Ohne Batterie geht gar nichts: Alles über Autoakkus für Elektroautos

Vom Leben und Sterben der Autoakkus
Wie Akkus für Elektroautos besser werden
Sind Elektroautos umweltfreundlicher?
Second-Use und Recycling für alte Autoakkus

Vom Leben und Sterben der Autoakkus

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Neben den selbstfahrenden Autos sind Elektroautos eines der derzeit wichtigsten Gesprächsthemen der Automobilbranche. Weltweit wird von Politik und mittlerweile auch Autoherstellern gleichermaßen diskutiert und geforscht, wie die Motorentechnik der Zukunft aussehen könnte und sollte. Doch während Politik und Hersteller munter in die E-Mobilität reiten, fragen sich Verbraucher: Warum sind die Wagen so teuer? Wie weit komme ich mit dem geladenen Akku überhaupt? Und bin ich im Endeffekt wirklich umweltschonender unterwegs, wenn ich ein Elektroauto fahre?

Damit ihr es nicht tun müsst, haben wir von Roadmap uns mal durch die Fakten und Zahlen gewühlt, um ab heute immer mittwochs die größten Fragen rund um Autoakkus und E-Fahrzeuge zu klären.

Heute: Woraus sind die Batterien für Elektroautos gemacht und was können sie bisher? Warum E-Autos und warum jetzt?

Woraus sind die Batterien für Elektroautos gemacht und was können sie bisher?

Bei den meisten in modernen Autos verbauten Akkus handelt es sich um Lithium-Ionen-Akkus. Sie haben den Vorteil einer besonders hohen Energiedichte, das heißt einer möglichst großen Energiemenge je Kilogramm Akku. Zudem sind die Lithium-Ionen-Akkus dafür gemacht viele Ladezyklen ohne besonders großen Kapazitätsverlust, auch Memory Effekt genannt, zu überstehen. Setzt doch irgendwann der Memory Effekt ein, können die Akkus recycelt werden. Das klingt eigentlich alles sehr großartig, doch leider sind die Lithium-Ionen-Akkus trotz hoher Energiedichte noch immer sehr schwer und vor allem teuer in der Herstellung. Da ergibt sich die Frage:

Warum E-Autos und warum jetzt?

Ausschlaggebend für die starke Bewegung in Richtung E-Mobilität sind besonders die in Klimagipfeln und der EU beschlossenen Emissionsziele. So soll der Ausstoß von Treibhausgasen in der EU bis 2030 um mindestens 40 Prozent gegenüber den Werten von 1990 verringert werden. Das bedeutet für die Automobilindustrie, dass ab 2020 ein Grenzwert für Schadstoffausstoß von 95 Gramm CO2 pro Kilometer gilt. Zum Vergleich: 2015 lagen die durchschnittlichen CO2-Emissionen der neu zugelassenen Pkw in Deutschland bei 128,8 g CO2/km. Die Emissionswerte für E-Autos, die sich aus Herstellung und Stromproduktion ergeben und somit vom aktuellen Strommix des Landes abhängig sind, lagen laut einer Untersuchung des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) im Jahr 2015 zwischen 12 und 23 Prozent unter denen des verbrennungsmotorischen Vergleichsfahrzeugs. Für 2020 prognostiziert das BMUB für Elektroautos sogar 20 bis 29 Prozent weniger CO2 Ausstoß als für Verbrennungsmotoren.

Auch deutsche Hersteller können sich damit dem Ruf nach Elektromobilität anscheinend nicht mehr entziehen. Sogar die Sportwagenprofis von Porsche stellten im Wettstreit um das tollste E-Auto in diesem Jahr mit dem Konzept Mission E ihr erstes Elektro-Projekt vor und legten vor wenigen Tagen mit dem Panamera E-Hybriden, der ab April 2017 ausgeliefert werden soll, noch einmal nach.

Die Elektroautos kommen also und sie kommen schnell. Grund genug sich auf Roadmap mit der Materie vertraut zu machen.

