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Im Juli 2024 hatte Prime Lithium gemeldet, Li in höchstem Reinheitsgrad aus Spodumen (LiAl[Si2O6], Foto) herstellen zu können. Jetzt will das vom Chemiker und ehemaligen Lanxess-CEO Heitmann mitbegründete Unternehmen eine Pilotanlage in Stade bauen, die ab dem Jahr 2027 Lithiumhydroxid herstellen soll. Ab etwa 2030 sollen drei Produktionslinien jeweils 20 000 Jahrestonnen Li für insgesamt 1,5 Mio. Elektroautobatterien produzieren.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/VUtPQernS2SadmYSE37w">Kunzit ist eine Varietät des lithiumhaltigen Minerals Spodumen, aus dem in Stade Lithium gewonnen werden soll. Géry Parent, Public domain, via Wikimedia CommonsDer Geschäftsführer von Prime Lithium, Axel C. Heitmann, wird alleiniger Anteilseigner des Hamburger Unternehmens. Zu den bisher von ihm gehaltenen 15 % übernimmt er 85 % von der Deutschen Rohstoff AG, einer Holdinggesellschaft für Rohstoff- und Bergbauunternehmen in Mannheim.

Prime Lithium

Pilotanlage

Im Juli 2024 hatte Prime Lithium gemeldet, Li in höchstem Reinheitsgrad aus Spodumen (LiAl[Si2O6], Foto) herstellen zu können. Jetzt will das vom Chemiker und ehemaligen Lanxess-CEO Heitmann mitbegründete Unternehmen eine Pilotanlage in Stade bauen, die ab dem Jahr 2027 Lithiumhydroxid herstellen...

Um erneuerbare Energie effizient zu nutzen und CO2-Emissionen zu senken, braucht es zus&auml;tzliche Energiespeicher und ein besseres System, um die Stromnachfrage flexibel an die Verf&uuml;gbarkeit anzupassen. Wie lassen sich daf&uuml;r chemische Energiespeicher wie Wasserstoff einsetzen?
Durch die Elektrifizierung energie- und treibhausgasintensiver Prozesse sind der Klassifikationsgesellschaft DNV zufolge die globalen Stromspeicherkapazit&auml;ten bis Mitte des Jahrhunderts um das 17-Fache auszuweiten: Lag die Speicherkapazit&auml;t im Jahr 2023 noch bei 1,75 Terawattstunden, wird in rund 25 Jahren eine Kapazit&auml;t von 30 Terawattstunden n&ouml;tig sein.1) Auch f&uuml;r die W&auml;rmeversorgung ist mit einer Zunahme der ben&ouml;tigten Energiespeicherkapazit&auml;t zu rechnen, um auf treibhausgasneutrale W&auml;rme umzustellen. Da etwa im Winter und nachts kaum Strom aus Solar- und Windkraftwerken verf&uuml;gbar ist, sind Ersatzspeicher f&uuml;r &Ouml;l und Gas n&ouml;tig, etwa Holzabf&auml;lle oder Biogas.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/CoPHlNOITa6OeWUUbB5q">
<figcaption><label>Abb.1: </label>Energie l&auml;sst sich in chemischen Bindungen speichern und in fl&uuml;ssiger oder gasf&ouml;rmiger Form transportieren. So l&auml;sst sich der Energiesektor auch direkt mit anderen Sektoren koppeln, etwa der chemischen Industrie. Abbildung: leszekglasner / Adobe Stock</figcaption>
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<h2 type="main">Was chemische Speicher leisten k&ouml;nnen</h2>
Einen &Uuml;berblick zu Energiespeicheroptionen sowie speziell zur Stromspeicherung gaben wir bereits in fr&uuml;heren Ausgaben der Nachrichten aus der Chemie [Nachr. Chem. 2023, 71(9), 32; 2024, 72(10), 28].
