Günter Keil, Gastautor / 01.10.2017 / 11:30 / Foto: Eric Staller / 0 / Seite ausdrucken

Elektrisch um die Ecke biegen: Ein 136 Jahre altes Dilemma (4)

Von Günter Keil.

Das Bündel schwerwiegender Nachteile des Elektroautos hat eine 136 Jahre alte Ursache: Die Batterien. Die Angebote der Industrie an E-Autos überzeugten bisher nur wenige Kunden, was nicht weiter verwundert, wenn man die hohen Preise, das hohe Gewicht, die kläglichen Reichweiten – die im Winter nochmals abnehmen – , die langen Ladezeiten und die begrenzte Lebensdauer der extrem teuren Batterien betrachtet. Autofahrer sind nicht dumm und es spricht für sie, dass sie sich auch nicht für dumm verkaufen lassen.

Eine fachliche Bewertung der Situation um die Entwicklung von Batterien und die Rolle der Politik hat Professor Frank Endres, Leiter des Instituts für Elektrochemie an der T.U. Clausthal 2014 veröffentlicht:

Die weitgehend auf Erinnerungsschwäche beruhende neue Begeisterung von Politikern für das alte Thema ignoriert weiterhin das Fehlen zuverlässiger und kostengünstiger Antriebsbatterien. Das ist seit etwa 100 Jahren der Fall, als mit der Erfindung des Automobils sofort auch der Elektroantrieb Anwendung fand. Nach einigen Jahren hängte der Verbrennungsmotor, der seine Energie aus den flüssigen Kohlenwasserstoffen holt, den E-Antrieb hoffnungslos ab. Seither arbeiten Generationen von Experten der physikalischen Chemie an der Verbesserung der Akkumulatoren. Alternativ versucht man den Menschen einzureden, dass sie eh kein Auto bräuchten, das mehr als 100 km Reichweite hat. Sie sollen für längere Strecken schließlich die Bahn nutzen.

Lebensdauer, Alterung und Betriebssicherheit von Batterien

Alle Batterien unterliegen unvermeidbar einer zyklischen (gemäß der Zahl der Lade/Entladezyklen) und kalendarischen Alterung. In den letzten Jahren waren Lithiumionen-Batterien in aller Munde. Lithium ist jedoch ein sehr reaktives und auch nicht sehr häufiges Metall, das mit jedem bekannten Elektrolyten chemisch reagiert. Solche Batterien sind daher nicht dauerhaft stabil. Lässt man eine Lithiumionenbatterie mehrere Jahre liegen, bläht sie sich im Laufe der Zeit wegen der Alterung auf. Wird sie dann stark belastet, kann sie zu brennen beginnen. Auch beim wiederholten Laden/Entladen leidet die Batterie – ihre Materialien werden durch mechanischen Stress während der zyklischen Belastung immer mehr zerstört. Wir haben post-mortem-Analysen von Batterien, die gebrannt hatten, durchgeführt und konnten sehen, dass sich in den Batterien sog. „hotspots“ bildeten, die schließlich derart viel Wärme erzeugten, dass die Batterie in einen instabilen Überhitzungszustand geriet.

Bei Zink-Luft-Akkumulatoren nimmt die dort verwendete Kalilauge Kohlenstoffdioxid aus der Luft auf; Hier altert also der Elektrolyt, und neue Konzepte sind erforderlich. Wegen der kalendarischen Alterung liegt die maximale Lebensdauer bei 6 Jahren, aber auch nur 3 Jahre Lebensdauer können vorkommen. Und ein gänzlich neues Batteriekonzept ist so schnell nicht zu erwarten.

Die Energiedichte

In der Frage der erreichbaren Energiedichte schlägt leider die Thermodynamik unbarmherzig zu. Die elektrochemische Spannungsreihe erlaubt maximal 6 Volt für ein Elektrodenpaar; das wäre dann aber eine (hochgefährliche) Lithium/Fluor-Batterie, deren technische Umsetzung und Verwendung kaum vorstellbar sind. Voll geladene Lithiumionen-Akkus heutiger Bauart haben bei einer Einzelzelle eine Spannung von 4,2 Volt. Mehr ist schwer zu erreichen, weil man noch keine Elektrolyte gefunden hat, die für sog. „5-Volt-Batterien“ geeignet sind. Es ergibt sich wegen des spezifischen Gewichts der Batteriematerialien derzeit eine maximale Energiedichte von 0,3 kWh/kg; technisch erreichen kann man heute nicht mehr als 0,15 kWh/kg. Kohlenwasserstoffe enthalten dagegen rund 12 kWh/kg, wovon ein guter Dieselmotor ca. 5 kWh in mechanische Energie umsetzt. Wirkungsgrad-bereinigt schneiden Kohlenwasserstoffe bezüglich der Energiedichte also mindestens 30-mal besser ab als LiIonen-Akkumulatoren.

