Brief aus England

Die einzige Ausnahme ist jedoch Saudi-Arabien. Das Land hat damit begonnen, eine riesige neue Stadt in der Wüste zu bauen – Neom. Sie ist das Herzstück der saudischen „Vision 2030“ und wird voraussichtlich ca. 1 Billion Dollar kosten. Prinz Mohammed Bin Salman, der das Projekt vorantreibt, behauptet, dass es bis zum Jahr 2030 fertiggestellt sein wird, obwohl das nur wenige glauben. Für das Konzept gibt es nur ein Wort: Unglaublich. Das Herzstück von Neom soll die so genannte „The Line“ sein, in der 1 Million Menschen leben werden. Dies wäre eine ca. 160 km lange, 500 m hohe und 200 m breite Gebäudemauer, die sich vom Roten Meer bis in die Tabuk-Wüste erstreckt. Neom soll vollständig mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Innerhalb von „The Line“ ist eine Eisenbahnlinie geplant. Züge sollen mit ca. 500 km/h, also etwa der gleichen Geschwindigkeit wie der japanische Shinkansen, fahren und damit etwa 20 Minuten für die Fahrt von einem Ende der Strecke zum anderen benötigen. Masterplaner von Neom ist das US-Unternehmen Morphosis (www.morphosis.com), das von dem preisgekrönten Architekten Thom Mayne geleitet wird. In Abbildung 1 ist „The Line“ auf einer Karte des Nahen Ostens dargestellt.

Abb. 2: Unterschiedliche Regionen der Mega-City Neom

Es besteht kein Zweifel daran, dass Neom gebaut wird und dass die Saudis über die enormen finanziellen Mittel dazu verfügen. Abbildung 2 gibt einen Eindruck des Konzepts. Für die deutsche Industrie ist das eine Riesenchance, da es in Saudi-Arabien so gut wie keine lokalen Hersteller gibt. Türen, Fenster, Stahlträger, Elektrokabel und -armaturen, Wasserleitungen, Kläranlagen – die Liste ist endlos. Ganz zu schweigen von den Eisenbahn- und anderen Transportanforderungen. Geplant ist auch ein schwimmender Industriekomplex – Oxagon, so genannt wegen seiner Form. Es wird eine riesige Entsalzungsanlage geben, und Wasserstoffherstellung – und auch, bevor ich es vergesse – ein Skigebiet, namens Trojena.

So viele Fragen!

Die Saudis bauen die neue Stadt Neom in einer der unwirtlichsten Gegenden der Welt. Kaum Niederschläge und Sommertemperaturen, die bei 44 °C liegen, aber bis zu 50 °C erreichen können – und mit der globalen Erwärmung werden diese Zahlen mit Sicherheit noch steigen. Ja, es wird Solarenergie geben – aber die Mega-City wird Stromspeicherung für ca. 12 Stunden pro Tag benötigen. Aber eigentlich geht es um Folgendes: In dieser neuen Stadt wollen die Saudis neue Industrien und neue Einnahmequellen schaffen. Gegenwärtig hat das Land ein jährliches Einkommen von ca. 150 Milliarden Dollar aus Öl und Gas und verwandten Kohlenwasserstoffen. Der Plan sieht vor, dieses Einkommen durch die Schaffung von Industrien und anderen Aktivitäten zu ersetzen, die denen in Deutschland, England oder Frankreich ähneln. Dazu gehören die verarbeitende Industrie, das Bankenwesen und andere Finanzaktivitäten sowie der Tourismus – einschließlich Skifahren! Mit anderen Worten: Sie wollen mit uns hier in Europa konkurrieren. Am Standort Oxagon ist eine Investition von 8,4 Milliarden US-Dollar geplant, um ein neues Unternehmen, die Neom Green Hydrogen Company (NGHC), zu gründen, die Ammoniak aus grünem Wasserstoff herstellen soll. Ist dies eine Phantasie oder eine ernsthafte Herausforderung? Ich überlasse es den Lesern, ihre eigenen Schlüsse zu ziehen.

