid-Akkus bieten sich aufgrund ihres hohen Sicherheitsgrades und ihrer hervorragenden volumetrischen Energiedichte ebenfalls für den Bergbau an; sie gewährleisten eine ausreichende Betriebszeit und einen zufriedenstellenden Betriebsbereich.“ Das US-Unternehmen OEM MacLean Engineering führte 2015 sein erstes FlottenElektrifi zierungsprogramm ein, das auf der NMC-Akkutechnologie basierte. Das Programm führte zu drei im Jahr 2016 abgeschlossenen Projekten: zwei akkubetriebene Deckenverschraubungsmaschinen und ein akkubetriebener Auslegerwagen.  EV BT3 Auslegerwagen von MacLean Engineering nutzt NMC-Akkutechnologie

 Caterpillar’s first battery-powered machine, the R1300G (LHD) is currently undergoing trials at a Caterpillar proving ground.

STUART LISTER

ISTOCKPHOTO.COM © GKUNA

„Das Interesse stammt aus zwei Quellen“, Derzeit werden drei Arten verwendet: so Jani Vilenius, Direktor für Forschung • Blei-Säure, und Technologieentwicklung im Bereich • Natrium-Nickel-Chlorid und Gesteinsbohrer und Technologien bei Sand- • Lithium-Ionen – eine Unterkategorie, die Lithium-Eisenphosphat (LFP), Lithium-Tivik Mining and Rock Technology, einem der ersten OEM-Unternehmen, das einen akku- tanat (LTO) und Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) umfasst. betriebenen Gesteinsbohrer im Sortiment führt. „Batterietechnologien werden in Jede dieser Kategorien hat je nach der speanderen Branchen viel häufiger eingesetzt. zifischen Anwendung Stärken und SchwäDaher fragen sich immer mehr Unterneh- chen. men, ob sie auch im Bergbau verstärkt zur Herkömmliche Blei-Säure-Akkus werden Anwendung kommen können, was wiedeschon seit langer Zeit im Bergbau eingesetzt, rum einen Technologieschub zur Folge hat. insbesondere in Weichgestein-AnwendunAndererseits werden die Bedingungen unter gen wie Kohle, Salz und Kali. Gegen eine weiTage immer schwieriger, weshalb umwelt- tere Verbreitung sprechen aber Größe und freundlichere und effi zientere Technolo- Gewicht dieser Batterien, ihre begrenzte gien benötigt werden. Die Herstellung von Energie- und Leistungskapazität, ihre Batteriezellen wurde in den letzten Jahren beschränkte Zyklusdauer und die problehochgefahren, um mit den Entwicklungen matische Sicherheit. im Automobilsektor und bei umweltfreund- Viele moderne Batterietechnologien werden lichen Energien Schritt zu halten. Förder- derzeit immer noch Pilottests unterzogen. unternehmen haben erkannt, dass eine Andere wurden aber bereits von der Branche verbesserte Arbeitsumgebung mit höherer akzeptiert und das Marktinteresse wächst.

Luftqualität sowie die Anwendung neuer Batterietechnologien die Produktivität unter Tage steigern und für Innovationen im Bergbau sorgen können.“

Dazu zählen Lithium-Ionen-(Li-Ion)-Anwendungen sowie die Natrium-Nickelchlorid-Technologie. Li-Ion-Technologien bieten verschiedene alternative Chemikalien. Die für Förderanwendungen attraktivsten Optionen sind LTO, LFP und NMC.