Chemische Energiespeicher basieren auf reversiblen chemischen Reaktionen und schlie&szlig;en damit einen Stoffkreislauf. Verglichen mit anderen Speichern, etwa physikalisch-mechanischen, elektrischen oder elektrochemischen, hat das Vorteile:
<list>Die gravimetrische und volumetrische Speicherdichte der technisch relevanten chemischen Energiespeicher ist um ein bis zwei Gr&ouml;&szlig;enordnungen h&ouml;her als die von Lithiumionenakkus. Sie liegt etwa bei 12 kWh &middot; kg</list>&ndash;1<list> f&uuml;r Benzin, 33 kWh &middot; kg</list>&ndash;1<list> f&uuml;r Wasserstoff, 14 kWh &middot; kg</list>&ndash;1<list> f&uuml;r Methan und jeweils 6,4 kWh &middot; kg</list>&ndash;1<list> f&uuml;r Methanol und Ammoniak verglichen mit 0,1 &ndash; 0,3 kWh &middot; kg</list>&ndash;1<list> f&uuml;r Lithiumionenakkus.</list>2)<list><listitem> Die Speicherprodukte eignen sich deswegen f&uuml;r Anwendungen, bei denen die Elektrifizierung an Grenzen st&ouml;&szlig;t. Beispiele sind Flugzeuge oder &Uuml;berseeschiffe.</listitem><listitem>Das Trennen der Reaktionspartner unterbindet die chemische Reaktion. Dadurch ist die Speicherdauer theoretisch beliebig lang, und es gibt keine Selbstentladung.</listitem><listitem>Energie in chemischen Bindungen zu speichern erm&ouml;glicht, den Energiesektor mit anderen zu koppeln, beispielsweise dem Verkehr oder der chemischen Industrie. Elektrolytisch erzeugter Wasserstoff l&auml;sst sich etwa direkt als Rohstoff einsetzen, um Stahl oder Ammoniak herzustellen. Weil diese Prozesse bisher meist auf fossiler Energie basieren, zum Beispiel Kohle oder Erdgas, lassen sich so die Treibhausgasemissionen senken.</listitem></list>
<h2 type="main">Wo Wasserstoffenergie sinnvoll ist</h2>
Ein Nachteil chemischer Speicher ist verglichen mit Batteriespeichern die geringe Energieeffizienz. Wird beispielsweise Wasserstoff hergestellt, gespeichert und r&uuml;ckverstromt, ergibt das derzeit nur rund ein Drittel der urspr&uuml;nglich eingesetzten elektrischen Energie. Werden synthetische Kraftstoffe mit Wasserstoff hergestellt, reduziert sich dieser Wert durch zus&auml;tzliche Umwandlungsverluste nochmals.3) Mit dem Energieaufwand, der f&uuml;r ein mit synthetischem Kraftstoff betriebenes Fahrzeug n&ouml;tig ist, lie&szlig;en sich f&uuml;nf bis sechs Elektroautos betreiben.
Ziel muss also sein, regenerativen Strom m&ouml;glichst unmittelbar zu nutzen oder verlustarme Speicher einzusetzen, etwa Batterien oder physikalische Speicher. Lithiumionenbatterien etwa bieten Roduner et al. zufolge eine Energieeffizienz von 85 bis 98 Prozent [Nachr. Chem. 2024, 72(10), 28].
Chemische Speicher k&ouml;nnen sinnvoll sein, wenn keine Alternativen vorhanden sind oder wenn sich dadurch teure Infrastrukturinvestitionen vermeiden lassen.
Wie sich Wasserstoffenergie nutzen l&auml;sst, zeigt Tabelle 1. Wasserstoff ist wertvoller, wenn er als Rohstoff genutzt wird anstatt als chemischer Stromzwischenspeicher oder um W&auml;rme zu erzeugen. Wo Strom direkt zu einem Energie-effizienzgewinn f&uuml;hrt, sind statt Wasserstoff andere Optionen zu bevorzugen. Dies gilt beispielsweise beim Landverkehr mit batterieelektrischen Fahrzeugen, beim Erzeugen von W&auml;rme oder K&auml;lte mit W&auml;rmepumpen oder dem Nutzen von Prozessw&auml;rme. Wasserstoff eignet sich allerdings, um Eisen, Stahl und Grundchemikalien wie Ammoniak oder Methanol nahezu treibhausgasneutral herzustellen. Au&szlig;erdem l&auml;sst sich mit Wasserstoff regenerativ erzeugte Energie langfristig speichern, um die Energieversorgung in einer Dunkelflaute zu sichern oder Notstrom zum &Uuml;berbr&uuml;cken pl&ouml;tzlicher Versorgungsengp&auml;sse zur Verf&uuml;gung zu stellen.
