Akkutechnologie Nickel: gestern, heute und morgen - Verwaltung des Stromnetzes - Angebot und Reaktion - Nickel Institute
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Verwaltung des Stromnetzes
Mai 2017, Jhrg. 32, Nr. 1
– Angebot und Reaktion
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
© SOLAR IMPULSE | REVILLARD | REZO.CH
© SOLAR IMPULSE | MERZ | REZO.CH
Solar
Solar Impulse 2 bei einem Testflug
FALLSTUDIE 09
über der Schweiz (2014)
Solar Impulse 2 auf dem Rollfeld in Payerne,
SOLAR IMPULSE 2
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
FAKTEN:
zurück. Dabei überquerten sie Asien, den Pazifik, die USA, den Atlantik, das Mittelmeer und den Nahen Osten. • 17.248 in die Flügel eingebaute Solarzellen
treiben die vier Akkumulatoren (38,5
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 kWh pro Akku) an, die wiederum vier
ausreichende Oberfläche für die Aufnahme von genügend Solarzellen zu schaffen, um maximale Energie Elektromotoren (jeweils 13,5 kW) und
zu erzeugen. Schließlich mussten sie auch nachtsüber mit Batteriestrom fliegen. „Bei der Konstruktion des damit die Propeller antreiben
Flugzeugs kamen die neuesten Technologien zur Anwendung. Davon profitierte die wissenschaftliche
Forschung in den Bereichen Kompositstrukturen, Leichtmaterialien, elektrische Antriebe und Methoden • Einsitziges Flugzeug aus Kohlefaser
für das Management und Speichern von Energie“, so André Borschberg.
• Cockpit nicht unter Druck und nicht
Mit fünf aufeinanderfolgenden Flugtagen und -nächten über dem Pazifik von Japan nach Hawaii stellte beheizt, 3,8 m3
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 • Flügelspannweite: 72 m
World Air Sports Federation (FAI) auf ihre Anerkennung geprüft. (größer als die einer Boeing 747: 68 m)
„Wir mussten jedes einzelne von der Sonne erzeugte Watt optimal nutzen und den Überschuss in den
• Länge: 25 m
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 • Gewicht: 2.300 kg
Cobalt Oxide (NMC)-Akkumulatortechnologie von Kokam Co., Ltd., basierten. Die Entscheidung für diesen (ähnlich wie ein großer PKW)
Akku fiel aufgrund seiner hohen Energiedichte und Effizienz sowie der Betriebsfähigkeit über einen breiten
• Reisegeschwindigkeit: 45-55 km/h
Temperatur-, Feuchtigkeits- und Druckbereich hinweg.
(25-30 KIAS (angezeigte Luftgeschwindig-
Mit vier Ultra High Energy NMC-Akkusätzen mit 150-Ah-Zellen und einer Energiespeicherleistung von
keit in Knoten) auf Meeresspiegel)
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. • Max. Flughöhe: 8.500m
Die Ultra High Energy NMC-Akkus verfügen über eine Energiedichte von ca. 260 Wh/kg. Diese hohe Flugebene: 280 (28.000 Fuß)
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, • Das Antriebssystem ist 93 % effizient,
dass weniger Energie verschwendet wird, wenn die Akkus geladen oder entladen werden. d. h. nur 7 % Energieverlust
2 NICKEL FALLSTUDIE NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017
NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017
Die Fachzeitschrift für Nickel und seine Anwendungen
Das Nickel Magazine ist eine Publikation des
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Nickel Institute.
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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
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Brüssel 1040, Belgien
DER MOTOR DER ZUKUNFT
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Der Batterie- und Akkumulatormarkt bewegt sich, sowohl im wörtlichen als auch im bild-
lichen Sinne. Sorgen um den Klimawandel, die verstärkte Bedeutung der Energieeffizienz
Das Textmaterial wurde zur allgemeinen Information
des Lesers erstellt und sollte nicht als Grundlage für
und die Festlegung von Kohlendioxidemissionszielen durch nationale Regierungen haben
spezifische Anwendungen verwendet werden, ohne dass eine verstärkte Akzeptanz von Hybrid- und Elektroautos zur Folge. Dazu kommen das
vorher fachmännische Beratung eingeholt wurde. Obwohl gesteigerte Interesse an erneuerbaren Energietechnologien in Bezug auf Batterien und
das Textmaterial nach unserem besten Wissen korrekt Energiespeicherung sowie die globale Verbrauchernachfrage nach Batterien mit einer
ist, garantieren das Nickel Institute, seine Mitglieder,
Mitarbeiter und Berater nicht seine Eignung für eine längeren Lebensdauer für Elektronikgeräte, Smartphones und E-Bikes. Die Dynamik ist
allgemeine oder spezifische Anwendung und übernehmen beeindruckend!
keine Haftung oder Verantwortung irgendeiner Art im
Zusammenhang mit den hierin enthaltenen Informationen.
ISSN 0829-8351 WACHSENDER MARKTANTEIL VON NICKELHALTIGEN LITHIUM-IONEN-AKKUS
Gedruckt in Kanada von der Hayes Print Group auf 3% High-Ni
Recyclingpapier 7% NMC High-Ni NMC:
Mid-Ni NCA Nickel-Mangan-Cobalt
10 % Mid-Ni NMC
Titelseite: Constructive Communications NMC
NMC 18 % NCA:
Foto auf der Titelseite: Constructive Communications Low-Ni NMC NCA Nickel-Cobalt-Aluminium
LMO 18 % 9%
19 % 13 % LFP:
13 % Lithium-Eisenphosphat
Low-Ni LMO
12 % LCO:
LCO LFP NMC Lithium-Cobaltoxid
INHALTSVERZEICHNIS 25 %
LTO
22 % LCO
15 %
LTO
LFP
14 %
LMO:
Lithium-Manganoxid
1% 1% LTO:
QUELLE: ROSKILL
Fallstudie Lithium-Titanat
Solar Impulse 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2016 2025
nickelhaltig 39 % nickelhaltig 58 %
Im Brennpunkt
Elektroautos (Electric Vehicles oder EVs) machen derzeit nur einen geringen, aber stetig zunehmen-
Editorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 den 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
Sonder-Leitartikel
liegt derzeit unter 1 %, wird neuen Schätzungen zufolge bis 2025 aber auf sieben bis elf Prozent anstei-
Akkus gestern, heute und morgen . . . 4-5 gen. Und viele dieser Fahrzeuge werden von nickelhaltigen Lithium-Ionen-Akkus angetrieben.