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

Dazu Anthony Griffiths, Produktmanager „Unser wichtigstes Auswahlkriterium ist bei MacLean: „Die von uns für den Betrieb aber stets die Sicherheit. Bei Anwendununserer Flotte gewählte chemische Zusam- gen, die eine geringere Leistung und höhere mensetzung [NMC] hat die Gesamtlebens- Energiekapazität nach Volumen erfordern, dauer und die Anzahl der Ladezyklen im wird Natrium-Nickel verwendet. Für höhere Vergleich zu einem herkömmlichen Blei- Leistungsanforderungen dagegen verwenden wir LTO.“ Säure-Akku mindestens verdoppelt und in Vilenius bestätigt einen kontinuierlichen manchen Fällen sogar verdreifacht.“ Bedarf an Akkus mit höherer EnergiekaSandvik verwendet derzeit zwei verschie- pazität, wobei in naher Zukunft allerdings dene Akku-Technologien. „Keine einzelne keine vielversprechenden Lösungen in Sicht Technologie kann heutzutage den Anfor- sind. „Die Wahl der richtigen Akkutechnoderungen verschiedener Anwendungen logie ist eine Frage mit mehreren Variablen, gerecht werden. Daher muss die richtige wobei technische und finanzielle Aspekte Technologie für die jeweilige Anwendung zum Tragen kommen“, sagt er. „Bei einer Entscheidung für einige der derzeitigen gewählt werden“, so Vilenius.

Hochenergie-Alternativen müssten bei wichtigen Eigenschaften wie der Sicherheit  EV 975 Omnia-Deckenverschraubungsmaschine von MacLean Engineering Abstriche gemacht werden.“

JAMES HODGINS, MINING INDUSTRIAL PHOTOGRAPHER

SANDVIK

For applications needing lower power and higher energy-capacity-per-volume, sodium nickel chemistry is used.

 Bohranlage DD422iE von Sandvik

Blick in die Zukunft Derzeit wird die überwältigende Mehrheit der Untertagebau-Ausrüstung mit Diesel angetrieben. Alle großen Förderunternehmen der Welt evaluieren derzeit aber den Einsatz von mit Akkus betriebenen Maschinen. Bei mehreren laufen derzeit Projekte zur Bereitstellung akkubasierter Maschinen für den Produktionsbetrieb im großen Maßstab mit positiven Auswirkungen auf die Marktakzeptanz. „Wir wissen von führenden Persönlichkeiten auf dem Bergbausektor, dass sie sich darüber im Klaren sind, dass sich die Branche von Diesel weg und hin zu emissionsfreien Untertagemaschinen bewegt“, so Mike Kasaba von Artisan Vehicle Systems. „Zur entscheidenden Wende für die gesamte Branche wird es kommen, wenn wir demnächst von Erfolgen bei großfl ächigen Bereitstellungsprojekten hören. Wir glauben, dass bis 2020 alle Angebotsanfragen im Untertagebau nur noch emissionsfreie Maschinen spezifi zieren werden und alle verbleibenden Dieselmaschinen kurz darauf nach und nach außer Betrieb gestellt werden.“ Dieser Artikel ist eine Kurzfassung des Artikels „Propelling UG mining into tomorrow“ von Carly Leonida, der im Mining Magazine, Ausgabe Januar/Februar 2017, veröffentlicht wurde.

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

AKTUELLE ANWENDUNGEN 

WENN DIE SONNE NICHT SCHEINT

Nickel katalysiert kostengünstige Lösung für das Speichern von Sonnenenergie

W

ein Verfahren entwickelt, das die Stabilität und Effizienz deutlich verbessert und die Kosten senkt. Dabei werden auf dem Markt angebotene Solarzellen, aber keine der üblichen seltenen Metalle verwendet.

ie können wir Sonnenenergie für die Zeiten speichern, in denen die Sonne nicht scheint? Wir wissen, dass Sonnenergie durch Umwandlung in Wasserstoff gespeichert werden kann. Das Problem dabei: Die gegenwärtigen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff sind im Labor zwar vielversprechend, aber weiterhin zu instabil oder zu teuer und müssen weiterentwickelt werden, damit sie im großen Maßstab kommerziell genutzt werden können.

Bei dem von den Forschern verfolgten Ansatz für die Entwicklung eines robusten Systems werden Komponenten kombiniert, die sich in der Branche bereits als effektiv erwiesen haben.

Der Prototyp besteht aus drei miteinander verbundenen kristallinen Siliziumsolarzellen, die mit einem Elektrolysesystem gekoppelt sind, das keine seltenen Metalle verwendet.

