Bessere Batterien müssen her! - wissenschaft.de
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Bessere Batterien müssen her!

Die Zukunft des Elektroautos ist nach dem enttäuschenden Großversuch auf Rügen ungewisser denn je. Selbst Optimisten sind leiser geworden, wenn es um die Chancen elektrisch betriebener Straßenfahrzeuge geht. Die Ökobilanz der auf Rügen getesteten Stromer fiel kläglich aus. Nun hoffen die Entwickler auf Akkumulatoren mit mehr Speicherkapazität und niedrigerem Preis. INFOS IM INTERNET: Batterielexikon: http://www.ellw.varta.de/d4.html Electric Vehicle Organization of the Americas: http://www.evaa.org.

Experimente können schlecht ausgehen. So geschehen beim Großversuch „Erprobung von Elektrofahrzeugen der neuesten Generation“: Mit Pauken und Trompeten am 2. Oktober 1992 vom damaligen Bundesforschungsminister Dr. Heinz Riesenhuber auf Rügen gestartet, hat seine Auswertung jetzt einen rosigen Öko-Traum platzen lassen.

60 Millionen Mark hat das Projekt gekostet, wovon die beteiligte Industrie 34 Millionen trug und das Bundesforschungsministerium den Rest. Das Resultat: Die mit Strom betriebenen Testfahrzeuge auf der Ostseeinsel erzeugten – auf dem Umweg über die stromproduzierenden Kraftwerke – pro gefahrenem Kilometer mehr Kohlen- und Schwefeldioxid als herkömmliche Benzin- oder Dieselfahrzeuge. Auf der Habenseite vermerkten die Tester zwar, die E-Mobile hätten „vergleichsweise sehr geringe Mengen an Kohlenwasserstoffen und zumeist niedrigere Mengen an Stickoxiden“ verursacht. Doch beim Einsatz an Primärenergie lagen die Elektroautos, laut 1997 veröffentlichtem Abschlußbericht, wiederum deutlich über den Autos mit Verbrennungsmotoren.

Mehr als dreieinhalb Jahre lang hatten Fahrzeughersteller auf der Ostseeinsel zwischen 36 und zuletzt 60 Elektroautos auf Alltagstauglichkeit getestet. Anhand der Daten verglich das Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg (ifeu) die strombetriebenen Fahrzeuge mit konventionellen. Das Ergebnis: Allein die Art der Stromproduktion läßt den grünen Daumen fürs Elektroauto nach unten oder oben zeigen.

Aufgrund der Kraftwerkssituation hierzulande fällt die Bilanz fürs E-Mobil ungünstig aus. Im deutschen „Kraftwerks-Mix“ wird Strom nur zu 36 Prozent aus den regenerativen Energieträgern Wasser, Wind, Sonne und aus emissionsfreier Kernkraft gewonnen. Erzeugt man den Strom aus fossilen Brennstoffen wie Öl oder Kohle, fallen Schadstoff-Emissionen an.

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Die wissenschaftliche Begleituntersuchung des Heidelberger ifeu-Instituts folgerte, daß der Schwefeldioxid-Ausstoß durch den Betrieb von Batterieautos je nach Typ bis zum Vierfachen (0,5 Gramm SO2 pro gefahrenem Kilometer) der Werte von Verbrennungsfahrzeugen (durchschnittlich 0,12 Gramm SO2 pro Kilometer) ansteigen kann. Dieses Gas ist für den „sauren Regen“ mitverantwortlich. Aber auch bei den klimarelevanten Gasen Kohlendioxid und Methan zeigt der Praxistest das Elektroauto – sowohl regional als auch global betrachtet – im Nachteil.

Eine zentrale Bezugsgröße im Rügener Feldversuch war der Primärenergieverbrauch der beiden Fahrzeugsysteme „Verbrennungsmotor-Kfz“ und „Elektro-Kfz“. Dazu registrierten die Tester nicht nur die Antriebsenergie für den Motor, sondern den gesamten Stromverbrauch: für Hilfsaggregate wie Scheinwerfer und Lüfter, für die Heizung der oberhalb von 280 Grad Celsius betriebenen Hochtemperatur-Batterien – und deren Verluste durch Selbstentladung.