Die Bedeutung von Nickel. . . . . . . . . . . . . . 5 Neue nickelhaltige Akkutechnologien werden auch eine wichtige Rolle bei Energiespeichersystemen
Akkuspeicher für das Netz. . . . . . . . . . . . 6-7 in Verbindung mit erneuerbaren Energien spielen. Windräder oder Photovoltaikanlagen erzeugen
Strom, wenn Wind herrscht oder die Sonne scheint. Akkutechnologien sorgen dann dafür, dass dieser
Nachfrageseitige Reaktionssysteme . . 8-9 Strom für einen entsprechenden Bedarf gespeichert wird.
Batterie- und Akku-Recycling. . . . . . . 10-11 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
Aktuelle Anwendungen kündigte Anfang 2015 seinen Einstieg in den Energiespeichermarkt an. In diesem Kontext wurde ein
Untertagebau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-13 Lithium-Ionen-Akku mit einer Kathode aus einer Nickellegierung vorgestellt.
Vernickelter Stahl für Akkus . . . . . . . . . . . . 15 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
Chevy Bolt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 ihm den Großteil dieser Ausgabe. Die Situation ist komplex. Verschiedene Anwendungen erfordern
verschiedene Technologien, und keine spezifische Batterietechnologie wird auf diesem Markt als
Kurzmeldungen „Sieger“ hervorgehen. Nickel ist bei der Herstellung von Batterien seit über 100 Jahren eine wich-
Speichern von Sonnenenergie . . . . . . . . 14 tige 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.
Erdbebenfeste Brücke . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
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
AKKUS:
HEUTE GUT UND
Benjamin Franklin
verwendet den Begriff
„Batterie“
–USA
1799
Erste Batterie mit
MORGEN NOCH
VIEL BESSER
Dauerstrom: Voltasche Säule
Alessandro Volta
–Italien
1859
Erster wiederaufladbarer
Akkumulator
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
Bleisäure
Gaston Planté Spielwaren, Fernbedienungen und Taschenlampen. Bleisäure war lange die
–Frankreich erste Wahl für Autos mit Benzinmotoren, während die typischen Alkalibatte-
rien in Geräten zuhause eingesetzt wurden.
© 2017 ENCYCLOPÆDIA BRITANNICA, INC.
Dann brach das Zeitalter der wiederaufladbaren nickelbasierten Akkus an:
Nickel-Cadmium (NiCd) und Nickel-Metallhydrid (NiMH) mit einer noch
1899 längeren Ladedauer. Sie veränderten unsere Arbeits- und Lebensweise und
Erster NiCd-Akku
speisten sowohl Elektrowerkzeuge als auch die ersten Digitalkameras. NiMH
Waldemar Jungner machte dann Mitte der Neunziger den großen Sprung in den Transportbe-
–Schweden reich: 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.
1959 Auftritt: der Lithium-Ionen-Akku
Erste Alkalibatterien 1991 erschien der Lithium-Ionen-(Li-Ionen)-Akku (wovon die meisten Versi-
Lewis Urry onen Nickel enthalten) auf dem kommerziellen Markt. Er wurde in den ersten
–Kanada
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 Fahr-
zeugen über lange Strecken von kritischer Bedeutung ist, auch in die nächste
Automobilgeneration integriert.
1967
Innerhalb von 50 Jahren sind wir von einem Punkt, an dem Batterien in unse-
Erfindung der NiMH-Batterie
Battelle-Geneva rem Alltag eher eine Randerscheinung waren, in einer Ära angelangt, in der
–Schweiz 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 Flugha-
fens genügt: Die Menschen sind ständig auf der Suche nach Steckdosen. Das
zeigt, wie bedeutsam diese Geräte für unseren Alltag geworden sind.
1980
Die nahe Zukunft sieht für Nickel rosig aus.
Lithium-Ionen- Wie bei vielen anderen Technologien gilt: Je mehr wir sie verwenden, desto
Cobalt-Oxid-Kathode
–USA 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.
2014 Wir wünschen uns leichtere, dichtere, leistungsstärkere und schneller auf-
Lithium-Ionen- ladbare Akkus. Aber woher sollen diese tollen Batterien kommen? Müssen
Festkörperakkumulator wir bestehende Technologien kontinuierlich, Schritt um Schritt, verbessern?
–USA Oder steht ein revolutionärer Durchbruch bevor? Und wenn ja, wie lange wird
das noch dauern?
4 NICKEL SONDER-LEITARTIKEL NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017
Die langfristige Zukunft ist unklar aus dem Periodensystem zu kombinieren, um zu testen, welche Leistun-
Wir wollen uns zunächst den Verbesserungen an bestehenden Lithi- gen sie erbringen. Heute können wir die chemischen Eigenschaften auf
um-Ionen-Akkus widmen. Ein Trend besteht im Umstieg auf Nickel-Man- eine Art und Weise untersuchen, die noch vor ein paar Jahren nicht mög-
gan-Cobalt-Kathoden, die eine höhere Energiedichte und niedrigere Kos- lich war. Hochleistungs-Supercomputer ermöglichen die Durchführung
ten für die gelieferte Energie bieten. Verstärkt wird auch an superdich- von mehr als einer Billiarde Berechnungen pro Sekunde, die Kombination
ten Lithium-Luft-Akkus geforscht (Tesla hat in diesem Bereich mehrere verschiedener Elemente zu Verbindungen in der virtuellen Welt und fast
Patente angemeldet und auch andere Forscher machen beträchtliche Fort- sofortige Daten zu ihrer Leistung. Übertragen sie Licht und Elektrizität?
schritte). Gleichzeitig sinken die Kosten von Lithium-Ionen-Akkus konti- Sind sie formbar oder spröde? Virtuelle Verbindungen können zu tat-
nuierlich, weil Lieferketten effizienter werden (und China seine massiven sächlichen Verbindungen konvertiert und in der Realität weiter getestet
Produktionskapazitäten hochgefahren hat). Viele Beobachter glauben, werden. Forscher glauben nun, dass sie die für die Produkteinführung
dass die Kosten in den kommenden Jahren um bis zu 50 % sinken werden. erforderliche Zeit halbieren können.