Die gute Nachricht: Forscher an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne und am Schweizer Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie haben

Wasserstoff geht die volle Distanz Die Vorrichtung wandelt Solarenergie in Wasserstoff um und war unter Testbedingungen bereits mehr als 100 Stunden ununterbrochen im Einsatz. Das Verfahren, das frühere Bemühungen hinsichtlich Stabilität, Leistung, Lebensdauer und Kosteneffizienz übertrifft, wird im Journal of The Electrochemical Society veröffentlicht.

© INFINI LAB / 2016 EPF

Der elektrochemische Teil des Prozesses erfordert einen aus Nickel hergestellten Katalysator. Nickel ist viel kostengünstiger und leicht erhältlich.

UNIVERSITY OF NEVADA

„Ein in der Schweiz installiertes 12-14m2 großes System würde für die Erzeugung und Speicherung von genug Wasserstoff ausreichen, um ein Brennstoffzellenauto jedes Jahr über eine Strecke von mehr als 10.000 km anzutreiben“, so Christophe Ballif, Koautor der Studie. „Was die Leistung angeht, ist das für Siliziumsolarzellen und die Wasserstofferzeugung ohne Verwendung seltener Metalle ein Weltrekord.“

ERDBEBENFESTE BRÜCKE

dank intelligenter Nickel-Titan-Technologie

 Zwei besonders erdbebensichere Pfeiler sind Teil einer neuen Brückenausfahrt eines stark befahrenen Highways im Zentrum von Seattle.

Dank ihrer speziellen Bauweise biegen und dehnen sie sich während eines starken Bebens; sie stürzen nicht ein, sondern bleiben einsatzfähig.

S

Materialien wie Nickel-Titan-Stäbe nachgebaut und täbe aus einer superelastischen Nickel-Titan-Legierung (Nitinol), die aus ca. 55 % Nickel und biegsamen Betonverbundstoffen bestehen, wurden im Zentrum von Seattle (US-Bundesstaat Washington) zum zerstört, um eine sicherere, widerstandsfähigere ersten Mal eingesetzt. Eine Brücke, die sich bei einem starken Erdbeben zwar biegt, aber nicht nur stehen, Infrastruktur zu schaffen. sondern auch benutzbar bleibt, gibt bei der ersten praktischen Anwendung dieser Baumaterialien als Teil „Wir haben das Problem der Überlebensfähigkeit einer neuen Brückenausfahrt eines stark befahrenen Highways in Downtown Seattle ihr Debüt. gelöst. Wir können dafür sorgen, dass eine Brücke die neue und zum ersten Mal in einem wichtigen Moderne Brücken werden so konstruiert, dass sie auch nach einem starken Erdbeben noch einsatzfäProjekt eingesetzte Technologie in einem seismisch bei einem Erdbeben nicht einstürzen. Diese neue hig ist“, so Saiidi. „Mit diesen Verfahren und Mateaktiven Gebiet und bei starker Verkehrsbelastung Technologie führt diese Entwicklung noch einen rialien leiten wir eine neue Ära der Errichtung erdangewendet wird“, erläuterte Saiid Saiidi, Professor Schritt weiter. In Erdbebentests im Labor kehrten bebensicherer Bauwerke ein.“ Brückenpfeiler, die aus Nickel-Titan-Formgedächt- für Tiefbau an der University of Nevada in Reno. nisstäben und einem flexiblen Betonverbundstoff „Durch die Verwendung dieser Materialien können „Das ist möglicherweise ein gewaltiger Schritt nach Schäden beträchtlich reduziert werden und die Brü- vorne“, meint Tom Baker, Brücken- und Berechbestanden, nach einem Erdbeben mit einer Stärke cke kann auch nach einem starken Erdbeben weiter von bis zu 7,5 auf der Richterskala wieder in ihre nungsingenieur für das Verkehrsministerium des befahren werden.“ ursprüngliche Form zurück.