Dabei schnitten die Elektroautos unter dem Strich schlechter ab als Otto- und Dieselfahrzeuge mit vergleichbarer Leistung. Mindestens ein Viertel mehr Energie – insgesamt rund ein Megajoule pro Kilometer – mußten die strombetriebenen Autos einsetzen.

Das liege an Mängeln des Rügener Versuchs, kontert die Informationszentrale der Elektrizitätswirtschaft in Frankfurt am Main in der Public-Relation-Broschüre „Stromthemen“: Die Testautos – umgebaute herkömmliche Straßenfahrzeuge – seien viel zu schwer und wenig verbrauchsoptimiert gewesen.

Bernd Sporckmann vom Bereich Energie des Stromversorgungs-Unternehmens RWE sieht die Ursache für den hohen Energiekonsum der E-Mobile auf Rügen vor allem in den „Nebenverbrauchern“ wie der batteriegespeisten Heizung: „Bei einigen Fahrzeugen war der Bedarf an Heizenergie mehr als doppelt so groß wie der für die eigentliche Antriebsfunktion.“ Er betont: „Diese Fahrzeuge können nicht als allgemeiner Bewertungsmaßstab von Elektroautos benutzt werden, da neue Fahrzeugkonzepte auch bei deutschen Herstellern bessere Werte aufweisen.“

Der Geschäftsführer des ifeu-Instituts, Ulrich Höpfner, hält sich heraus: „Unser Job war es, die Ergebnisse der Rügen-Fahrzeuge in einer Art Ökobilanz zu bewerten. Wir maßen uns nicht an, Schiedsrichter in einer Diskussion zwischen Interessenverbänden zu sein.“

Das ist viel „einerseits-andererseits“ für 60 Millionen Mark. Wenn schon der groß angekündigte Testfall Rügen so wenig Allgemeingültiges erbrachte – was bleibt eigentlich an sicheren Aussagen über die Zukunft des strombetriebenen Straßenfahrzeugs?

Unumstritten ist der lokale Vorteil des E-Mobils. Denn am Ort seines Einsatzes pustet der Elektromotor keine Abgase in die Luft. Also könnten stark belastete Innenstädte mit Hilfe stromgetriebener Fahrzeuge durchaus aufatmen.

Auf lokale Besserung der Luftqualität durch E-Mobile setzen vor allem die smoggeplagten Metropolen in den USA. 1990 verabschiedete Kalifornien ein Gesetz zur Luftreinhaltung (Clean Air Act). In den Ausführungsbestimmungen legten die Umwelt-Vorreiter an der Westküste 1994 fest, daß ab 1998 die großen Autohersteller nur noch dann Fahrzeuge im Sonnenstaat verkaufen dürfen, wenn zwei Prozent der von ihnen angebotenen Autos abgasfrei sind – was zur Zeit ausschließlich mit Elektrovehikeln zu realisieren ist. Bis 2010, so hieß es weiter, sollte der Anteil an Emissionsfreien in Kalifornien gar auf zehn Prozent klettern. Unmöglich, konterten die Fahrzeughersteller und liefen massiv Sturm gegen diese Bestimmungen – mit Erfolg. Ende März 1996 wurde vom California Air Resource Board (CARB) die Gesetzesvorlage zur Markteinführung von Elektroautos modifiziert: keine Quotenregelung vor 2003. An die Stelle dieser Regelung trat eine Selbstverpflichtung der amerikanischen Unternehmen General Motors, Ford und Chrysler sowie der japanischen Firmen Toyota, Honda, Mazda und Nissan, ab 1998 freiwillig Elektroautos anzubieten. Etwa 4000 Stück wollen die sieben Hersteller mit Beginn der Clean-Air-Act-Vereinbarung im amerikanischen Sonnenstaat verkaufen.