Energiedichten von 1 bis 5 kWh/kg sind nur mit Metall-Luft-Batterien denkbar. Relativ leicht herstellbare Zink/Luft-Batterien erreichen schon bis zu 0,5 kWh/kg, aber die oben beschriebene Alterung des Elektrolyten ist das zentrale Problem. Neue Konzepte sind in der Erforschung; mit einem Markteinsatz ist frühestens in 5 Jahren zu rechnen – und da am ehesten aus US-amerikanischer Fertigung.

Lithium-Luft-Batterien wurden als die Lösung aller Probleme angepriesen, und man sprach von bis zu 15 kWh/kg, was aber eine höchst unseriöse Zahl ist, da sie nur auf das Lithium alleine bezogen wurde und die andere Elektrode, der Elektrolyt, das Gehäuse usw. nicht berücksichtigt wurden. Im Labor erreichen Lithium/Luft-Batterien 1 kWh/kg, sie altern aber rasch, und eine Lösung für dieses Problem erscheint in weiter Ferne. Ein Einsatz ist frühestens in 20 Jahren zu erwarten, falls überhaupt.

Mit Unterstützung des BMBF arbeitet unser Institut an der TU Clausthal grundlegend an Aluminium/Luft und Silizium/Luft-Batterien. Die denkbaren Energiedichten liegen bei 1 bis 4 kWh/kg, aber das ist Grundlagenforschung und ebenfalls weit von einer kommerziellen Nutzung entfernt.

Vielleicht können Lithium/Schwefel-Batterien als Nächstes vermarktet werden. Im Labor erreichen sie schon 1 kWh/kg. Sie altern aber schnell und die nutzbare Energiedichte liegt bei ca. 0,3 kWh/kg, was im Vergleich zu Lithiumionenbatterien immerhin um einen Faktor 2 besser wäre. Ich rechne eher mit einer langsamen Evolution im Batteriesektor als mit einer schnellen Revolution.

Wirklich gute Lithiumionen-Akkus, wie sie z.B. im Modellflug verwendet werden, kosten zwischen 1.000 und 1.500 €/kWh und selbst die „billigen“, wie sie in Elektroautos genutzt werden, kosten heute 500 €/kWh. Auf die immer einmal wieder ins Feld geführten 100 – 200 €/kWh werden wir meines ERachtensd  noch ein wenig warten müssen, und bei der angepriesenen Speicherbatterie eines Elektroautoherstellers mit ca. 300 €/kWh muss man die Langzeitqualität abwarten. Das Fazit der näheren Betrachtung der elektrochemischen Batteriearten, die mindestens eine gewisse Entwicklungsreife aufweisen, als mögliche Speicher zur großtechnischen Netzstabilisierung lautet somit „nicht langzeitbeständig“ und „unbezahlbar“.

Prof. Helmut Alt, FH Aachen, hat den Vergleich von Benzin- bzw. Dieselautos mit Elektroautos auf den Punkt gebracht: „Einen 70-Liter Tank, der fast nichts kostet, länger hält als das Auto und ohne Lebensdauerverlust in 3 Minuten geladen ist, durch Batterien zu ersetzen, ist ein Wunschtraum, der aber nach allen derzeit bekannten physikalischen und chemischen Erkenntnissen heute und in denkbarer Zukunft nicht realisierbar ist.“

In der nächsten Folge morgen: Die Batterieproduktion ist alles andere als umweltfreundlich, der Betrieb alles andere als ungefährlich

Autor Dr. Ing. Günter Keil ist ehemaliger Ministerialdirigent im Bundesforschungsminsiterium

Dieser Beitrag erschien zuerst auf der Seite des Europäischen Institutes für Klima und Energie (Eike) hier

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Foto: Eric Staller GFDL via Wikimedia Commons

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