Lithium ist nicht der einzige Spieler auf dem Batterienmarkt

Niob-Graphen-Batterien sollen in Singapur entwickelt werden und zwar am Centre for Advanced 2D Materials (CA2DM) der National University of Singapore (NUS), das das erforderliche Niob-Oxyd vom dem brasilianischen Niob-Spezialisten Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração ( CBMM) erhält (Abb. 3).

Abb. 3: NUS-CA2DM-Forscher Dr. Govindan Kutty Rajendran Nair, Dr. Sergio G. Echeverrigaray und Dr. Yang Jie bei der Arbeit im Trockenraum des CBMM-CA2DM Advanced Battery Laboratory

Nach Angaben der NUS dient Niob (ein relativ häufig vorkommendes und umweltfreundliches Material) als primäres aktives Material in der negativen Elektrode der Batterien, während es gleichzeitig als Zusatzstoff in der positiven Elektrode verwendet wird.

Graphen wird sowohl in der negativen als auch in der positiven Elektrode verwendet, um die elektronische Leitfähigkeit und die strukturelle Stabilität zu erhöhen. In der negativen Elektrode ermöglicht die einzigartige Kristallstruktur der Niobwerkstoffe ein schnelles Aufladen, ohne die Struktur zu beschädigen. In der positiven Elektrode können Niob-Materialien die Ionenleitfähigkeit erhöhen und das aktive Material vor Degradation schützen.

Außerdem verbessert die geringe Dichte von Graphen die elektronische Leitfähigkeit beider Elektroden erheblich, ohne die Gesamtenergiedichte der Batterie zu beeinträchtigen.

Die Batterien werden im neuen CBMM-CA2DM Advanced Battery Laboratory getestet, das am 22. Mai 2023 von der NUS und dem CBMM eröffnet und mit einer gemeinsamen Investition von 3,8 Mio. US-Dollar über drei Jahre mit Unterstützung der Nationalen Forschungsstiftung Singapurs eingerichtet wurde. Der endgültige Prototyp der Niob-Graphen-Batterie soll im ersten Quartal 2024 fertiggestellt werden.

Rogerio Ribas, CBMMs globaler Leiter für Batterien, sagte: „Da die neuen Graphen-Niob-Batterien eine längere Lebensdauer haben (schätzungsweise 30 Jahre), senken sie die Gesamtbetriebskosten im Vergleich zu bestehenden Lithium-Ionen-Batterien erheblich und lassen sich ultraschnell aufladen, in der Regel in ca. 10 Minuten. Darüber hinaus bieten sie eine höhere Sicherheit, da selbst bei hohen Temperaturen keine Explosionsgefahr besteht.

Ribas erklärte: „Sie sind die ersten Batterien, bei denen Niobanwendungen sowohl auf der Kathode als auch auf der Anode kombiniert werden, und bieten Vorteile wie eine höhere Eingangs- und Ausgangsleistung, einen breiteren Temperaturbetriebsbereich und einen höheren Ladezustand, so dass sie für spezifische Märkte wie kommerzielle und industrielle Anwendungen entwickelt werden können, darunter regenerative Bremssysteme für Hybridfahrzeuge, Schwerlastanwendungen, Intralogistik, schnurlose Elektrowerkzeuge und andere.“

Und Kalzium?

Eine Forschungsgruppe an der Tohoku-Universität in Japan hat den Prototyp einer wiederaufladbaren Kalzium (Ca)-Metall-Batterie entwickelt, die 500 Zyklen wiederholter Ladung/Entladung aushält. Kalzium-Metall-Batterien könnten eine Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) darstellen, da Kalzium reichlich vorhanden und kostengünstig ist und eine höhere Energiedichte als LIBs aufweist. Es wird auch angenommen, dass die Eigenschaften des Elements dazu beitragen, den Ionentransport und die Diffusion in Elektrolyten und Kathodenmaterialien zu beschleunigen, was ihm einen Vorteil gegenüber anderen LIB-Alternativen wie Magnesium und Zink verschafft. Trotz dieser Vorteile stehen Kalzium-Metall-Batterien vor mehreren Herausforderungen, die überwunden werden müssen, bevor sie kommerziell nutzbar sind. Das Fehlen eines effizienten Elektrolyten und das Fehlen von Kathodenmaterialien mit ausreichender Ca2+-Speicherfähigkeit haben sich als die größten Hindernisse erwiesen.