Längerfristig ist die Lage weniger klar: Wie wird die nächste Genera- Bessere Batterie- und Akkutechnologien
tion von bahnbrechenden Lithium-Produkten aussehen? Woher wird sie Es wird erwartet, dass Supercomputer innerhalb von fünf Jahren
kommen, wenn überhaupt? Und wann? Ein möglicher Kandidat ist der What-if-Berechnungen ausführen werden können, wodurch sie menschen-
Festkörperakkumulator, der sicherer und dichter ist (bis zu doppelt so ähnlicher „denken“ können. Das US-Energieministerium beschreibt
viel Energie im gleichen Raum), länger Energie erzeugt, aber auch viel teu- in einem Bericht zu Forschung und Technologie die folgende Entwick-
rer ist als gegenwärtige Akkus. Diese Akkus werden für ihren Siegeszug lung: „... eine Kombination aus physikalischer Theorie, fortgeschrittenen
wahrscheinlich einen „Brückenkopf“ in Form bestimmter Geräte brau- Computermodellen und riesigen Materialeigenschafts-Datenbanken
chen, bevor dank Großserienproduktionen Preisreduzierungen erzielt beschleunigen die Entwicklung eines neuen Materials mit anwendungs-
werden können. Es wird voraussichtlich vier oder fünf Jahre dauern, bis spezifischen Eigenschaften durch die Optimierung von Zusammenset-
sie ihren Weg in unsere Smartphones gefunden haben. zung und Bearbeitung, um die gewünschte Struktur und die gewünsch-
ten Eigenschaften herbeizuführen.“
Lithium-Schwefel ist aufgrund seiner vier Mal höheren Dichte als Lithi-
um-Ionen und der niedrigeren Materialkosten ein weiterer Kandidat. In Das verspricht eine viel schnellere Markteinführung neuer Batterien und
diesem Bereich müssen noch signifikante technische und Sicherheitspro- Akkus, als das derzeit der Fall ist. In den kommenden zehn Jahren wer-
bleme behoben werden, auch wenn schon heute eindeutige Fortschritte den wahrscheinlich viel bessere Akku- und Batterietechnologien auf dem
diagnostiziert werden können. Markt erscheinen, wobei noch nicht klar ist, auf welchen Technologien sie
basieren werden.
Das Tempo der Innovationen auf dem Batteriesektor
wird weiter anziehen In den vergangenen Jahrzehnten hat Nickel unserer batterieabhängige
Langfristig ist die Batterie- und Akkutechnologie in erster Linie eine Lebensweise massiv unterstützt. Daran wird sich auch in der vorherseh-
Frage der Werkstoffwissenschaft. Es geht darum, verschiedene Elemente baren Zukunft nichts ändern.
Die Bedeutung von Nickel Batterien und Akkus unterscheiden sich in dem
Punkt, ob die Elektroden regeneriert werden kön-
für aufladbare Batterien nen, die Batterie also wieder aufgeladen werden
kann. Sie gehören folglich einer von zwei Klassi-
Eine elektrische Batterie ist ein Gerät, das aus einer können Elektronen fließen. Wenn eine Batterie fizierungen an: Primärzellen (einmalige Verwen-
oder mehreren elektrochemischen Zellen besteht, elektrischen Strom bereitstellt, ist die Anode die
dung oder Einwegbatterie) und Sekundärzellen
die sich aus zwei Elektroden – einer Anode und Quelle der Elektronen, die bei Verbindung mit
(wiederaufladbar).
einer Kathode – sowie einem Elektrolyten zusam- einem externen Stromkreis fließen und ein exter-
mensetzen. Wenn die beiden Elektroden mit- nes Gerät mit Energie speisen. (Wiederaufladbare) Sekundärzellen gibt es in ver-
tels einer elektrischen Bahn verbunden werden, schiedenen Ausführungen, darunter die bekannte
Elektrolyte können sich im Innern als Ionen bewe-
gen; sie ermöglichen chemische Reaktionen an Blei-Säure-Batterie in Autos, NiCd (Nickel-Cad-
Lithium-Ionen-(NMC)-Akku mium), NiMH (Nickel-Metallhydrid) und Li-Ion (Lit-
–Entlademechanismus den separaten Elektroden und dadurch die Ener-
gieversorgung des externen Stromkreises. Durch hium-Ionen). Nickel ist, wie in der nachstehenden
die Bewegung dieser Ionen in der Batterie kann Tabelle dargestellt, eine grundlegende Kathoden-
Strom aus der Batterie fließen und dadurch ein komponente vieler Sekundärzellenausführungen
Elektronen Strom Gerät versorgen. einschließlich Li-Ion.
ZELLENTYP KATHODE ANODE ELEKTROLYT
Alkalisch (P) Mangan-Dioxid (MnO2) Zink Wässrig-alkalisch
SCHICHTFÖRMIGE
GRAPHITSTRUKTUR (ANODE)
LITHIUM-METALLOXID (KATHODE)
Blei-Säure (S) Blei-Dioxid (PbO2) Blei Schwefelsäure
Nickel-Cadmium (NiCd) (S) Cadmium Natriumhydroxid
Li+ Li+ Li+ Li+
Nickel-Oxyhydroxid (NiOOH) Wasserstoffabsorbierende
Nickel-Metallhydrid Natriumhydroxid
Li+ Li+ Li+ Li+ Legierung
Lithium-Ionen (LCO) (S) Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO2)
Li+ Li+ Li+ Li+ Lithium-Nickel-Mangan- Lithiumsalz in
Lithium-Ionen (NMC) (S) Kohlenstoffbasiert, in der
Cobalt-Oxid (LiNiMnCoO2) einem organischen
Regel Graphit
Lithium-Nickel-Cobalt- Lösungsmittel
Elektrolyt Lithium-Ionen (NCA) (S)
Aluminium (LiNiCoAlO2)
LiCC+Li++ e- Li++MO2 + e-LiMO2 (P) = Primär, (S) = Sekundär
NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017 NICKEL SONDER-LEITARTIKEL 
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MEHR STROM IN DAS CO2-
EMISSIONSARME NETZ
TESLA.COM
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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.
Gute Nachrichten für Nickel
Für die Nachfrage nach Nickel sind das lang-
fristig gute Nachrichten. Globale Zulieferer
Diese Entwicklung ist in erster Linie auf den Diese einzelne US-Fabrik wird genauso viele von Li-Ion-Akku-Kathodenmaterial erhöhen
signifikanten Anstieg bei erneuerbaren Ener- Lithium-Ionen-Akkus produzieren wie die die Produktionskapazitäten von Nickel-Man-
giequellen zurückzuführen, in erster Linie gesamte Welt vor nur vier Jahren. Ungefähr gan-Cobalt (NMC, in der Regel mit einem typi-
Wind- und Solarenergie. In den USA machten ein Drittel der Produkte des Tesla-Werks ist schen Anteil von 33 % jedes der Elemente).