US-Bundesstaats Washington. „Wir bauen mit dem „Wir testeten neue Materialien, Formgedächt- Saiidi, auf den die Entwicklung dieser Technolo- Ziel, dass ein Bauwerk stehen bleibt. In Zukunft gie zurückgeht, hat im Labor mehrere 200-Ton- könnten wir aber so bauen, dass es nicht einmal zu nis-Metallstäbe und flexible Betonverbundstoffe in Schäden kommt und Brücken nach einem Erdbenen-Brücken, einzelne Brückenpfeiler und einer ganzen Reihe von Brückenmodellstudien in Betonstreben mithilfe verschiedener Kombinatio- ben für Notfallfahrzeuge sowie den gewerblichenunserer großen Erdbebenversuchsanlage mit Shake nen aus Konstruktionsvarianten und innovativen Table. Es ist sehr befriedigend zu beobachten, wie und Privatverkehr offen bleiben.“

14 NICKEL KURZMELDUNGEN

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

Versorgung in allen Bereichen des Alltags

N

ickel spielt in vielen marktgängigen Akkusystemen eine wichtige Rolle, die das Leben vereinfachen und uns von Steckdosen unabhängig machen.

Unabhängig von der jeweiligen chemischen Zusammensetzung spielt Nickel eine weniger bekannte, aber nicht minder wichtige Rolle bei der Akkuherstellung, wenn es in Kombination mit Stahl für die zylinderförmigen Dosen und Abdeckungen verwendet wird, die das Innere des Akkus schützen. Die Konfiguration mit nickelplattiertem Stahl gewährleistet, dass der Strom in den Akkus effizient und bei Bedarf zum jeweiligen Gerät geleitet wird.

Eine robuste, zylinderförmige Dose schützt die Zellenintegrität. Volumenexpansion und -kontraktion während des Ladens und Entladens können durch die Festigkeit des Stahls absorbiert werden.

Diese zylinderförmigen Dosen aus nickelplattiertem Stahl haben sich in vielen Anwendungen, ob in Einweg- oder wiederaufladbaren Systemen, bewährt.

Durch das Deponieren einiger Mikrometer Nickel auf der oberen und unteren Seite des Stahlstreifens wird ein niedriger Kontaktwiderstand erzielt. Tata Steel Plating hat dieses Verfahren mit seinen modernen Plattierungsstraßen perfektioniert. Nach der Elektroplattierung werden

... die Rolle, die Nickel und nickelplattierter Stahl bei der Leistung und Zuverlässigkeit aller Arten von Batteriesystemen spielen, kann gar nicht überbewertet werden. die Spulen wärmebehandelt. Dadurch wird der Kontaktwiderstand reduziert und die Adhäsion für die folgende Hochgeschwindigkeits-Dosenherstellung verbessert. Neben den elektrischen Eigenschaften bietet Nickel auch einen hervorragenden Korrosionsschutz vor dem ätzenden Zellinneren. Dadurch wird das Risiko eines Ausgasens reduziert, das das Bauwerk über seine gesamte Lebensdauer hinweg signifikant unter Druck setzt.

Die Dosen werden durch Umwandeln des Streifens in einer Reihe von Zugschritten mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Präzisions-Stanzmaschinen hergestellt.

TATA STEEL

 Wärmebehandeltes Nickeldepot (oben) auf dem Stahlstreifen (unten) mit feinkörniger Diffusionszone (Mitte)  Moderne Nickelplattierungsstraße

Die Dosen werden dann an Akku- und Batteriehersteller weltweit geliefert.

Neben den guten Eigenschaften bei den Zugverfahren und der Zellleistung ist Nickel auch bei der Zellmontage wichtig, weil er hervorragende Schweißeigenschaften bietet. „Auch wenn Batterien und Akkus oft für selbstverständlich gehalten werden, kann die Rolle, die Nickel und nickelplattierter Stahl bei der Leistung und Zuverlässigkeit aller Arten von Batteriesystemen spielen, gar nicht überbewertet werden“, so Dr. Marcel Onink, Direktor für kommerzielle Innovationen bei Tata Steel Plating. „Derzeit machen Alkalibatterien das größte Volumen aus. Für die Zukunft ist aber zu erwarten, dass diese erfolgreiche Kombination dank des beträchtlichen Wachstums bei Elektrofahrzeugen in vielen weiteren Bereichen zur Anwendungen kommen wird. Egal welche abschließende chemische Zusammensetzung die Zelle aufweist: Wahrscheinlich wird sie in der bewährten Hülle aus Stahl mit Nickelschicht verpackt.“