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<figcaption><label>Tab.1: </label>Qualitativer Vergleich von H2-Nutzungsoptionen: je dunkler das Gr&uuml;n, desto besser.</figcaption>
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Zudem sind Wasserstoff und seine Speicherprodukte Methanol, Ammoniak oder nachhaltige Flugkraftstoffe auch f&uuml;r die Schiff- und Luftfahrt sowie den Schwerlasttransport auf Langstrecken relevant. Denn sie erfordern hohe Energiespeicherdichten, die sich nur durch chemische Speicher erreichen lassen.5)
<h2 type="main">CO2 vermeiden, Energie sparen</h2>
Rohstoffe aus der Natur k&ouml;nnen ebenfalls der Treibstoffproduktion dienen. Allerdings begrenzen Fl&auml;chenbedarf und Nutzungskonkurrenz durch andere Anwendungen die Rohstoffmengen. B&auml;ume und Holzreste sollten daher vorrangig als Baumaterial oder f&uuml;r Zellstoff genutzt werden, sodass Kohlenstoff f&uuml;r Jahrzehnte zwischengespeichert anstatt als CO2 in die Atmosph&auml;re emittiert wird. Zudem erfordert es viel Energie, Biomasse zum Herstellen von Grundchemikalien aufzubereiten, ihr beispielsweise das Wasser zu entziehen: n&auml;mlich etwa viermal so viel wie Verfahren, die fossile Rohstoffe nutzen.
Energiegewinn setzt CO2 frei &ndash; und diese Emissionen sollten so weit wie m&ouml;glich vermieden oder kompensiert werden. CO2 l&auml;sst sich zwar f&uuml;r den Kohlenstoffkreislauf reaktivieren: In der inversen Wassergas-Shift-Reaktion reagiert es mit Wasserstoff, beispielsweise aus der Wasserelektrolyse, zu Kohlenstoffmonoxid. Dieses l&auml;sst sich nutzen, um Methanol herzustellen. Das Reaktivieren von CO2 und Wasser zu Methanol erfordert allerdings eine hohe Reaktionsenthalpie von 7 MWh &middot; t&ndash;1, die sich in der Praxis durch W&auml;rmeverluste und Zusatzaggregate zu einem Energiebedarf von mehr als 10 MWh &middot; t&ndash;1 Methanol summiert. Die Methanolsynthese aus Synthesegas (CO + 2 H2) ist dagegen theoretisch um 0,8 MWh&middot;t&ndash;1 exotherm, weil Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff bereits reduzierte Formen von CO2 und Wasser sind. In der Praxis ben&ouml;tigt die Reaktion etwa 1 MWh &middot; t&ndash;1 Methanol.6)
Wird CO2 durch Direktsorption (Direct Air Capture) aus der Umgebungsluft gewonnen, ist es zudem aufzukonzentrieren. Auch das ist energieaufwendig. Insgesamt ben&ouml;tigt es drei- bis viermal mehr Energie, CO2 abzuscheiden und zu nutzen, als biogene Kohlenstoffverbindungen zu verwenden.5)
In Fermentations- oder Synthesegasanlagen und Biomassekraftwerken l&auml;sst sich CO2 energieg&uuml;nstig aus unvermeidbaren Emissionen abtrennen. Bei einer CO2-Konzentration von 20 bis 40 Prozent und einer Reinheitsanforderung von 90 Prozent sind 23 bis 45 kWh &middot; t&ndash;1 CO2 Energie n&ouml;tig7) &ndash; wenig verglichen mit Direct Air Capture bei CO2-Konzentrationen von unter einem Prozent, das h&ouml;herer Energien von mehreren Megawattstunden pro Tonne CO2 bedarf. Die Nutzungsoptionen von Biomasse lassen sich daher anhand des Energiebedarfs, des Erhalts von C&ndash;C-Bindungen und der CO2-Freisetzung priorisieren (Tabelle 2).
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<figcaption><label>Tab.2: </label>Biomasse-Nutzungsoptionen und deren Energiebedarf, Erhalt der C&ndash;C-Bindungen und CO2-Freisetzung. Anhand dieser Angaben lassen sich die Nutzungsoptionen priorisieren. Daten aus rechnerischen Absch&auml;tzungen W. H&uuml;bingers</figcaption>
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Derzeit basieren unsere Energiewirtschaft und Chemieindustrie haupts&auml;chlich auf fossilem Kohlenstoff: Gas und &Ouml;l sind nahezu ideale Rohstoffe f&uuml;r Energietr&auml;ger und Chemieprodukte. Fossile Rohstoffe enthalten von Natur aus viel chemisch gespeicherte Energie und lassen sich in Raffinerien durch Cracking oder mehrfache Destillation kosten- und energiesparender aufreinigen als etwa Biomasse. Die CO2-Emissionen auf Netto-Null zu reduzieren, wird daher Energie kosten. Wenn m&ouml;glich, sollte CO2 als Endprodukt deshalb vermieden werden. Das ist etwa bei der Biomassevergasung mit Wasserdampf m&ouml;glich, die Wasserstoff freisetzt. Das Wasser f&uuml;r den Wasserdampf ist meist bereits in der Biomasse enthalten.