Wind- und Sonnenenergie in den vergange- für die Energiespeicherung für das Stromnetz Ein Großteil der Produktion wird von EVs
nen drei Jahren mehr als die Hälfte der neuen vorgesehen. genutzt, aber auch stationäre Netzspeicheran-
Erzeugungskapazitäten aus. In Asien und
Tesla steht dabei nicht allein und ist nicht ein- wendungen werden nicht zu kurz kommen. Bei
Europa wurden Milliardenbeträge in erneuer-
mal der größte Hersteller im Li-Ion-Bereich. der Netzspeicherung gewinnt die NMC-Tech-
bare Energien investiert; langfristig wird für
Billionen von Dollar ein nachhaltiges Strom-
netz entstehen.
Das Problem ist, dass nicht ständig Wind
herrscht und die Sonne auch nicht immer
scheint. Zur Stabilisierung unserer komplexen
und weitreichenden Elektrizitätsinfrastruktur
WWW.TESLA.COM
wird deshalb zusehends auf Akkus zurückge-
griffen.
Wie sieht’s mit der Speicherung aus?
Jüngste Zahlen der Energy Storage Association
belegen, dass die Energiespeicherung rasant Teslas Advanced Microgrid Solutions wollen mittels einer Energiespeichertechnologie ein flexibles,
zunimmt. In den USA wurde 2016 fast eine anpassungsfähiges Stromnetz schaffen.
Verdreifachung der Gesamtspeicherinstalla-
tion verzeichnet. Und das ist erst der Anfang. China bestimmt das Tempo nologie gegenüber Lithium-Konkurrenztech-
China treibt die wirtschaftliche Entwicklung nologien wie Lithium-Eisen-Phosphat an
Es wird erwartet, dass die Speicherinstallatio- Boden und wird für immer mehr Entwickler
in diesem Bereich voran, wodurch die Preise
nen in den USA im Jahr 2017 fast um weitere zur Kathode erster Wahl.
sinken und die Nachfrage steigt.
50 % zunehmen werden. Allein drei Installa-
tionen in Kalifornien im Januar dieses Jahres Die Wachstumsziele für die Netzstromspei- Eine Welt voller Möglichkeiten
(alle nickelhaltige Lithium-Ionen-Systeme) cherung mittels Akkus sind weiterhin sehr Stationäre Netzstromspeicher befinden sich
entsprachen 15 % der US-Speicherinstallatio- hoch gesteckt. Auf China entfällt schon heute noch in der Anfangsphase und die Zukunfts-
nen im letzten Jahr. der Löwenanteil der weltweiten Produktion. prognosen hinsichtlich der Marktgröße variie-
ren stark. In näherer Zukunft werden EVs die
Auch in anderen Ländern wird die stationäre Wenn China mit Akkus das erreichen kann,
Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien und
Speicherung mithilfe von Li-Ion-Akkus sehr was es mit Photovoltaikmodulen geschafft
dem darin enthaltenen Nickel fördern.
schnell vorangetrieben. So plant beispiels- hat, kann es den Markt dominieren. Durch
weise die Korea Electric Power Corporation die Förderung von Elektroautos (Electric Stationäre Stromspeichersysteme werden
500 MW aus NMC-Akkus für reaktions- Vehicles, EVs) treibt das Land die Nachfrage angesichts fallender Kosten und subtilerer
schnelle Speicheranlagen zur Gewährleistung nach Li-Ion-Akkus in die Höhe, was eine Groß- Geschäftsmodelle in unmittelbarer Zukunft
der Netzstabilität. Japan investierte kürzlich serienproduktion zur Folge hat. Manche Ana- an Bedeutung gewinnen. Es ist sehr wahr-
ebenfalls mehrere hundert Millionen Dollar in lysten erwarten, dass das gesteigerte Volumen scheinlich, dass stationäre Speicher die Milli-
Speicherprojekte für sein Stromnetz. und die Lieferketten-Effizienzen die Kosten onen von Photovoltaikanlagen, die bereits auf
im nächsten Jahr um bis zu 40 % reduzieren Haus- und Stalldächern installiert wurden,
Dank Economies of Scale dominiert die
werden. ergänzen werden. Auf der Netzebene kann
Li-Ion-Technologie.
Dies liegt an der langjährigen Verwendung von die Li-Ionen-Speicherung für führende Spei-
Amperex Technology, das größte chinesische
Li-Ion-Technologie auf dem Verbraucherelek- cherunternehmen wie AES Energy Storage
Unternehmen auf diesem Sektor, verdreifachte
tronikmarkt und den enormen Investitionen hinsichtlich der Kosten schon jetzt mit neuen
seine Li-Ion-Akku-Produktion im vergange-
der letzten Jahre in die Li-Ion-Herstellung, Kraftwerken, die Elektrizität zu Spitzenlast-
nen Jahr und hat LG Chem, eines der auf dem
insbesondere zur Unterstützung der Elek- zeiten erzeugen, und einem signifikanten Teil
Weltmarkt führenden Unternehmen, über-
tro-Automobilindustrie. der zukünftigen globalen Netzarchitektur
holt. Das Unternehmen plant, seine derzeitige
konkurrieren.
Es wird z. B davon ausgegangen, dass Teslas Produktion von ca. 8.000 Megawattstunden
bekannte Gigafactory in Nevada bis 2018 (bzw. 8 Gigawattstunden – GWh) bis 2020 auf Klar ist, dass Nickel im CO2-neutralen Strom-
Zellen mit einer Gesamtkapazität von 35.000 50 GWh (oder den anderthalbfachen Wert von netz der Zukunft eine wichtige Rolle spielen
Megawattstunden (MWh) herstellen wird. Tesla) hochzuschrauben wird.
NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017 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 anzu-
passen, indem Verbrauchern z. B. finanzielle Anreize geboten werden, wäh-
rend 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-Side-
Response 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 beru-
hen 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 basie-
ren, speichert ein DSR Energie aus erneuerbaren Quellen, sodass außerhalb
der Spitzenzeiten ein Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage auf-
rechterhalten 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 erneuer-
baren 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, wäh-
rend 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 kommerziel-
len Märkten ist in dieser Hinsicht derzeit viel geboten. Open Energi, ein
Technologieunternehmen in Großbritannien, liefert auf Laststeuerung und
Energiespeicherung basierende Lösungen.
David Hill, Director von Open Energi: „Die Kombination von Akku-
Energiespeichersystemen 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
ISTOCKPHOTO.COM © 4XIMAGE
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 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/DEMOSS PETRIEUMSPANNSYSTEM
UNIVERSITÄT GENUA
NextEra-Umspannsystem Für das Energiespeichersystem wurden FIAMM-Natrium-Nickel-Akkus
gewählt.