Im nächsten Block widmen wir uns der Frage, wie denn die noch suboptimalen Autoakkus nun verbessert werden können, wo man überall ansetzen kann, um sie billiger, leichter und leistungsfähiger zu machen und wer genau daran arbeitet.


2. Wie Akkus für Elektroautos besser werden

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Immer wieder mittwochs: Heute geht es weiter mit unserer Roadmap Reihe zum Leben und Sterben von Akkus für Elektroautos. Diesmal widmen wir uns der Frage, wie man die Akkus eigentlich besser und damit preiswerter und haltbarer machen könnte und wer sich darum eigentlich schon kümmert.

Dazu muss aber zunächst geklärt werden, was an den Akkus für Elektroautos überhaupt noch Probleme bereitet. Und da gibt es tatsächlich verschiedene Baustellen. Noch sind beispielsweise die Kosten für die Fertigung der Energiespeicher viel zu hoch, was sich im Preis für die Fahrzeuge selbst niederschlägt. Hinzu kommt das auffällig hohe Gewicht der Akkus. Dieses wiederum beeinflusst den Verbrauch der E-Autos und schlägt sich auf deren ohnehin noch recht begrenzte Reichweite nieder, die vielen Verbrauchern unberechtigterweise – dazu später mehr – Sorge bereitet. Diese hängt vor allem mit der Ladekapazität der Akkus zusammen, die es zu verbessern gilt.

Geringere Herstellungskosten

Elektroautos sind also wegen der hohen Produktionskosten für die Batterien derzeit noch vergleichsweise teuer. Diese Herstellungskosten werden in Euro je Kilowattstunde gemessen und lagen im Jahr 2014 bei 260 bis 300 Euro pro Kilowattstunde. Tatsächlich sind diese Kosten aber schon geringer als noch vor wenigen Jahren prognostiziert wurde. Das zumindest ist eines der Ergebnisse, die die Wissenschaftler Mans Nilsson und Björn Nykvist vom Environment Institute in Stockholm 2014 in einer Studie im Nature Climate Change Magazin veröffentlichten.

Darin hielten sie auch fest, dass die Herstellungskosten von Akkus für Elektroautos jährlich um 14 Prozent sinken, was eine schnellere Preissenkung, als bis dato angenommen, bedeutet.

Ein kleiner Preisvergleich: Stefan Bratzel, Professor für Automobilwirtschaft und Leiter des Centers of Automitive der Fachhochschule der Wirtschaft in Bergisch Gladbach sagte 2015 in einem Interview mit der Zeitung „Die Welt“, dass etwa 15 Prozent des Preises für ein herkömmliches Auto auf den Motor und noch einmal 10 Prozent auf das Getriebe entfallen. Bei einem Golf 7, der in der preiswertesten Variante 17.850 Euro kostet, wären das etwa 4.500 Euro, die der Verbraucher für Motor plus Getriebe zahlt.

Ginge man nun von einem Elektroauto mit einer Kapazität von 25 bis 37,5 Kilowattstunden aus, die in etwa dem 50 Liter Tank eines Golf 7 entsprechen, musste ein Käufer 2014 bei einem Preis von 260 Euro pro Kilowattstunde im schlimmsten Falle etwa 9750 Euro für die Akkus in seinem Wagen berappen.

Das heißt, noch kostet der Antrieb eines Elektroautos etwa doppelt so viel wie der eines Verbrennungsmotors. Doch die magische Grenze von etwa 130 Euro pro Kilowattstunde, mit denen die Herstellung der Akkus für E-Autos genauso viel kosten würde, wie die eines herkömmlichen Motors, könnte wie es die Studien zeigen in nicht allzu ferner Zukunft erreicht werden.