Wird CO2 chemisch reduziert, etwa zu Ameisens&auml;ure, Formaldehyd, Methanol oder Methan, korreliert der Energieaufwand mit der ben&ouml;tigten Wasserstoffmenge (Diagramm rechts oben). In der Praxis sind zudem der Marktwert der Produkte sowie Energieverluste bei der Wasserstoffelektrolyse und der Synthese von Folgeprodukten zu ber&uuml;cksichtigen.
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<figcaption><label>Abb.2: </label>Energiebedarf pro Mol C1-Produkt aus der CO2-Hydrierung, errechnet aus den Standardbildungsenthalpien unter Ber&uuml;cksichtigung der H2-Erzeugung mit Elektrolyse. Daten aus rechnerischen Absch&auml;tzungen T. Osterlands auf Basis des NIST Chemistry WebBook: <a href="https://t1p.de/hszq1" target="_blank" rel="noopener">t1p.de/hszq1</a></figcaption>
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<h2 type="main">Was folgt</h2>
Priorit&auml;t muss in den n&auml;chsten zehn bis zwanzig Jahren die Defossilisierung der Energiewirtschaft haben. Fossil befeuerte Kraftwerke sind durch Wasserkraftwerke, Solarstrom und Windenergie zu ersetzen. Physikalische oder elektrochemische Energiespeicher sowie Biomasse-Kraftwerke k&ouml;nnen Dunkelflauten, etwa an tr&uuml;ben Tagen im Winter, &uuml;ber Tage bis Wochen &uuml;berbr&uuml;cken und Lastspitzen kappen, also den Stromverbrauch zu Spitzenlastzeiten reduzieren. Energie aus Biomasse ist dabei billiger, als Wasserstoff in Gaskraftwerken zu verfeuern. Der Gesamtwirkungsgrad von der elektrolytischen Wasserstofferzeugung &uuml;ber das Speichern bis zur R&uuml;ckverstromung liegt bei unter 50 Prozent.8)
Daher ist auch eine Elektrifizierung des Stra&szlig;enverkehrs folgerichtig: Batteriebetriebene Landfahrzeuge sind etwa 3,5-mal so effizient wie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren &ndash; und damit trotz h&ouml;herer Anfangsinvestition auf Dauer g&uuml;nstiger. Gleiches gilt f&uuml;r W&auml;rmepumpen.9)
Sektoren&uuml;bergreifend und unabh&auml;ngig von der Speicherart sind Anteil und Absolutmenge an nachhaltiger elektrischer und thermischer Energie verglichen mit dem jetzigen Zeitpunkt zu erh&ouml;hen. Nur so lassen sich die vertraglich vereinbarten Klimaziele in Deutschland und europa- sowie weltweit erreichen. Mit einem Anteil von 56 Prozent erzeugte Deutschland seinen Strom im Jahr 2023 erstmals mehrheitlich aus erneuerbaren Energiequellen.10) Bei gleichbleibenden Investitionen wird Deutschland noch mehr als 10 Jahre ben&ouml;tigen, um nahezu 100 Prozent zu erreichen. Da f&uuml;r alle Speicheroptionen viel Material und Energie n&ouml;tig sind, sollte der Speicherbedarf minimiert werden. Chemische Energiespeicher k&ouml;nnen Deckungsl&uuml;cken &uuml;berbr&uuml;cken und Anwendungen dienen, die eine hohe Energiedichte voraussetzen. F&uuml;r Strom und W&auml;rme gilt: Der &ouml;konomische Nutzen einer Speichermethode h&auml;ngt von der gesamten gespeicherten Energie ab &ndash; und damit von der Zahl der Lade- und Entladezyklen &uuml;ber einen gegebenen Zeitraum. Ein Langzeit-Speicher, der nur wenige Zyklen pro Jahr durchl&auml;uft, darf entsprechend nur wenig kosten, um wirtschaftlich zu sein.