Im Jahr 2021 lieferten einige Mitglieder der aktuellen Forschungsgruppe eine Lösung, als sie einen neuen fluorfreien Kalziumelektrolyten auf der Grundlage eines Wasserstoffclusters (Monocarboran) entwickelten (Abb. 4). Der Elektrolyt soll deutlich verbesserte elektrochemische Leistungen wie hohe Leitfähigkeit und hohe elektrochemische Stabilität gezeigt haben. „In unserer aktuellen Forschung haben wir den Langzeitbetrieb einer Ca-Metall-Batterie mit einer Kupfersulfid (CuS)-Nanopartikel/Kohlenstoff-Verbundkathode und einem Elektrolyten auf Hydridbasis getestet“, so Kazuaki Kisu, Assistenzprofessor am Institut für Materialforschung (IMR) der Tohoku-Universität in Japan.

Abb. 4: Wasserstoff-Cluster-Elektrolyt

CuS, ebenfalls ein natürliches Mineral, hat günstige elektrochemische Eigenschaften wie seine Schichtstruktur, die es ihm ermöglicht, eine Vielzahl von Kationen zu speichern, darunter Lithium, Natrium und Magnesium. Es hat eine große theoretische Kapazität von 560 mAh g^-1, die zwei- bis dreimal höher ist als die der derzeitigen Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien.

Durch Nanopartikulation und Komposition mit Kohlenstoffmaterialien gelang es Kisu und seinen Kollegen, eine Kathode zu schaffen, die große Mengen an Kalziumionen speichern kann. In Verbindung mit dem hydridartigen Elektrolyt haben sie eine Batterie mit einer sehr stabilen Zyklusleistung hergestellt. Der Batterieprototyp behielt über 500 Zyklen eine Kapazität von 92 %, bezogen auf die Kapazität des 10. Zyklus. Die Gruppe glaubt, dass ihr Durchbruch dazu beitragen wird, die Forschung an Kathodenmaterialien für Batterien auf Kalziumbasis voranzutreiben.

„Unsere Studie bestätigt die Machbarkeit von Ca-Metall-Anoden für den Langzeitbetrieb, und wir hoffen, dass die Ergebnisse die Entwicklung von Ca-Metall-Batterien vorantreiben werden“, so Kisu in einer Erklärung.

Calcium Metal Batteries with Long Cycle Life Using a Hydride-Based Electrolyte and Copper Sulfide Electrode; Kazuaki Kisu, Rana Mohtadi, Shin-ichi Orimo. Advanced Science, 19 May 2023. https://doi.org/10.1002/advs.202301178

Ein neuer Akteur auf dem Gebiet der Energiespeicherung?

Rimac Technology, ein kroatischer Entwickler von EV-Komponenten und -Systemen, tritt mit der Gründung von Rimac Energy in den Markt für stationäre Energiespeichersysteme (ESS) ein. Das Start-up-Unternehmen hat eine neuartige Batteriearchitektur entwickelt, von der behauptet wird, dass sie die Effizienzverluste um bis zu 50 % reduziert und gleichzeitig den Platzbedarf des Systems um bis zu 40 % im Vergleich zu aktuellen fortschrittlichen Lösungen verringert. Zu den weiteren technologischen Vorteilen gehören eine verbesserte Zykluslebensdauer und eine eingebaute Redundanz zur Erhöhung der Verfügbarkeit. Teddy Szemberg O'Connor, Manager für fortschrittliche Batteriesoftware bei Rimac Energy, sagte, dass die Lösung hochgradig skalierbar ist – sie soll Systeme von 770 kWh bis zu über 1 GWh ermöglichen. „Wir wählen dann aus einer Reihe gemeinsamer Bausteine aus, um eine optimale Lösung für unsere Kunden zu finden“, sagte er. „Unser Clean-Sheet-Design nutzt die besten Erkenntnisse aus unserer Fahrzeugtechnologie und passt sie für stationäre Speicher an. Wir wollen 2025 mit der Massenproduktion beginnen und eine zweistellige GWh-Zahl erreichen“.