Gewicht verringern und Reichweite vergrößern

Zusätzlich zu ihrem bisher noch hohen Preis, sind die Akkus für den Antrieb von Elektroautos vergleichsweise schwer. So wiegt der Akku eines BMW i3 230 Kilogramm, während der Motor eines vergleichbaren Wagens nur etwa 100 Kilogramm auf die Waage bringt. Der wichtige Wert hier ist die Energiedichte der Batterien, die in Wattstunden je Kilogramm (Wh/kg) angegeben wird. Diese liegt bei Lithium-Ionen-Akkus zwischen 95 und 190 Wh/kg. Ein Benziner hingegen bringt es auf starke 12.800 Wh/kg und damit natürlich auch zu einer weitaus höheren Reichweite. Und besonders diese scheint ja für viele Verbraucher der größte Kritikpunkt an den Elektromobilien. Dabei zeigt eine kürzlich veröffentlichte Studie des Massachusetts Institute of Technologie (MIT), dass wir schon mit der heutigen Reichweite von Elektroautos etwa 87 Prozent unserer gewohnten Wege zurücklegen könnten, ohne Angst haben zu müssen, auf der Strecke liegen zu bleiben.

Fortschritt in Sachen Energiedichte

Dennoch laufen auch in diesem Bereich Entwicklung und Tests verbesserter Batterien für Elektroautos auf Hochtouren. So kaufte Bosch im vergangenen Jahr das US-Unternehmen Seeo, um das erklärte Ziel, die Energiedichte von Akkus für Elektroautos bis 2020 zu verdoppeln, noch zu übertreffen. Dies wolle der Akku-Hersteller schaffen, indem er die gängige Graphit-Anode, durch eine aus Lithium gefertigte Anode ersetzt und mit dieser neuen, leichteren und auch sichereren Festkörper-Technik die Speicherfähigkeit der Batterien deutlich erhöhe.

Aber auch neue Player auf dem Markt für Autoakkus tragen zur laufenden Verbesserung der Elektroantriebe bei. Die von drei Brüdern gegründete, österreichische Firma Kreisel Electric zum Beispiel sorgt derzeit in der Branche für Aufsehen.

Kreisel: Temperaturmanagement und Lasern

Zwei Patente sollen den Kreiselakkus ihren Vorteil verschaffen. Zum einen werden die Batterien der Österreicher durch eine nichtleitende Flüssigkeit, die die Akkus umströmt, je nach Bedarf gekühlt oder geheizt. Dieses Temperaturmanagement soll zu leistungsstärkeren E-Autos beitragen, da damit die Be- und Entladezeiten beeinflusst werden können. Die meisten momentan verwendeten Akkus verfügen über keine oder nur punktuelle Kühlung. Auch soll sich damit die Sicherheit der Akkus verbessern, da das Risiko von Batteriebränden vermindert wird.

Der Zweite Vorteil der Akkus von Kreisel Electric verberge sich in der Verbindung der einzelnen Zellen. Während diese bei anderen Herstellern geschweißt werden, setzen die Gebrüder Kreisel auf Lasertechnik. Damit werde die Gefahr der Beschädigung und somit auch Leistungseinbußen minimiert. Zudem und noch viel wichtiger, lasse sich laut der Kreisel-Brüder damit die Produktionszeit und somit auch die Kosten für die Herstellung der Batterien verringern.

Und auch beim Gewicht spielen die Kreisels nach eigenen Angaben in der oberen Liga. So liegt das Gewicht für eine Kilowattstunde bei 4,1 Kilogramm, was etwa 240 Wh/kg und damit eine weitaus größere Energiedichte als bei herkömmlichen Akkus für Elektroautos ergibt.

Gegenüber der Zeitung Welt rechnet Markus Kreisel am Beispiel e-Golf sogar vor: „Würde man unsere Batterien in das aktuelle Modell einbauen, hätte der Wagen mit 55,7 kWh mehr als  die doppelte Kapazität, käme 430 statt 190 Kilometer weit, wäre nur sieben Kilo schwerer und würde nicht mehr kosten“

Trotzdem es also noch einigen Verbesserungsbedarf der Akkus für Elektroautos gibt, scheint eine Lösung der bisherigen Probleme mit den Energiespeichern nicht allzu weit in der Zukunft zu liegen. Das zumindest lassen die zahlreichen Projekte, Forschungseinrichtungen und Unternehmen erahnen, die sich mit Herstellungskosten, Energiedichte und sonstigen Verbesserungen der Akkus für Elektroautos beschäftigen. Ihnen zufolge wird die Zukunft der Elektroautos großartig.