Die europäischen Automobilhersteller sehen sich durch die amerikanischen Vorgaben nicht unmittelbar unter Druck. Sie haben auf Grund ihrer relativ geringen Marktanteile in Kalifornien erst ab 2003 mit der Quotenregelung zu rechnen. Trotzdem preschen einige europäische Hersteller vor und bieten abgasfreie Stromer schon heute an, wenn auch in verschwindend kleinen Stückzahlen: VW produziert jährlich etwa 100 E- Mobile, Peugeot/Citroen hat 1996 mehr als 250 Elektro-Pkw verkauft.

BMW und Daimler-Benz halten sich bei den Elektrischen zurück: Erst ab dem Jahr 2000 will man Elektroversionen ins Schaufenster stellen – gezwungenermaßen. Karl Hoehl, Leiter der Elektrofahrzeug-Vorentwicklung bei Mercedes-Benz, stellt nüchtern fest: „Wenn wir nach 2003 in Kalifornien Autos verkaufen wollen, müssen wir Elektroautos anbieten oder erhebliche Strafzahlungen in Kauf nehmen.“ Bußgelder, und vor allem das damit verbundene negative Image, will freilich kein Autohersteller riskieren.

Daß das Elektroauto heute noch nicht so recht von der Startlinie wegkommt, liegt vor allem an seinen technischen und wirtschaftlichen Defiziten. Das Hauptproblem ist der „Stromtank“: die Batterie. Ihre Speicherfähigkeit ist zu gering, und sie ist obendrein viel zu teuer. Eine erschwingliche Wunderbatterie, die es mit der Energiedichte eines Benzin- oder Dieseltanks aufnehmen könnte, ist weit und breit nicht in Sicht.

Das Speicherproblem läßt sich am deutlichsten anhand eines Vergleichs demonstrieren: Wollte man einen herkömmlichen Blei-Akku so groß machen, daß er den Energieinhalt eines 60-Liter-Dieseltanks faßt – umgerechnet 500 Kilowattstunden (kWh) -, dann müßte er rund 20 Tonnen schwer sein. Selbst eine moderne Hochtemperatur-Batterie dieser Speicherkapazität würde immer noch über 4 Tonnen wiegen.

Da solche Batteriesätze auch in Personenwagen eingebaut werden sollen, also in Fahrzeuge mit zirka 1,2 bis 1,5 Tonnen Gesamtgewicht, muß ihr Gewicht wesentlich geringer sein. Deshalb, so der Umkehrschluß, können sie nur einen Bruchteil der Energie eines Dieseltanks speichern, was dem Aktionsradius der E-Mobile enge Grenzen setzt.

Um das Elektroauto nicht als Verkehrshindernis auf die Straße zu entlassen, hat das US Advanced Battery Consortium (USABC) – eine Gründung der drei großen amerikanischen Automobilfirmen Chrysler, Ford und General Motors – zusammen mit einigen Forschungsinstituten Zukunftsziele formuliert: Mittelfristig fordert das Konsortium die Entwicklung von Akkumulatoren mit einem spezifischen Energieinhalt von mindestens 80 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Langfristig sollen sogar 200 Wh/kg erreicht werden.

Von solchen Leistungen sind die heute verwendbaren Speichersysteme für Elektroautos (Bedingung: viersitziger Fahrgastraum, Batterien nur im Kofferraum) weit entfernt:

Blei-Akkumulatoren: Ihre Energiedichte von 30 Wh/kg ermöglicht einem Fahrzeug von einer Tonne Gewicht etwa 50 Kilometer Reichweite. Batteriekosten, bezogen auf den entnommenen Strom: etwa 375 Mark pro Kilowattstunde.

Nickel/Kadmium-Akkumulatoren: Sie erreichen 50 Wh/kg Energiedichte. Das eine Tonne wiegende E-Mobil kommt damit zirka 100 Kilometer weit. Batteriekosten: etwa 1000 Mark pro Kilowattstunde.

Nickel/Metallhydrid-Akkumulatoren: Mit 80 Wh/kg Energiedichte können sie – allerdings erst als Prototypen verfügbar – einem Ein-Tonnen-Elektroauto etwa 160 Kilometer Reichweite verleihen. Batteriekosten: 2000 Mark pro Kilowattstunde.