Rimac Energy wird sich in erster Linie auf Kontinentaleuropa konzentrieren, wo die Hauptanwendungsfälle für große kommerzielle, industrielle und Versorgungsanwendungen liegen werden. Batteriegepufferte Lösungen für Schnell- und MW-Ladungen sind ebenfalls in Arbeit, sagte das Unternehmen. Szemberg O'Connor fügte hinzu, dass Rimac Energy Systeme entwickelt, die nicht an eine bestimmte Batteriechemie gebunden sind, und dass das Unternehmen an mehreren Zellchemien arbeitet, um seinen Kunden Systeme anbieten zu können, die ihren Bedürfnissen am besten entsprechen.

Das Unternehmen ist derzeit mit mehreren Kunden im Gespräch, darunter ist ein Pilotprojekt mit einem Unternehmen für erneuerbare Energien, das Batteriespeicherlösungen für seine Solar- und Windkraftanlagen anbieten will. Diese Pilotsysteme werden voraussichtlich bis Ende dieses Jahres produziert und 2024 in Betrieb genommen. Die Technologie von Rimac Energy wird in den Anlagen von Rimac am Rande von Zagreb, Kroatien, entwickelt und hergestellt und soll noch in diesem Jahr vorgestellt werden. Mein Kommentar? „Mutige Worte - warten wir es ab“.

Fossile Brennstoffe haben noch ein Leben

Ja, es scheint, als hätten Erdgas und vielleicht sogar Kohle noch eine Zukunft. RWE wird drei neue Projekte zur Kohlenstoffabscheidung in Großbritannien entwickeln, die Teil des Plans sind, bis 2040 kohlenstoffneutral zu werden. Im Rahmen dieses Plans entwickelt RWE Vorschläge für den Einsatz der Abscheidungstechnologie in seinem GuD-Kraftwerk Pembroke (Wales), die eine langfristige Erzeugung von bis zu 2,2 GW und eine CO₂-Abscheidung von bis zu 5 Mio. t/Jahr ermöglichen würde. Das Unternehmen erklärte, dass es die Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid (Carbon Capture and Storage - CCS) für eine praktikable Lösung hält, um eine dekarbonisierte, zuverlässige und einsatzbereite Stromerzeugung zu gewährleisten und gleichzeitig das Ziel des Vereinigten Königreichs zu unterstützen, sein Stromsystem bis 2035 zu dekarbonisieren.

Tom Glover, RWE-Länderchef für Großbritannien, kommentierte in einer Erklärung: „Um den Stromsektor zu dekarbonisieren, die Versorgungssicherheit zu unterstützen und die Dekarbonisierung der Industrie in großem Maßstab zu ermöglichen, ist es wichtig, dass saubere Gaserzeugungsprojekte entwickelt werden. Die Kohlenstoffabscheidung kann den Ausbau anderer erneuerbarer und kohlenstoffarmer Technologien unterstützen, indem sie die Energiesicherheit durch eine sichere und flexible Stromversorgung unabhängig vom Wetter gewährleistet.“Das Projekt ist ein wichtiger Teil des Pembroke Net Zero Centre (PNZC) von RWE, einer technologieübergreifenden Dekarbonisierungsinitiative in Südwales, die als Teil des South Wales Industrial Cluster die breitere Dekarbonisierung der Industrie in der Region unterstützt. Das PNZC vereint die Dekarbonisierung des gasbefeuerten Kraftwerks Pembroke: die Produktion von grünem Wasserstoff am Standort und die Entwicklung von schwimmenden Offshore- Windkraftanlagen in der Keltischen See. Neben Pembroke betreffen die anderen Projekte das bestehende RWE-Kraftwerk in Staythorpe und ein neu zu bauendes Gaskraftwerk mit Kohlenstoffabscheidung in Stallingborough. Alle drei befinden sich in der Nähe der geplanten CO₂-Netze oder haben Zugang zu Verschiffungsanlagen, die den Transport und die Lagerung des CO₂ ermöglichen würden. RWE ist heute weltweit führend bei der Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid.