3. Sind Elektroautos umweltfreundlicher?

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Nachdem wir uns in den vergangenen Wochen bereits den Fragen gewidmet haben, warum Elektroautos derzeit eigentlich in aller Munde sind und wie man die Energiespeicher der Fahrzeuge verbessern könnte, soll es in unserer Roadmap-Reihe zum Leben und Sterben von Autoakkus heute darum gehen, ob die Elektroautos umweltfreundlicher sind als herkömmliche Autos.

Gleich vorweg: Ja, Elektroautos sind umweltfreundlicher als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Doch wie viel umweltfreundlicher sie sind, hängt von verschiedenen Faktoren ab.

Ein Elektroauto produziert beim Fahren natürlich keine Abgase und damit auch kein schädliches CO2. Doch betrachtet die Klimabilanz eines Fahrzeugs nicht nur jene Umweltbelastungen, die während des Gebrauchs entstehen, sondern auch Klima- und Umweltrisiken, die durch Herstellung des Autos und des jeweiligen Kraftstoffs sowie Entsorgung der Fahrzeuge hervorgerufen werden. Die Umweltfreundlichkeit eines Elektroautos hängt also nicht nur von seinen eigenen, nicht vorhandenen Emissionen ab, sondern auch von der Erzeugung des antreibenden Stroms und der Produktion des Fahrzeugs selbst und insbesondere der Fertigung seiner Akkus.

Belastung durch Stromerzeugung

Das Institut für Energie und Umweltforschung Heidelberg (IFEU) stellte in seiner im Frühjahr 2016 vorgestellten Untersuchung zur Umwelt- und Ressourcenbilanz über den gesamten Lebensweg von Elektrofahrzeugen heraus, dass 68 Prozent der durch Elektroautos hervorgerufenen Umweltbelastung bei unserem heutigen deutschen Strommix durch die Erzeugung des Fahrstromes entstehen.

Dennoch ist die Klimabelastung eines Stromer mit 100 Kilometern Reichweite laut der Heidelberger Untersuchung um 20 Prozent geringer als jene eines Benzinmotors. Würde ein Elektroautofahrer für sein Fahrzeug lediglich Strom aus erneuerbaren Energien (Wind-, Wasserkraft, Biomasse etc.) nutzen, läge der Klimavorteil seines Wagens sogar bei 74 Prozent gegenüber dem herkömmlichen Benziner.

Die Umweltbilanz unserer Elektroautos steht und fällt also mit dem Strommix, den wir zum Antrieb unseres Gefährts nutzen. Heutzutage enthält dieser laut der Agentur für Erneuerbare Energien in Deutschland noch einen Anteil von 41,9 Prozent Strom aus Braun- und Steinkohle, besteht aber bereits jetzt schon zu fast einem Drittel aus durch erneuerbare Energien gewonnenem Strom. Angenommen wird, dass dieser Anteil der erneuerbaren Energien in den kommenden Jahren und Jahrzehnten weiter zunehmen wird. So erwarten die Forscher des IFEU für das Jahr 2030 einen Strommix, der Elektroautos einen Umweltvorteil von 41 Prozent gegenüber Benzinern verschafft.

Lithiumknappheit und Wasserbedarf

Doch nicht nur in Sachen Stromgewinnung, auch bei der Fertigung der Akkus für die Stromer muss noch einiges passieren, um die Elektroautos umweltfreundlicher zu machen. Denn 27 Prozent der Umweltbelastungen durch Elektroautos ergeben sich aus der Fahrzeugherstellung, besonders der Produktion der Lithium-Ionen-Akkus. Für eine durchschnittliche Elektroauto-Batterie werden etwa drei Kilogramm Lithium als Ladungsträger benötigt.

