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Elektrische Energiespeicherung in Autos, Herausforderung an die Forschung

Am 21.02.2017 referierte Frau Prof. Dr.Irmgard Buder vom Lehrstuhl „Renewable Energy and Electro Mobility“ der „Faculty of Communication and Environment“ der Hochschule Rhein-Waal in Kamp-Lintfort zum Thema Elektrische Energiespeicherung in Autos, Herausforderung an die Forschung

Frau Prof. Buder ist seit April 2012 an der Hochschule Rhein-Waal Professorin für Erneuerbare Energie und Elektromobilität in der Fakultät Kommunikation und Umwelt. Ihr Forschungsschwerpunkt ist die Untersuchung von elektrochemischen Energiespeichern, insbesondere Batterien und Brennstoffzellen.

Speichermöglichkeiten von elektrischer Energie sind sowohl Voraussetzung für die Integration von Strom aus erneuerbaren Energien ist als auch für Elektromobilität jenseits der Oberleitung. Vorher arbeitete sie am Zentrum für Brennstoffzellentechnik ZBT GmbH in Duisburg und im Forschungszentrum Geesthacht an der Entwicklung von Brennstoffzellen.

2001 promovierte sie an der Universität des Saarlandes ebenfalls im Bereich der Elektrochemie.

„Kaufprämie entwickelt sich zum Flop“ titelte T. Knuf am 27.11.2016 in der Frankfurter Rundschau. Trotz einer Kaufprämie von 3000 € für Plug-in Autos und 4000 € für rein elektrische Autos steigt der Anteil elektrischer Fahrzeuge in Deutschland nur langsam. Von dem Ziel, dass bis 2020 eine Million elektrische Fahrzeuge auf deutschen Straßen fahren, ist Deutschland wir trotz der Kauprämie noch weit entfernt. Im Jahr standen 10.000 neu zugelassene Elektrofahrzeuge einer Zahl von 3,1 Mio. Neuzulassungen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor gegenüber. Das Ziel lautet, die Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor bis zum Jahr 2050 auf Nahe Null zu reduzieren, was nur durch den Einsatz von Elektroautos möglich ist. Hierzu sollen ab dem Jahr 2030 keine Verbrennungsfahrzeuge mehr zugelassen werden. Europäische Nachbarstaaten, insbesondere diejenige ohne eigene Fahrzeugindustrie geben engagiertere Zeithorizonte vor. Die deutsche Autoindustrie droht daher bei einer weiteren neuen Antriebstechnologie, wie schon beim Hybridantrieb, den Anschluss zu verlieren.

Volkswirtschaftlich bedeutet die Umstellung möglicherweise keine Verminderung sondern eine Verschiebung der Abhängigkeit von Rohstoffimporten.

Die Benchmarks, an denen sich künftig Elektro-Pkw messen lassen müssen, sind Kosten, Reichweite, vorhandene Ladeinfrastruktur, Sicherheit, aber auch „Emotion“.

Die Antriebsbatterie, der Bauteil mit dem derzeit größten Entwicklungsbedarf ist ebenfalls für die Merkmale Kosten, Reichweite, vorhandene Ladeinfrastruktur und Sicherheit verantwortlich, zudem wird bis 2030 eine Haltbarkeit über ein ganzes Fahrzeugleben, entsprechend 15 Jahren oder 150.000 km bei 1.000 Ladezyklen gefordert. Die Unterwegs-Schnellladezeit soll < 15 Min. bis zur 80%-Ladung betragen, die Energiedichte ei 12 Kwh pro Kg Gewicht liegen. Aktuell werden lediglich 235-350 W/h/Kg erreicht. Die Reichweite beträgt ca. 150 Km bei einem Batteriegewicht von 128 Kg und 400 Km bei 340 Kg Batteriegewicht.

Anschließend verglich die Referentin diese Vorgaben mit den Daten von aktuell angebotenen E-Pkw:

Der Nissan Leaf zum Preis von ca. 28.000.-€ verfügt über eine Batterie mit 30 Kwh Kapazität, die zu einem Preis von 5.900.-€ getauscht werden kann, woraus sich ein Preis von 197 €/Kwh ergibt. Die Energiedichte liegt bei 126 Wh/Kg, die Reichweite bei 140-170 Km. Eine Schnellladung bis zu 80% erfolgt in 30 Min., die Aufladung „zu Hause“ dauert 7-9 Stunden. Nissan gibt eine Garantie von 8 Jahren oder 160.000 Km.