N I C K E L MAGAZINE ONLINE

www.nickelinstitute.org ABONNIEREN Sie das Nickel Magazine kostenlos und fordern Sie eine Benachrichtigung per E-Mail über das Erscheinen einer neuen Ausgabe an. www.nickelinstitute.org/NickelMagazine/ Subscription LESEN Sie das Nickel Magazine online in mehreren Sprachen. www.nickelinstitute.org/ NickelMagazine/MagazineHome DURCHSUCHEN SIE ÄLTERE AUSGABEN des Nickel Magazine (seit Juli 2002) in unserem Online-Archiv. www.nickelinstitute.org/en/NickelMagazine/ MagazineHome/AllArchives MOBILES Download der Nickel Magazine App für Apple® oder Android™ FOLGEN SIE UNS auf Twitter @NickelInstitute BESUCHEN SIE UNS auf der LinkedIn-Seite des Nickel Institute

TATA STEEL

SCHAUEN Sie sich Videos zum Thema „Nickel“ auf dem YouTube-Kanal des Nickel Institute an. www.youtube.com/user/NickelInstitute

NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017

AKTUELLE ANWENDUNGEN 

TATA STEEL

DIE SYNERGIE VON NICKEL UND STAHL IN AKKUS UND BATTERIEN

W

ie erzielt man mit einem Elektrofahrzeug eine Reichweite von 320 km, eine Beschleunigung von 0-100 km/h in weniger als sieben Sekunden und die Möglichkeit, den Akku in 30 Minuten für eine Reichweite von 145 km aufzuladen? Ganz einfach: Man nehme einen Lithium-Ionen-Akku mit hohem Nickelgehalt!

Der Bolt EV wird mit einem neu entwickelten 60-kWh-Lithium-Akku betrieben, der sich im Boden des Autos vom vorderen Fußraum bis zum Ende des Rückbank erstreckt.

Die Lithium-Ionen-Zusammensetzung mit hohem Nickelgehalt verbessert die thermische Betriebsleistung im Vergleich zu anderen chemischen Zusammensetzungen. Dadurch kann ein kleineres aktives Kühlsystem verwendet werden, was die Gesamteffizienz steigert. Durch die chemische Zusammensetzung kann der Bolt EV Spitzenleistungen in verschiedenen Klimazonen und bei verschiedenen Ansprüchen des Fahrers aufrechterhalten.

Mit dieser Zellenbauweise und chemischen Zusammensetzung konnten wir ein Akkusystem mit 160 kW Spitzenleistung und 60 Kilowattstunden Energie entwickeln 100 mm hoch und 338 mm breit, wodurch im Unterboden weniger Platz benötigt wird. Wegen des flacheren Zellenprofils konnte das für den Fahrzeugaufbau zuständige Team den Innenraum maximieren.

Verbesserte Leistung und Energie „In der Regel hat man eine Batteriezelle, die die benötigte Ener- „Das Beste in puncto Reichweite und günstiger Preis anbieten zu gie oder Leistung erzielt. Beides war traditionell aber nicht zu können, heißt gar nichts, wenn man nicht jedes Mal gerne am schaffen. Mit dieser Zellenbauweise und chemischen Zusammen- Steuer sitzt“, meinte Josh Travel, leitender Ingenieur für den Chevsetzung konnten wir ein Akkusystem mit 160 kW Spitzenleistung rolet Bolt EV. und 60 Kilowattstunden Energie entwickeln“, so Gregory Smith, „Deswegen wurde das Team beauftragt, ein Antriebssystem zu Gruppenmanager für die Akkupack-Entwicklung für den Bolt EV. entwickeln, mit dem der Bolt EV ein Elektrofahrzeug ist, das seiDie Zellen sind in einem „Querformat“ angeordnet. Jede ist nur nem Besitzer beim Fahren Freude macht.“

HTTP://A.CHEVROLET.COM

EINMALIGE CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG ALS WICHTIGER FAKTOR FÜR EVAKKUS

Die Zellen sind in einem „Querformat“ angeordnet. Jede ist nur 100 mm hoch und 338 mm breit. 