Fallstudie – TEP/NextEra (Lithium-Ionen-Akkus – NMC)
Tucson Electric Power (TEP) ist ein Versorger mit mehr als 400.000 Kun- Fallstudie – Siemens/FIAMM (Natrium-Nickel-Akkus)
den in Südarizona. 2012 wurde der Beschluss gefällt, auf dem Savona-Campus der
Universität Genua eine effizientere Methode für Energieversorgung
Um die Belastbarkeit des örtlichen Stromnetzes zu verbessern,
installierte TEP in Zusammenarbeit mit einer Tochtergesellschaft von und -management einzuführen.
NextEra Energy Resources aus Juno Beach, Florida, ein 10-Megawatt- Im Rahmen des Projekts „Energia 2020“ entschied sich die Universität
Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid-(NMC)-Energiespeichersystem. für die Installation eines intelligenten Energiemanagementsystems,
Dieses System gewährleistet Kunden jetzt auch zu Zeiten eines das auf der Microgrid-Technologie basiert.
besonders hohen Energiebedarfs eine zuverlässige Stromversorgung.
Mithilfe dieses Systems können die elektrischen und thermischen
Interessanterweise ist TEP auch an einem zweijährigen Forschungs-
Anforderungen des Campus durch eine lokale Stromerzeugung erfüllt
und Entwicklungsprojekt mit IHI Energy Storage in Chicago betei-
werden, sodass weniger Strom aus dem externen Netz bezogen
ligt. Dabei soll untersucht werden, wie die effiziente Nutzung von
werden muss.
Akku-Energiespeichersystemen die Zuverlässigkeit der Stromversor-
gung im heißen, trockenen Klima Arizonas verbessern kann. Das Ziel bestand darin, erneuerbare Energiequellen zu nutzen,
Das NextEra-System nutzt NMC-Akkus, die in der Regel zu jeweils den Energieverbrauch zu minimieren und die CO2-Emissionen und
einem Drittel Nickel, Mangan und Cobalt enthalten. Sie weisen eine Energiekosten zu reduzieren.
lange Lebensdauer auf und sind für die Konnektivität mit einem Mik- Erneuerbare Energie wird mit einem konzentrierten Solarstromsystems
ronetz (einem sog. „Microgrid“) für die Speicherung außerhalb der
und einer Photovoltaik-Anlage gewonnen. Das Microgrid ging 2014
Spitzenzeiten gut geeignet.
in die Produktion, und die Installation fand unter der Leitung von
Dazu TEP-Sprecher Joe Barrios: „Das Unternehmen war auf der Suche Siemens statt.
nach kosteneffektiven, bewährten Energiespeichersystemen, um die
Dr. Mansueto Rossi von der Universität Genua: „Die Entscheidung
Zuverlässigkeit zu verbessern und gleichzeitig zu untersuchen, wie
innovative Technologien wie diese TEP dabei helfen können, mehr fiel für das Energiespeichersystem mit FIAMM-Natrium-Nickel-Akkus,
erneuerbare Ressourcen zu nutzen.“ Die aktuelle TEP-Kapazität aus weil diese kein komplexes Kühlsystem benötigen. Sie sind gegenüber
erneuerbaren Quellen beläuft sich auf ca. 530 Megawatt, was aus- widrigen Witterungsbedingungen ausgesprochen widerstandsfähig
reicht, um mehr als 110.000 Haushalte ein Jahr lang mit Strom zu ver- und für das Laden während des Tages und Entladen zu Spitzenzeiten
sorgen. ideal geeignet.“
NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017 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 vor-
herrschenden chemischen Zusammensetzungen von Akkus. Hybrid-Elektrofahrzeuge (Hybrid
Electric Vehicles, HEVs) verwenden in der Regel NiMH-Akkus, während Plug-in Hybrid-Elektro-
fahrzeuge (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEVs) und batterieelektrische Fahrzeuge (Battery
Electric Vehicles, BEVs) aufgrund ihrer höheren Energiedichte und anderer vorteilhafter Eigen-
schaften Li-Ion-Batterien nutzen.
Vorbereitung auf die Zukunft meisten derzeit verfügbaren Li-Ion-Batterien
Wenn PHEVs und EVs sich auf dem Markt enthalten Kathoden, die in erster Linie aus
durchsetzen, wird sich dies massiv auf Cobalt-Oxiden bestehen. Die Wirtschaftlich-
die Akku-Recycling-Branche auswirken. keit des Prozesses hängt von der Wiederge-
Akku-Recycling-Unternehmen investieren winnung des elementaren Cobalts ab. Akkus
derzeit viel Geld und bereiten sich auf die mit einem niedrigeren Cobaltgehalt, z. B. viele
Anforderungen der Zukunft vor. Dazu zählen der heute für Fahrzeuge gebauten, sind für
viel größere Recycling-Anlagen und die Fähig- das Recycling mit den gegenwärtigen Metho-
keit, Li-Ion-Batterien aus Fahrzeugen dieser den weniger attraktiv. Derzeit werden neuere
Art zu verarbeiten. Wenn die Akkuleistung Recycling-Prozesse entwickelt, um aktive
so weit nachlässt, dass sie für den Einsatz in Kathodenmaterialien (einschließlich des ent-
Fahrzeugen nicht mehr ausreicht, kann sie haltenen Lithiums) wiederzugewinnen, die in
durchaus noch für die sekundäre Nutzung in Akkus wiederverwendet werden könnten, und
Speicheranlagen von Versorgern geeignet sein. die viel wertvoller als ihre einzelnen Elemente
Irgendwann einmal nimmt die Leistung aber sind. Die Qualität der wiedergewonnenen
so weit ab, dass der Akku entsorgt werden Materialien muss gewährleistet sein.
muss. Nicht nur aus Gründen des Umwelt- Parallel zum technischen Fortschritt ändert
schutzes ist Recycling erforderlich: Die Akkus sich auch das regulatorische Umfeld für die
enthalten auch sehr viele wertvolle und recy- Batterie- und Akku-Industrie, das immer
clingfähige Materialien. Der wirtschaftliche strikter wird. Die europäische Batterierichtli-
Anreiz zum Akku-Recycling besteht im Wert nie, die besagt, dass Batterien und Akkus dem
der Lithium-Metalloxide, die in den Katho- Recycling zugeführt werden müssen, wird der- (PTFE) enthalten. Der Toyota Prius ist das
den dieser Akkus eingesetzt werden: Cobalt, zeit geprüft. China führte kürzlich gesetzliche weltweit bei weitem meistverkaufte HEV;
Nickel, Mangan, Kombinationen dieser drei Verordnungen ein, die die Verantwortung für Toyota setzt heute ganz auf NiMH-Akkus, in
Elemente, oder Phosphor und Eisen. Kupfer, das Recycling von Autobatterien auf den Fahr- denen das Unternehmen eine ausgereifte und
ISTOCKPHOTO.COM © BET_NOIRE
Aluminium und Stahl sind ebenfalls Kompo- zeughersteller übertragen. Derzeit gibt es in zuverlässige Batterietechnologie sieht. Ange-
nenten der Zellstruktur. Die Akkumerkmale den USA keine harmonisierten Vorschriften sichts der in den letzten fünf Jahren weltweit
variieren je nach Kathodenmaterial. Es wer- für das Batterie-Recycling. Die bestehenden jährlich verkauften 1,5 bis 1,8 Millionen HEVs
den viele verschiedene chemische Zusammen- Vorschriften gelten alle nur für die jeweiligen und einer Akkulebensdauer von zehn Jahren
setzungen verwendet. Bundesstaaten. Weltweit sind mehr Auflagen müssen immer mehr NiMH-Autobatterien
Wichtige Kathodenmaterialien in Li-Ion-Bat- und Vorschriften zu erwarten. dem Recycling zugeführt werden.