Dabei ist der Bedarf an dem Rohstoff durch Akkus für Handys, Laptops und andere Elektronik bereits heute hoch und wird durch zunehmende Elektromobilität möglicherweise zu einem Ausschlachten der Abbaugebiete für Lithium führen. Diese befinden sich vor allem in Bolivien, Argentinien und Chile, aber auch in Afghanistan werden große Lithiumvorkommen vermutet. Der Abbau des Rohstoffs ist dort mit großen Umweltbelastungen verbunden, da das Lithium zumeist in Salzseen in mitten unberührter Natur gebunden ist. Durch den Einsatz von Verdunstungsbecken und die Zugabe von Soda und Lithiumkarbonat in einer Chemiefabrik erst wird aus dem Seewasser das Lithium gewonnen und unterdessen sehr viel Wasser verbraucht.

Weitere Faktoren, der mit in die Umweltfreundlichkeit von Elektroautos einbezogen werden müssen, sind daher der drohende Mangel des Rohstoffes Lithium und der mit dem Abbau des Elements einhergehende enorme Wasserbedarf.

Elektroautos umweltfreundlicher, aber noch lange nicht perfekt

Halten wir fest: Es gibt Untersuchungen, die belegen, dass Elektroautos mit einer Reichweite von 100 Kilometern schon heute umweltschonender sind als herkömmliche Autos. Dieser Vorsprung aber nimmt bereits mit der zunehmenden Reichweite des E-Autos ab. Denn eine höhere Reichweite bedeutet einen größeren Akku, der mehr der ohnehin knappen Ressourcen benötigt, sowie mehr Eigengewicht des Fahrzeugs und damit einen höheren Verbrauch an Strom, dessen Herstellung eine Umweltbelastung darstellt.

Dazu halten die Forscher des IFEU zum Beispiel auch fest, dass ein Elektroauto mit einer Reichweite von 250 Kilometern mit unserem heutigen Strommix nur noch einen Umweltvorteil von 4 statt 20 Prozent habe. Gleichzeitig aber wird davon ausgegangen, dass auch Elektroautos mit großer Reichweite in Zukunft ihren Vorsprung gegenüber herkömmlichen Autos werden ausbauen können. Das wird dann vor allem an einem Strommix aus mehr erneuerbaren Energien liegen, aber auch an der Weiterentwicklung der Akkus zu mehr Leistung auf weniger Gewicht und einem noch besseren Recycling der Stromspeicher. An vielen Ecken und Enden wird daran gearbeitet, Elektroautos umweltfreundlicher zu machen.

Schon heute werden die verbrauchten Stromspeicher zum Beispiel zu großen Teilen recyclet und sogar bereits vor ihrem Gebrauch in den Elektroautos genutzt. Mehr zum Recycling der Akkus aus Elektroautos lest ihr in unserem nächsten Teil der Roadmap-Reihe zu den wichtigsten Fragen rund um Elektroautos und ihre Stromspeicher.


4. Second-Use und Recycling für alte Autoakkus

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Wer das Roadmap Magazine und unsere Artikel aufmerksam verfolgt, wird es schon bemerkt haben: Elektroautos sollen mehr werden. Das sagen nicht nur wir, sondern auch Bundesregierung und EU. Eine Million E-Cars sollen bis 2020 über die deutschen Straßen düsen. Das bedeutet allerdings für die Jahrzehnte danach deutlich mehr Elektroschrott. Deswegen soll es im heutigen Teil unserer Reihe zum Leben und Sterben der Autoakkus darum gehen, wie wir die Batterien aus den Elektroautos recyclen können.

Das ‚zweite Leben‘ der Batterien

Nach etwa acht Jahren, heißt es derzeit, seien Akkus für Elektroautos verbraucht. Nun könnten diese recyclet werden. Das wird, wenn auch in bisher geringem Umfang, bereits getan, denn Möglichkeiten gibt es. Aber dazu später mehr. Denn bevor wir den Akku wieder in seine Einzelteile zerlegen müssen, um Parts davon wieder zu verwenden, können wir die Batterien erstmal einer anderen Nutzung, einem zweiten Leben zuführen. Nur weil ihre Kapazität für E-Cars nach acht Jahren zu gering ist, heißt dies nämlich noch lange nicht, dass eben diese Leistungsfähigkeit nicht für andere Nutzungen mehr als ausreichend ist.