Neuer Sensor für hohe Temperaturen in extremen Umgebungen

Forscher der University of Houston (UH) haben einen Sensor entwickelt, der nachweislich bei Temperaturen von bis zu 900 °C funktioniert – eine Erfindung, die unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, im Energiesektor, im Transportwesen und in der Verteidigung Anwendung finden dürfte (Abb. 5).

Abb. 5: Ein Forscher der University of Houston hält einen neu entwickelten piezoelektrischen Sensor in der Hand, der nachweislich bei extrem hohen Temperaturen funktioniert

In der petrochemischen Industrie muss der Druck in Pipelines in einem Klima überwacht werden, das von heißer Wüstenhitze bis zu arktischer Kälte reicht. Verschiedene Kernreaktoren arbeiten in einem Temperaturbereich von 300–1000 °C, während bei der Geothermie in der Tiefe Temperaturen von bis zu 600 °C herrschen.„Hochempfindliche, zuverlässige und langlebige Sensoren, die solchen extremen Umgebungen standhalten können, sind für die Effizienz, Wartung und Integrität dieser Anwendungen erforderlich“, so Jae-Hyun Ryou, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der UH. Das Forschungsteam hat zuvor einen piezoelektrischen III-N-Drucksensor aus einkristallinem Galliumnitrid (GaN-Dünnschichten) für Anwendungen in rauen Umgebungen entwickelt. Die Empfindlichkeit des Sensors nimmt jedoch bei Temperaturen über 350 °C ab, was nur geringfügig höher ist als bei herkömmlichen Wandlern aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT).

Das Team vermutete, dass die Abnahme der Empfindlichkeit auf eine zu geringe Breite der Bandlücke zurückzuführen ist. Um diese Hypothese zu testen, entwickelten sie einen Sensor mit Aluminiumnitrid (AlN).„Die Hypothese wurde dadurch bewiesen, dass der Sensor bei etwa 1000 °C arbeitet, der höchsten Betriebstemperatur unter den piezoelektrischen Sensoren“, so Nam-In Kim, Erstautor des Artikels und Post-Doktorand in der Ryou-Gruppe.AlN und GaN haben zwar einzigartige und hervorragende Eigenschaften, die sich beim Einsatz von Sensoren in extremen Umgebungen eignen, aber die Forscher fanden heraus, dass AlN eine größere Bandlücke und einen noch größeren Temperaturbereich bietet.Nachdem die Forscher das Potenzial der piezoelektrischen Hochtemperatursensoren mit AlN erfolgreich nachgewiesen haben, werden sie sie nun unter realen, rauen Bedingungen weiter testen.

„Unser Plan ist es, den Sensor in verschiedenen rauen Szenarien einzusetzen, z. B. in Kernkraftwerken für Neutronenexposition und Wasserstoffspeicherung, um ihn unter hohem Druck zu testen“, so Ryou in einer Erklärung. „AlN-Sensoren können dank ihrer stabilen Materialeigenschaften in neutronenbelasteten Atmosphären und in sehr hohen Druckbereichen arbeiten.“Laut Houston bietet die Flexibilität des Sensors zusätzliche Vorteile, die ihn für künftige Anwendungen in Form von tragbaren Sensoren in persönlichen Gesundheitsüberwachungsprodukten und für den Einsatz in der präzisionsmessenden Soft-Robotik nutzbar machten.

„Piezoelectric Sensors Operating at Very High Temperatures and in Extreme Environments Made of Flexible Ultrawide-Bandgap Single-Crystalline AlN Thin Films“; Nam-In Kim, Miad Yarali, Mina Moradnia, Muhammad Aqib, Che-Hao Liao, Feras AlQatari, Mingtao Nong, Xiaohang Li, Jae-Hyun Ryou. Published: 02 March 2023 in Advanced Functional Materials. https://doi.org/10.1002/adfm.202370056