terien sind Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und Aufgrund der Probleme in Verbindung mit China
Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA), die 33-80 % Sammelsystemen wird geschätzt, dass der- Weltweit wurden 250.000 PHEVs verkauft,
Nickel enthalten. NMC wird in verschiede- zeit nur ca. 10 % der leeren Li-Ion-Akkus die wobei China aufgrund der hohen Anreize mit
nen Elektronikgeräten und in EVs eingesetzt. Sammelsysteme erreichen und letztendlich 29 % der wichtigste Markt ist. Dank seiner
NCA wird in 18650-Zellen von Panasonic in wiederverwertet werden. Die meisten dieser Anreizprogramme hat sich China auch zum
Tesla-Fahrzeugen und als Mischung mit Li- Akkus stammen aus tragbaren Elektronikpro- führenden EV-Markt entwickelt. 2016 wur-
thium-Mangan-Oxid (LMO) in anderen EVs dukten. den ca. 500.000 EVs verkauft, 55 % davon
verwendet. Weitere wichtige Kathodenmateri- in China. Die Industrie erwartet, dass die
Andere Batterien und Akkus, die derzeit dem
alien sind LiCoO2, LiMn2O4 und LiMPO4. Verkaufszahlen in den nächsten fünf Jahren
Recycling zugeführt werden, sind NiMH-Ak-
Neuere Recycling-Prozesse kus einschließlich solcher aus HEVs, die 23 % nach oben gehen werden, was bedeutet, dass
Je nach Kathodenzusammensetzung und Nickel, 4 % Cobalt, 7 % seltene Erden, 36 % Akku-Recycling-Unternehmen in den nächs-
Recycling-Prozess kann der Wert der wieder- Stahl, 18 % Kunststoff, 9 % Elektrolyte, 2 % ten Jahrzehnten immer mehr Li-Ion-Akkus
gewonnenen Zellmaterialien variieren. Die andere Metalle und 1 % Polytetrafluorethylen werden verarbeiten müssen.
10 NICKEL SONDER-LEITARTIKEL NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017EIN FÜHRENDES RECYCLINGUNTERNEHMEN
UMICORE BATTERY RECYCLING
WIKIMEDIA COMMONS
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-Recycling-
Prozesses ist das belgische Unternehmen Umicore Battery Recycling (UBR) ein führender
Recycler von NiMH- und Lithium-Ionen-Akkus. Mithilfe eines einzigartigen pyrometallurgischen
in Hoboken eine der weltweit größ-
ten Recycling-Anlagen für Li-Ion- und
NiMH-Akkus. 7.000 t =
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
± 250.000.000
wiederverwerten.
Mobiltelefon-Akkus
Die pyrometallurgische Phase von Umicore zerlegt die Batterien in drei Fraktionen:
± 2.000.000
• eine Legierung, die die wertvollen Metalle Cobalt, Nickel und Kupfer enthält;
E-Bike-Akkus
• eine Schlackenfraktion, die in der Bauindustrie zum Einsatz kommt. Die Schlacke aus Li-Ion-Ak-
kus bietet Möglichkeiten zur Lithium-Rückgewinnung. Die Schlacke von NiMH-Batterien kann ± 35.000
zu einem Konzentrat aus seltenen Erden verarbeitet werden, das dann in Zusammenarbeit mit EV-Akkus
Solvay weiter raffiniert wird, und
• reine Luft, die aus dem Kamin abgelassen wird, nachdem sie im einzigartigen Ultra High Tempe-
rature (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 BATTERIE- UND
als bestes verfügbares Verfahren für metallurgische Recycling-Prozesse. Sie dient dazu, auf sichere AKKUUMSATZ WELTWEIT
Weise große Volumen verschiedener Arten von Abfallströmen auf der Basis komplexer Metalle zu Die Batterie- und Akkubranche erzielte
behandeln. So unterscheidet sie sich von anderen Recycling-Technologien: 2016 einen Umsatz von 65 Mrd. US$
• Höhere Metallrückgewinnung als bei vorhandenen Prozessen, die resultierenden Produkte sind und verzeichnete von 1990 bis 2016 ein
sofort marktfähig; durchschnittliches jährliches Wachstum
von 5 %. Die Nutzung kathodenaktiver
• direkte Einspeisung der Akkus, wodurch potenziell gefährliche Vorbehandlungsverfahren ver-
Materialien ist von 6900 im Jahr 2000 auf
mieden werden;
178.000 im Jahr 2016 angestiegen, was
• das Gasreinigungssystem garantiert, dass alle organischen Verbindungen vollständig zersetzt ebenfalls das signifikante Wachstum in
und keine schädlichen Dioxine oder flüchtigen organischen Verbindungen (Volatile Organic dieser Branche belegt. Eine starke Nach-
Compounds, VOCs) erzeugt werden. Fluor wird sicher im Flugstaub aufgefangen; frage nach vielen verschiedenen Pro-
• Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen auf ein Minimum, indem die in dukten, die Akkus nutzen, z. B. tragbare
den Batteriekomponenten (Elektrolyt, Kunststoffe und Metalle) vorhandene Energie genutzt Elektronikgeräte, Handys, E-Bikes, Elek-
wird, sowie trowerkzeuge, E-Busse usw. treibt diese
• praktisch abfallfreies Verfahren. Entwicklung an. Die Verkaufszahlen von
Lithium-Ionen-Akkus stiegen zwischen
Im darauf folgenden hydrometallurgischen Prozess wird die Legierung weiter aufgearbeitet, sodass 2006 und 2016 jährlich um 22 %. Für
die Metalle in aktive Kathodenmaterialien für die Produktion neuer aufladbarer Akkus umgewan- den Zeitraum 2016-2025 prognostiziert
delt werden können.