Zink/Luft-Akkumulatoren: Wegen des großen Gewichts nur für schwere Nutzfahrzeuge geeignet.

Große Hoffnungen setzen die Batterieforscher auf Hochtemperatur- Akkumulatoren. Sie werden zwischen 280 und 350 Grad Celsius betrieben. Erst ab rund 300 Grad wird der Oxidkeramik-Elektrolyt für Ionen durchlässig, und die stromliefernde Elektrodenreaktion kann ablaufen. Wegen der hohen Temperatur muß die Batterie, wie eine Thermoskanne, mit einer Vakuum-Isolierung ummantelt werden. Trotzdem verliert sie Wärme. Wird der Akkumulator nicht ständig beheizt, entleert er sich nach wenigen Tagen.

Hohe Temperaturen bergen Risiken. Das ist zumindest einer der Gründe, weshalb die Entwicklung des Hochtemperatursystems Natrium/ Schwefel eingestellt wurde. Noch vor wenigen Jahren zählte es mit 80 bis 100 Wh/kg Energiedichte zu den Favoriten für künftige Elektroautos. Doch die Sicherheitsmängel waren gravierend, wie Batterieforscher Manfred A. Gutjahr, Leiter des Gebiets Elektrochemische Energiequellen und Experte für Akku-Tests bei Daimler-Benz, feststellt:

„Die alkalische Schwefelschmelze ist hochkorrosiv gegenüber Stahl. Bei einem Crash, oder wenn der Keramik-Elektrolyt zerbricht, wird das Batteriegehäuse von innen zerstört. Die Schmelze frißt ein Loch ins Gehäuse und entzündet sich an der Luft unter Abgabe von Schwefeldioxid.“ Würde solch ein Brand mit Wasser gelöst, entstünde hochgiftiger Schwefelwasserstoff.

Obwohl der ehemalige Technische Leiter der Batterieentwicklung bei der Herstellerfirma ABB, Hermann Birnbreier, auch heute noch überzeugt ist, die Natrium/Schwefel-Batterie sei technisch in Ordnung gewesen und das Sicherheitsrisiko überwindbar, wurde die Entwicklung Ende 1995 aufgegeben. Auch die Konkurrenzfirma Silent Power in USA, eine Tochter des deutschen Stromgiganten RWE, produziert diesen Hochtemperatur-Akku nicht mehr.

Als Optimum gilt das Hochtemperatursystem Natrium/Nickelchlorid – Produktname: Zebra-Batterie. „Sie ist derzeit die wirkungsvollste von allen“, urteilt Dr. Jürgen Treetz, Experte an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden. Bei 30 kWh Speicherkapazität bringt sie es auf eine Energiedichte von rund 80 Wh/kg, bezogen auf das Gesamtgewicht des Systems – also inklusive zugehöriger Elektronik.

Das ist Weltspitze. Gelegentliche Meldungen über Batterien mit angeb- lich höheren Energiedichten beziehen sich oft stillschweigend auf einzelne Zellen unter Laborbedingungen – ohne Gehäuse und Kontroll-Aggregate.

Mit der Serienfertigung von Zebra-Akkumulatoren ist frühestens 1999 zu rechnen. Und es bleibt das Kostenproblem. Heute werden für Prototypen noch bis zu 100000 Mark auf den Tisch geblättert. Die Herstellerfirma, AEG Anglo Batteries, peilt einen Preis pro Kilowattstunde (kWh) von rund 500 Mark an. Bei 30 kWh Speicherkapazität würde die Batterie also künftig 15000 Mark kosten. Daimler-Benz-Mann Manfred Gutjahr kommentiert skeptisch: „Damit ist ein Elektroauto nicht zu verkaufen.“

In einer vergleichbaren Preisklemme steckt die größte, aber noch ferne Zukunftshoffnung der Batterieforscher: das Lithium-Ionen-System – eine Niedertemperatur-Batterie, die heute schon in Videokameras und Laptop-Computern eingesetzt wird.