<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>
Chemische Energie l&auml;sst sich theoretisch beliebig lange speichern, denn das Trennen der Reaktionspartner stoppt die Reaktion.
Die Speicherdichte von Wasserstoff, Methan oder Ammoniak ist um ein bis zwei Gr&ouml;&szlig;enordnungen h&ouml;her als die von Lithiumionenakkus.
Chemische Speicher eignen sich daher etwa f&uuml;r Flugzeuge, &Uuml;berseeschiffe oder Langzeitspeicher zur Notstromversorgung.
Chemische Bindungen zu erhalten und CO2 als Endprodukt zu vermeiden spart Energie, etwa bei der Biomassenutzung.
<h2 type="main">Die Autoren</h2>
Den Beitrag verfasst haben Thomas Osterland (Foto), Wolfgang H&uuml;binger und Emil Roduner. Osterland ist seit 2015 Professor f&uuml;r chemische Technologie an der Hochschule Augsburg in der Fakult&auml;t Maschinenbau und Verfahrenstechnik. H&uuml;binger erarbeitet bei BASF in Ludwigshafen Langfriststrategien, abgeleitet aus Technologieentwicklung, Forschungssteuerung und Scouting. Roduner ist Professor f&uuml;r physikalische Chemie an der Uni Stuttgart sowie au&szlig;erordentlicher Professor der Uni von Pretoria (im Ruhestand).<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/0Lot5HYcQXSkSNyWjbQi">
Foto: Saskia Schweizer
<ul class="references" cited="no" xml:id="nadc20254148276-bibl-0001">
<li xml:id="nadc20254148276-bib-0001">1 DNV Energy Transition Outlook 2024: <a href="https://dnv.de/energy-transition-outlook/download/" target="_blank" rel="noopener">dnv.de/energy-transition-outlook/download/</a></li>
<li xml:id="nadc20254148276-bib-0002">2 A. A. Nkembi, M. Simonazzi, D. Santoro, P. Cova, N. Delmonte, Batteries 2018, 10, 88, doi: <accessionid ref="info:doi/10.3390/batteries10030088">10.3390/batteries10030088</accessionid></li>
<li xml:id="nadc20254148276-bib-0003">3 Staiger, R., Tantau, A., Analyse von Power-to-X-Anwendungen mit gr&uuml;nem Wasserstoff. In: Gesch&auml;ftsmodellkonzepte mit gr&uuml;nem Wasserstoff. Sustainable Management, Wertsch&ouml;pfung und Effizienz, 2024, Springer Gabler, Wiesbaden, doi: <accessionid ref="info:doi/10.1007/978-3-658-30576-5">10.1007/978-3-658-30576-5</accessionid></li>
<li xml:id="nadc20254148276-bib-0004">4 R. Gloor, Energiesparm&ouml;glichkeiten in S&auml;gereien, [Hrsg.: Schweizer Bundesamt f&uuml;r Konjunkturfragen (Bfk)], 1996</li>
<li xml:id="nadc20254148276-bib-0005">5 J. Clausen, Das Wasserstoffdilemma: Verf&uuml;gbarkeit, Bedarfe und Mythen, Berlin, 2022</li>
<li xml:id="nadc20254148276-bib-0006">6 Rechnerische Absch&auml;tzungen von Wolfgang H&uuml;binger</li>
<li xml:id="nadc20254148276-bib-0007">7 M. Bui, C. S. Adjiman, A. Bardow, E. J. Anthony, A. Boston et al., Energy Environ. Sci. 2018, 11, 1062, doi: <accessionid ref="info:doi/10.1039/C7EE02342A">10.1039/C7EE02342A</accessionid></li>
<li xml:id="nadc20254148276-bib-0008">8 A. J. Headley, S. Schoenung, Hydrogen Energy Storage: <a href="https://t1p.de/qwztu" target="_blank" rel="noopener">t1p.de/qwztu</a></li>
<li xml:id="nadc20254148276-bib-0009">9 W. Brinker, Bunsen-Magazin 2022, 3, 72</li>
<li xml:id="nadc20254148276-bib-0010">10 Destatis-Pressemeldung: <a href="https://t1p.de/ozzwa" target="_blank" rel="noopener">t1p.de/ozzwa</a></li>
</ul>

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