Avicenne Energy für den Absatz von Li-
Umicore ist seit langer Zeit ein führender Lieferant wichtiger Materialien für in tragbaren Elektronik- thium-Ionen-Akkus ein kombiniertes jähr-
geräten sowie Hybrid- und Elektroautos genutzten Akkus. liches Wachstum von 13 % pro Jahr.
NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017 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 Unterta-
ge-Metallbergwerken. Förderunternehmen graben immer tiefer und wollen gleichzei-
tig wirtschaftlich arbeiten; außerdem wollen sie Diesel-Feinstaub aus der unterirdischen
Dazu zählen Lithium-Ionen-(Li-Ion)-An-
wendungen sowie die Natrium-Nickelchlo-
rid-Technologie. Li-Ion-Technologien bieten
Arbeitsumgebung beseitigen. Wenn diese Ziele mit der Einhaltung von Vorgaben hinsicht- verschiedene alternative Chemikalien. Die
lich umweltfreundlicher Energien kombiniert werden, wird schnell ersichtlich, dass es eine für Förderanwendungen attraktivsten Opti-
ganze Reihe von Faktoren für die Einführung batteriebetriebener Fahrzeuge gibt, die für onen sind LTO, LFP und NMC.
den Einsatz unter der Erde konstruiert werden.
„Schnell wiederaufl adbare LTO-Akkus schei-
„Das Interesse stammt aus zwei Quellen“, Derzeit werden drei Arten verwendet: nen für das Laden und den Transport von
so Jani Vilenius, Direktor für Forschung • Blei-Säure, Produkten von besonderem Vorteil zu sein,
und Technologieentwicklung im Bereich • Natrium-Nickel-Chlorid und weil sie schnell aufgeladen werden können
Gesteinsbohrer und Technologien bei Sand- • Lithium-Ionen – eine Unterkategorie, die und eine lange Zyklusdauer sowie von Natur
vik Mining and Rock Technology, einem der Lithium-Eisenphosphat (LFP), Lithium-Ti-
aus ausgezeichnete Sicherheitsmerkmale
ersten OEM-Unternehmen, das einen akku- tanat (LTO) und Lithium-Nickel-Man- aufweisen“, erläutert Vilenius. „Natrium-Ni-
betriebenen Gesteinsbohrer im Sortiment gan-Cobalt (NMC) umfasst.
ckelchlorid-Akkus bieten sich aufgrund
führt. „Batterietechnologien werden in Jede dieser Kategorien hat je nach der spe- ihres hohen Sicherheitsgrades und ihrer her-
anderen Branchen viel häufiger eingesetzt. zifischen Anwendung Stärken und Schwä- vorragenden volumetrischen Energiedichte
Daher fragen sich immer mehr Unterneh- chen. ebenfalls für den Bergbau an; sie gewähr-
men, ob sie auch im Bergbau verstärkt zur leisten eine ausreichende Betriebszeit und
Herkömmliche Blei-Säure-Akkus werden
Anwendung kommen können, was wiede- einen zufriedenstellenden Betriebsbereich.“
schon seit langer Zeit im Bergbau eingesetzt,
rum einen Technologieschub zur Folge hat.
insbesondere in Weichgestein-Anwendun- Das US-Unternehmen OEM MacLean
Andererseits werden die Bedingungen unter gen wie Kohle, Salz und Kali. Gegen eine wei- Engineering führte 2015 sein erstes Flotten-
Tage immer schwieriger, weshalb umwelt- tere Verbreitung sprechen aber Größe und
Elektrifi zierungsprogramm ein, das auf
freundlichere und effi zientere Technolo- Gewicht dieser Batterien, ihre begrenzte
der NMC-Akkutechnologie basierte. Das
gien benötigt werden. Die Herstellung von Energie- und Leistungskapazität, ihre
Programm führte zu drei im Jahr 2016
Batteriezellen wurde in den letzten Jahren beschränkte Zyklusdauer und die proble-
abgeschlossenen Projekten: zwei akkube-
hochgefahren, um mit den Entwicklungen matische Sicherheit.
triebene Deckenverschraubungsmaschinen
im Automobilsektor und bei umweltfreund- Viele moderne Batterietechnologien werden
und ein akkubetriebener Auslegerwagen.
lichen Energien Schritt zu halten. Förder- derzeit immer noch Pilottests unterzogen.
unternehmen haben erkannt, dass eine Andere wurden aber bereits von der Branche EV BT3 Auslegerwagen von MacLean
verbesserte Arbeitsumgebung mit höherer akzeptiert und das Marktinteresse wächst. Engineering nutzt NMC-Akkutechnologie
Luftqualität sowie die Anwendung neuer
Batterietechnologien die Produktivität
unter Tage steigern und für Innovationen
im Bergbau sorgen können.“
Was hat der Markt heute schon zu bieten?
Im Bergbau werden schon seit Jahrzehnten
Batterien und Akkus verwendet. Allerdings
ISTOCKPHOTO.COM © GKUNA
sind aufgrund von Fortschritten bei der
Chemie sowie damit verbundenen Techno-
logien wie Gleichstrommotoren und Lade- Caterpillar’s first battery-powered machine, the
STUART LISTER
technik die heutigen Akkus viel besser für R1300G (LHD) is currently undergoing trials at a
Caterpillar proving ground.
den Einsatz im Untertagebau geeignet.
12 AKTUELLE ANWENDUNGEN NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017For applications needing lower power and higher
energy-capacity-per-volume, sodium nickel
chemistry is used.