Der Tesla S wird zum Preis ab 60 000 € (60 kWh Batterie) und ab 106.000.-€ (100 kWh Batterie) verkauft, er besitzt Speicherbatterien mit einer Energiedichte von immerhin bereits 160 Wh/Kg, die eine Reichweite von mehr als 600 km erreichen können. Mit den von Tesla selbst an Autohöfen installierten „Superchargern“ kann die Batterie in 40 Min. zu 80% aufgeladen werden, die Normalladung erfolgt in 20 Stunden. Nach 8 Jahren bietet der Hersteller eine Austauschbatterie zum Preis von 1.100.-€ an, der Leistungsverlust soll aber auf 5% bei 50.000 Km Laufleistung begrenzt sein. Die Garantiezeit beträgt ebenfalls 8 Jahre.

Anschließend erläuterte die Referentin die Ursachen für thermische Probleme bei Lithium- Ionen- Batterien im Smartphone Samsung Galaxy Note 7 und bei der Boeing 787, insbesondere den Effekt des „Thermal Runaway“, bei dem ein instabiler Zustand zu weiterer Erwärmung führt. Dies ist vor allem bei Li- Co- Oxid- Modellen zu beachten.

Alle Batterietypen erfordern ein Batterie-Management- System, welches sowohl eine Tiefentladung als auch eine Überladung verhindert.

Frau Prof. Buder gab sodann einen Überblick über die derzeit gängigen Batterietypen und die aus ihrer Sicht aussichtsreichsten Entwicklungen im Bereich neuer Materialien:

Mehrer Forschungsgruppen arbeiten an der Entwicklung von Feststoff-Ionenleitern, mit dem Ziel, eine sichere Trennung von Anode und Kathode auch bei extrem „dünnen“ Geometrien zu ermöglichen und die Bildung von metallischen Lithium-Dendriten, die zu Kurzschlüssen führen können, zu unterdrücken.

Die Verwendung von metallsichem Lithium als Kathode statt Andodenmaterialien, die Lithiumionen einlagern, würde einen Sprung in der Energiedichte der Batterie ermöglichen. Bislang ist die Neigung von Lithium sich bei anodischer Abscheidung Dendritförmig abzuscheiden, aber ein Hindernis beim Einsatz wieder aufladbarer Batterien. Kombiniert mit Feststoffelektrolyten ist aber ein Einsatz von metallischem Lithium denkbar.

Auf Kathodenseite erscheint Luft als Oxidationsmittel sehr attraktiv. Allerdings sind bei bisherigeren Lithium-Ionen-Luft-Batterien die Überspannung so hoch, dass die Energieverluste zu hoch sind.

Zhi Zhu et al haben in Nature Energy 2016 eine Elektrode vorgestellt in der Sauerstoff im Metall gebunden ist (hier Lithiumsuperoxid und Lithiumperoxid) und beim Entladevorgang reversibel reduziert werden zu Lithiumoxid kann. Allerdings ist hier eine Stabiliserung in einer Cobaltoxidmatrix notwendig. Dennoch soll eine Energiedicht von 1000 Wh/kg erreich worden sein, die deutlich über bisher erreichten Energiedichten liegt.

Abschließend wies die Referentin aber auch auf die parallele Entwicklung im Bereich der Brennstoffzellen- Fahrzeuge hin. Der Toyota Mirai wird zum Preis von 76.000.-€ angeboten und verfügt über eine Reichweite von 660 Km bei einer Tankzeit von 3 Min. Die Kapazität beträgt 5 Kg H2, der Verbrauch liegt bei 0,76 Kg pro 100 Km. Allerdings ist die Tankstellendichte für H2 derzeit noch lückenhaft, auch im Vergleich zu Batterie- Ladestationen.

In der anschließenden lebhaften Diskussion waren sich Referentin und Auditorium in der Einschätzung einig, dass die Lösung der derzeitigen Verkehrsprobleme nicht lediglich in einem 1:1 Austausch der aktuellen Verbrenner durch Elektrofahrzeuge bestehen könnte, es seien vielmehr intelligente Verkehrskonzepte unter  Einschluss anderer Verkehrsmittel zu entwickeln.

Die zum Vortrag gezeigte Präsentation finden Sie im Download-Bereich.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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