energiespeicher recyclingEnergiereserve für Zuhause

Eine Möglichkeit für die Zweitverwertung von Autoakkus liefert beispielsweise Fahrzeughersteller Nissan. Nicht nur liefert der japanische Autobauer mit seinem Nissan Leaf das weltweit bisher beliebteste Elektroauto, zusätzlich haben sich die Menschen bei Nissan Gedanken über die Zukunft gemacht und bieten deshalb seit Spätsommer 2016 einen Heim-Energiespeicher aus alten Nissan Leaf Akkus mit dem klangvollen Namen X-Storage an. Der soll dabei helfen, im privaten Haushalt Strom zu speichern und Kosten zu sparen. So lässt sich der Akku beispielsweise mit Solarzellen verbinden und speichert die produzierte Energie bis sie gebraucht wird. Aber auch Haushalte ohne eigene Energiequellen können von dem Speicher profitieren, indem sie ihn laden, solange Strom günstig ist – beispielsweise in der Nacht – und diese Energie später nutzen, wenn die Nachfrage für Strom groß ist. Aber auch bei Schwankungen im Netz oder Stromausfällen soll der X-Storage als Reservespeicher nützlich sein.

Stabiles Stromnetz dank alter Autoakkus

Diese Idee alte Akkus als Energieszwischenspeicher zu verwenden gibt es schon seit einiger Zeit auch im großen Stil. So ging ebenfalls in Spätsommer 2016 der angeblich größte Second-Use-Batteriespeicher der Welt im westfälischen Lünen ans Netz. Insgesamt 1000 Batterien, die in ihrem ersten Leben als Antrieb für smart fortwo electric drives dienten, wurden dort zu einem stationären Energiespeicher mit einer Kapazität von insgesamt 13 Megawattstunden zusammengeschlossen und sollen Schwankungen im deutschen Stromnetz ausgleichen. Im stationären Betrieb sollen die Akkus noch mindestens zehn Jahre nutzbar sein. Bis dahin gibt es den nächsten Schwung „verbrauchter“ Akkus aus den E-Cars und die endgültig ausgelutschten Batterien können dem Recycling zugeführt werden.

Wenn nichts mehr geht: Recycling

Wenn mit den Akkus wirklich nichts mehr geht und die Kapazität auch für einen Second-Use nicht mehr ausreicht, bleibt leider nicht mehr viel anderes übrig als zerlegen und noch Brauchbares recyclen. Das ist derzeit allerdings noch ein teurer Prozess, bei dem in den meisten Fällen vornehmlich Kobalt und Nickel gewonnen. Dem immer knapper werdenden Lithium widmet man sich dabei bisher allerdings eher wenig. Dabei ist es möglich.

Die technischen Details der Lithium-Wiedergewinnung ersparen wir Euch an dieser Stelle. Gesagt sei hier nur, dass es unterschiedliche Wege gibt, die verschiedenen Metalle und anderen Komponenten so einer Batterie voneinander zu trennen und so aufzubereiten, dass sie wiederverwendet werden können. Es gibt zum Beispiel ein Verfahren, bei dem Kobalt, Nickel und Lithium als flüssige Lösungen oder Salze zurückgewonnen werden können.

Das größte Problem nur an der Sache mit dem Recycling von Batterien: Die bekannten Verfahren können bisher noch nicht großtechnisch eingesetzt und somit auch noch keine großen und natürlich günstigeren Recyclinganlagen gebaut werden. Ganz einfach, weil es bis Dato noch nicht ausreichen Elektroschrott gibt, dass sich der Aufwand für Entwicklung und Bau finanziell lohnen würden.

Heißt?

Akkus für Elektroautos können auch nach einem „zweiten Leben“ gebraucht und recyclet werden, allerdings werden wir noch bis 2020 und später warten müssen, bis sich genug verbrauchte Batterien angesammelt haben, um die Wertschöpfungkette der Batterien – von der Nutzung in E-Cars über die stationäre Weiterverwendung bis zum Recycling – zu industrialisieren.

Fest steht aber: Unbrauchbarer Elektroschrott ist definitiv von gestern!