Elektromobilität: Entwicklungspotenzial in Sachen Batterie

Glaubt man so manchem Visionär, wird sich die Elektromobilität im Pkw-Bereich langfristig durchsetzen. Motor dieser Entwicklung ist … der Elektromotor. Er ist klein, leicht, leise, einfach aufgebaut (also servicefreundlich) und verfügt über gewaltiges Drehmoment schon vom Stand weg. Auch seine Peripherie gibt sich reduziert: Getriebe, Lichtmaschine, Starter, Kühler, Auspuffanlage – alles unnötig.

Vor allem aber ist der Elektromotor unheimlich effizient. Mit einem Wir­kungs­grad von bis zu 95 Prozent stellt er den Verbrennungsmotor (bestenfalls 40 Prozent) weit in den Schatten. Benötigt ein Dieselmotor etwa fünf Liter pro 100 Kilometer, käme ein gleich starker Elektromotor im theoretischen Energievergleich mit zwei Litern aus, auf­grund der fehlenden peripheren Energiefresser wären es sogar nur rund 1,5 Liter.

Dennoch ranken sich ums geniale Aggregat eine Reihe von Problemen: Etwa die noch lü­cken­­hafte Lade-Infrastruktur, die derzeit Firmen und Eigenheimbesitzer mit Garage bevorzugt, Wohnungsmietern aber den Kauf eines Elektroautos vergällt. Und natürlich die Batterie, der Klotz am Bein des flotten Stromers schlechthin. Sie vereint neben ihrer energieaufwändigen Herstellung und den begrenzt vorhandenen Bestandteilen (Lithium etc.) auch zwei un­mittelbare Nachteile: geringe Reich­­weite und lange Ladedauer.

Forschung am Elektroauto: Im Bereich der Batterie sind derzeit die größten Entwicklungssprünge zu erwarten. Neue Technologien könnten die Reichweiten von Strom-Fahrzeugen deutlich vergrößern.

Wieder ein theoretischer Ener­­gievergleich: Ein Liter ­Die­sel speichert zehn Kilowattstunden Energie. Eine Batterie mit gleicher Speicherkapazität wiegt fast 100 Kilo. Eine Batterie mit etwa 40 Kilowattstunden ist etwa 300 Kilogramm schwer. Ohnehin faszinierend, dass man damit über 250 Kilometer weit stromen kann. Denkt man sich nun eine (leistbare und nicht zu große) Batterie, die so viel Energie speichern könnte wie ein ­­40 Li­ter-Tank, hätte man eine Reichweite von mehr als 2500 Kilometern.

Logisch daher, dass sich die Entwickler ganz besonders auf das Akku-Thema stürzen. Mehrere neue Konzepte werden momentan angedacht, ihre Seri­enreife könnte innerhalb der nächs­ten zehn Jahre erfolgen.

Eines davon ist die Lithium-Luft-Batterie. Im Un­terschied zum Lithium-Ionen-Akku bezieht diese Sauerstoff in den Lade- und Entlade­vor­gang zwischen den beiden Elektroden mit ein, die wie gewohnt aus Lithium und Kohlen­stoff (z. B. Graphit) bestehen. Die Energiespeicher-Fähigkeit ist um ein 10- bis 20-Faches höher, allerdings gibt es diverse Probleme. Eines davon ist Korrosion, ein anderes Kristall­bildung. Deshalb ist man von der Realisierung noch ein ganzes Stück entfernt.

Diese Entwicklungs-Ärgernisse fallen weg, wenn der Elektrolyt nicht flüssig ist, sondern aus Glas oder Keramik besteht – wie bei der Feststoff-Batterie. Der Fest-Elektrolyt bietet zwar „nur“ die doppelte Energiedichte einer Lithium-Ionen-Batterie, was bei gleicher Größe aber immer noch für die doppelte Reichweite sorgt. Dazu ist die Batterie äußerst hitze­beständig und muss daher nicht gekühlt werden.

Fisker will seine künftige Sportlimousine EMotion ab 2023 mit einer Feststoff-Batterie ausstatten, deren Reichweite doppelt so groß ist wie die eines Lithium-Ionen-Akkus.

Feststoff-Batterien sind nicht brennbar, die Selbstent­ladung ist minimal. Sie erlauben eine weit höhere Anzahl an Ladezyklen und sind unempfindlich gegenüber extrem schnellen Ladevorgängen. Den sofortigen Serien-Einsatz verhindert primär ihre geringe Leistungs­dichte. Sprich: Der Stromfluss ist für eine spontan hohe Leistungsabgabe nicht schnell genug. Ein Problem, dass die Entwickler in den nächsten Jahren in den Griff kriegen könnten, weshalb die Feststoff-Batterie wohl früher auf den Markt kommen wird als die Lithium-Luft-Variante.
Sehr hohe Batterie-Kapazitäten bringen aber das Problem von ewig langen Ladezeiten mit sich, das nur mit einer unrea­lis­tisch starken Infrastruktur weit über dem derzeit übli­chen Maxi­mum von 50 Kilowattstunden gelöst werden könnte.

Oder mittels Fluss­zellen-Tech­nologie, an der das Schweizer Unternehmen nanoFlow-­cell forscht. Zum La­den dieser Mischform aus Batterie und Brenn­stoffzelle benötigt man keinen Stromfluss, denn der ver­brauchte (flüssige) Elektrolyt wird einfach durch einen frisch geladenen er­setzt. Zum Auffüllen würde man wie gewohnt eine Zapfsäule ansteuern, der Tank­vor­gang des geladenen Elektrolyts wäre nicht länger als bei einem normalen Diesel oder Benziner.

Als weitere Vorteile nennt nanoFlowcell Reichweiten von 1000 Kilometern, hohe Umwelt­freundlichkeit, völlige Ungefährlichkeit des Elektrolyts sowie seine günstigen Herstel­lungs­kosten von unter 10 Cent pro Liter in Großserienproduktion. Die Elektromotoren lau­fen mit nur 48 Volt, was die Gefahr von Stromschlägen nach einem Unfall minimiert. Der aktuelle Prototyp nennt sich „Quant 48 Volt“, verfügt über vier Elektromotoren mit je 140 kW und sprintet in nur 2,4 Sekunden auf 100 km/h.

Der Prototyp „Quant 48 Volt“ von nanoFlowcell setzt auf Flusszellen-Technologie, bei der statt zu laden Elektrolyt-Flüssigkeit nachgefüllt wird. 762 PS verspricht man so nebenbei.

Die Energiedichte des Elektro­lyts liegt freilich bei nur 0,6 kWh pro Liter. Nimmt man einen braven Verbrauch von 15 Kilowatt pro 100 Kilometer an, benötigt man für die angege­bene Reichweite von 1000 Kilometern einen 250 Liter großen Elektrolyt-Tank. Nicht wenig, aber machbar.

Allerdings: Pro Kilometer ver­­sprüht man dann (quasi als Abfallprodukt) einen Viertelliter fein zerstäubtes Wasser – bei entsprechender Ver­brei­tung dieser Autos ergäbe das im Winter eine eisige Rutschpartie. Auch hier wird also noch einiges an Entwicklungsarbeit nötig sein.