SANDVIK
Dazu Anthony Griffiths, Produktmanager „Unser wichtigstes Auswahlkriterium ist Bohranlage DD422iE von Sandvik
bei MacLean: „Die von uns für den Betrieb aber stets die Sicherheit. Bei Anwendun-
unserer Flotte gewählte chemische Zusam- gen, die eine geringere Leistung und höhere Blick in die Zukunft
mensetzung [NMC] hat die Gesamtlebens- Energiekapazität nach Volumen erfordern, Derzeit wird die überwältigende Mehrheit
dauer und die Anzahl der Ladezyklen im wird Natrium-Nickel verwendet. Für höhere der Untertagebau-Ausrüstung mit Diesel
angetrieben. Alle großen Förderunter-
Vergleich zu einem herkömmlichen Blei- Leistungsanforderungen dagegen verwen-
den wir LTO.“ nehmen der Welt evaluieren derzeit aber
Säure-Akku mindestens verdoppelt und in den Einsatz von mit Akkus betriebenen
manchen Fällen sogar verdreifacht.“ Vilenius bestätigt einen kontinuierlichen Maschinen. Bei mehreren laufen derzeit
Bedarf an Akkus mit höherer Energieka- Projekte zur Bereitstellung akkubasierter
Sandvik verwendet derzeit zwei verschie- pazität, wobei in naher Zukunft allerdings
dene Akku-Technologien. „Keine einzelne keine vielversprechenden Lösungen in Sicht Maschinen für den Produktionsbetrieb im
Technologie kann heutzutage den Anfor- sind. „Die Wahl der richtigen Akkutechno- großen Maßstab mit positiven Auswirkun-
gen auf die Marktakzeptanz. „Wir wissen
derungen verschiedener Anwendungen logie ist eine Frage mit mehreren Variablen,
von führenden Persönlichkeiten auf dem
gerecht werden. Daher muss die richtige wobei technische und finanzielle Aspekte
Bergbausektor, dass sie sich darüber im Kla-
Technologie für die jeweilige Anwendung zum Tragen kommen“, sagt er. „Bei einer ren sind, dass sich die Branche von Diesel
gewählt werden“, so Vilenius. Entscheidung für einige der derzeitigen weg und hin zu emissionsfreien Untertage-
Hochenergie-Alternativen müssten bei maschinen bewegt“, so Mike Kasaba von
EV 975 Omnia-Deckenverschraubungsmaschine wichtigen Eigenschaften wie der Sicherheit Artisan Vehicle Systems. „Zur entscheiden-
von MacLean Engineering Abstriche gemacht werden.“ den Wende für die gesamte Branche wird es
kommen, wenn wir demnächst von Erfolgen
bei großfl ächigen Bereitstellungsprojekten
hören. Wir glauben, dass bis 2020 alle Ange-
JAMES HODGINS, MINING INDUSTRIAL PHOTOGRAPHER
botsanfragen im Untertagebau nur noch
emissionsfreie Maschinen spezifi zieren
werden und alle verbleibenden Dieselma-
schinen 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 ie können wir Sonnenenergie für die Zeiten speichern, in denen die
Sonne nicht scheint? Wir wissen, dass Sonnenergie durch Umwandlung
ein Verfahren entwickelt, das die Stabilität und Effizienz deutlich verbessert
und die Kosten senkt. Dabei werden auf dem Markt angebotene Solarzellen,
in Wasserstoff gespeichert werden kann. Das Problem dabei: Die gegenwär- aber keine der üblichen seltenen Metalle verwendet.
tigen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff sind im Labor zwar vielver- Bei dem von den Forschern verfolgten Ansatz für die Entwicklung eines
sprechend, aber weiterhin zu instabil oder zu teuer und müssen weiterent- robusten Systems werden Komponenten kombiniert, die sich in der Branche
wickelt werden, damit sie im großen Maßstab kommerziell genutzt werden bereits als effektiv erwiesen haben.
können.
Der Prototyp besteht aus drei miteinander verbundenen kristallinen Silizi-
Die gute Nachricht: Forscher an der École Polytechnique Fédérale de Laus- umsolarzellen, die mit einem Elektrolysesystem gekoppelt sind, das keine
anne und am Schweizer Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie haben seltenen Metalle verwendet.
Der elektrochemische Teil des Prozesses erfordert einen aus Nickel herge-
stellten Katalysator. Nickel ist viel kostengünstiger und leicht erhältlich.
Wasserstoff geht die volle Distanz
Die Vorrichtung wandelt Solarenergie in Wasserstoff um und war unter Test-
© INFINI LAB / 2016 EPF
bedingungen bereits mehr als 100 Stunden ununterbrochen im Einsatz. Das
Verfahren, das frühere Bemühungen hinsichtlich Stabilität, Leistung, Lebens-
dauer und Kosteneffizienz übertrifft, wird im Journal of The Electrochemical
Society veröffentlicht.
„Ein in der Schweiz installiertes 12-14m2 großes System würde für die Erzeu-
gung und Speicherung von genug Wasserstoff ausreichen, um ein Brenn-
stoffzellenauto jedes Jahr über eine Strecke von mehr als 10.000 km anzu-
treiben“, so Christophe Ballif, Koautor der Studie. „Was die Leistung angeht, ist
das für Siliziumsolarzellen und die Wasserstofferzeugung ohne Verwendung
seltener Metalle ein Weltrekord.“
UNIVERSITY OF NEVADA
ERDBEBENFESTE BRÜCKE 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
dank intelligenter Nickel-Titan-Technologie starken Bebens; sie stürzen nicht ein, sondern bleiben einsatzfähig.
S 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
Materialien wie Nickel-Titan-Stäbe nachgebaut und
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
einer neuen Brückenausfahrt eines stark befahrenen Highways in Downtown Seattle ihr Debüt. „Wir haben das Problem der Überlebensfähigkeit
gelöst. Wir können dafür sorgen, dass eine Brücke
Moderne Brücken werden so konstruiert, dass sie die neue und zum ersten Mal in einem wichtigen auch nach einem starken Erdbeben noch einsatzfä-
bei einem Erdbeben nicht einstürzen. Diese neue Projekt eingesetzte Technologie in einem seismisch hig ist“, so Saiidi. „Mit diesen Verfahren und Mate-
Technologie führt diese Entwicklung noch einen aktiven Gebiet und bei starker Verkehrsbelastung
rialien leiten wir eine neue Ära der Errichtung erd-
Schritt weiter. In Erdbebentests im Labor kehrten angewendet wird“, erläuterte Saiid Saiidi, Professor
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
bestanden, nach einem Erdbeben mit einer Stärke Schäden beträchtlich reduziert werden und die Brü- vorne“, meint Tom Baker, Brücken- und Berech-
von bis zu 7,5 auf der Richterskala wieder in ihre cke kann auch nach einem starken Erdbeben weiter nungsingenieur für das Verkehrsministerium des
ursprüngliche Form zurück. befahren werden.“ 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
nis-Metallstäbe und flexible Betonverbundstoffe in gie zurückgeht, hat im Labor mehrere 200-Ton- könnten wir aber so bauen, dass es nicht einmal zu
einer ganzen Reihe von Brückenmodellstudien in nen-Brücken, einzelne Brückenpfeiler und Schäden kommt und Brücken nach einem Erdbe-
unserer großen Erdbebenversuchsanlage mit Shake Betonstreben mithilfe verschiedener Kombinatio- ben für Notfallfahrzeuge sowie den gewerblichen-
Table. Es ist sehr befriedigend zu beobachten, wie nen aus Konstruktionsvarianten und innovativen und Privatverkehr offen bleiben.“
14 NICKEL KURZMELDUNGEN NICKEL, JHRG. 32, NR. 1, MAI 2017Sie können auch lesen