Die Kennzahlen dieser Batterie verblüffen. Bis zu 300 Wh/kg Energiedichte, mehr als das Dreifache der bisher bekannten Systeme, müßte sie erreichen können, ermittelte Günther Hambitzer vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie in Pfinztal bei Karlsruhe – technisch realisiert sind derzeit 100 Wh/kg. Lithium-Ionen-Batterien können nicht brennen oder explodieren und lassen sich vollständig rezyklieren.

Traktions-Prototypen existieren bislang nur als einzelne Zellen mit teurem Kobalt als Elektrodenmaterial. Forscher wie Peter G. Bruce von der schottischen St. Andrews University verfolgen aber das Ziel, das Kobalt durch billigeres Manganoxid zu ersetzen. In frühestens vier Jahren könnten die ersten Lithium-Ionen-Traktionsbatterien auf den Markt kommen – zu Kosten von 300 Mark pro Kilowattstunde. Das ließe einen Batteriesatz mit der Kapazität eines Blei-Akkus (30 kWh) etwa 9000 Mark kosten.

Das wäre immerhin kein fünfstelliger Preis mehr. An diese Aussicht klammern sich die Entwickler von E-Mobilen, ungeachtet der teilweise negativen Ökobilanz im Rügen-Test.

Auch anderweitig glimmen Hoffnungsfünkchen: Bis zur Jahrtausend-Wende soll der Energieverbrauch von Elektroautos um zirka ein Drittel fallen – durch sinkendes Gewicht der Fahrzeuge, Rückspeisung von Bremsenergie in die Hochtemperatur-Batterie und Eindämmung ihrer Wärmeverluste. Damit würde der durch E-Mobile verursachte Schadstoff-Ausstoß an den Kraftwerkskaminen um ein Drittel reduziert.

Apropos Kraftwerke: Wenn im Jahr 2010 rund 70 Prozent der fossil betriebenen Stromerzeuger mehr als 30 Jahre alt sind und ersetzt werden müssen, könnten stationäre Brennstoffzellen mit einem errechneten Wirkungsgrad von 65 Prozent die Stromerzeugung übernehmen. Und dann sähe die Emissionsbilanz für den elektrischen Antrieb in Deutschland noch besser aus.

Zink/Luft-Batterie: Feldversuch in Bremen

Vor drei Jahren sorgte die Zink/Luft- Batterie für Schlagzeilen. Das von der israelischen Electric Fuel Ltd. entwickelte Batteriesystem verschaffte – in ein Elektroauto eingebaut – dem Vehikel mit 350 bis 400 Kilometern die bisher größte Reichweite aller E-Mobile.

Inzwischen ist Ernüchterung eingetreten. Neben dem großen Gewicht von etwa 650 Kilogramm pro Batteriesatz, das den Einsatz in einem Pkw unrealistisch macht, hat das System gegenüber den Konkurrenten einen weiteren, schwerwiegenden Nachteil: Die Zink-Elektrode verbraucht sich während der Stromabgabe. Sie muß deshalb nach jedem Entladungsvorgang ausgetauscht und in einer Regenerationsanlage wieder aufbereitet werden.

Von diesem technischen Nachteil hat sich die Deutsche Post nicht schrecken lassen. Seit Mitte Dezember 1995 fahren in Bremen mehr als 60 Elektrotransporter mit Zink/Luft-Batterien. Der auf zwei Jahre begrenzte Feldversuch soll zeigen, ob die Energiebilanz der von Dieselfahrzeugen gleichkommt. Die Energiekosten pro Kilometer liegen allerdings nach vorläufigen Angaben mit 1,40 Mark dreimal so hoch wie bei konventionellen Fahrzeugen.

Möglicherweise könnte sich das trotzdem für die Post rechnen: Die Briefzustellung ist an feste Routen gebunden – die Fahrtplanung läßt sich also an die Reichweite der Batterie und die Wiederaufladezeit anpassen.

Infos im Internet Batterie-Lexikon: http://www.ellw.varta.de/d4.html Electric Vehicle Organization of the Americas: http://www.evaa.org/

Rolf Sterbak

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