Elektromobilität : Das Risiko Akku-Lebensdauer

Renault verkauft Elektroautos ohne Batterie. Das senkt nicht nur den Kaufpreis, sondern nimmt Kunden eine Sorge: Wie lang halten eigentlich die Akkus?
Produktion von NiMH-Batterien bei Toyota © press-inform/Hersteller

Die Elektromobilität hat einen schwierigen Weg vor sich. Schuld daran sind nicht nur die hohen Preise der elektrisch angetriebenen Fahrzeuge oder ihre geringen Reichweiten. Zuletzt brachten brennende Lithium-Ionen-Akkus im Chevrolet Volt , dem baugleichen Bruder des Opel Ampera, dem E-Antrieb negative Schlagzeilen – auch wenn der Skandal auf den zweiten Blick kein wirklicher ist. Die Akkus fingen nur deshalb Feuer, weil sie nach einem Crashtest nicht ordnungsgemäß entladen wurden; zudem konnte die schwelende chemische Reaktion erst Tage nach dem Crash das Feuer entfachen. Das Feuer-Risiko für die Insassen bleibt also gering. Dennoch modifizierte der Autokonzern General Motors (GM), zu dem Chevrolet und Opel gehören, das Batteriepaket des Hybridfahrzeugs.

Doch schon bald könnte der nächste Schlag auf die Stromer-Branche zukommen. Denn wie sieht es mit der Haltbarkeit der Batterien aus? Jeder Besitzer eines Handys oder Laptops weiß, dass die Kapazität des Akkus irgendwann merklich nachlässt. Dass Hersteller wie Daimler, VW oder BMW mit der Markteinführung ihrer Elektroautos und Plug-In-Hybride so lange zögern und zuerst Testflotten auf die Straße schicken, dürfte auch mit der Unsicherheit hinsichtlich der Lebensdauer zu tun haben.

Andere Hersteller gehen mit dem Thema forscher um. Allen voran Toyota – kein Autohersteller hat mehr Erfahrung in der Batterieproduktion. Für die erste Generation des Hybridautos Prius wurde schon 1996 ein Joint-Venture mit Panasonic gegründet. Seitdem wurden vier Millionen Batteriepakete produziert. 80 Prozent aller weltweit eingesetzten Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH), wie sie im Prius verbaut werden, kommen aus Fabriken in Kosai im Bezirk Shizuoka. Sogar Hybridmodelle von GM fahren mit diesen Akkus.

Simulationsverfahren zur Lebensdauer fehlen

Auch wenn Plug-In-Hybride wie der Volt/Ampera oder Toyotas Prius Plug-In sowie rein batteriebetriebene Autos wie der Nissan Leaf inzwischen leistungsfähigere Lithium-Ionen-Akkus an Bord haben: NiMH-Akkus haben noch lange nicht ausgedient. Für sie spreche neben den geringeren Herstellungskosten die hohe Lebenserwartung, sagt Toyotas Chefingenieur Satoshi Ogiso. "Unsere Datenbasis zeigt, dass es mit der Zeit zwar eine leichte Reduktion der Kapazität gibt, die macht sich aber in der Leistung nicht bemerkbar."

Der Batterie-Experte Werner Tillmetz vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Ulm erklärt, wie Toyota die Nutzungsdauer verlängert: "Die NiMH-Batterie hat bei hohen Lade- und Entlade-Hüben Probleme, deshalb wird sie nur über einen kleinen Bereich be- und entladen. Meist nutzt man nur zehn Prozent der Batteriekapazität." Das mache die Batterie zwar teurer, erhöhe aber Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Bei Lithium-Ionen-Akkus kann man laut Tillmetz zwar deutlich mehr Kapazität nutzen, aber "auch hier gilt es die Schwächen der Batterie zu berücksichtigen". Der Fachmann, in dessen Institut Akkus auf ihre Haltbarkeit und Sicherheit getestet werden, betont, dass man über die Haltbarkeit von Lithium-Ionen-Akkus im Auto derzeit nur begrenzt Aussagen machen könne. Es fehlten Erfahrung mit der Lithium-Ionen-Technik im Automobilbereich und daraus entwickelte Prüfverfahren, die die Lebensdauer simulieren.

Kommentare

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Appell.....

Nach wie vor wird auf ex und hopp hingearbeitet. Das bedeutet, entweder das Auto überlebt die Batterie, dann kann man sich eventuell eine neue Batterie kaufen, die zu dem Zeitpunkt vielleicht passt oder aber die Batterie überlebt das Auto, dann kann man Beides verschrotten, denn eine ausgelutschte Batterie wird wohl keiner gerne weiter nutzen.

Einzige Lösung ist Wasserstoff!

Nein, die Lösung ist nicht...

... Wasserstoff. Auch wenn das die H2-Enthusiasten immer wieder Gebetsmühlenartig wiederholen.

Ein E-Auto mit Akku ist mit Vorkette der Energiebereitstellung ca. 2-4 mal so effizient wie ein H2-Auto.

Und sobald die Kohlenstofftoleranten Brennstoffzellen wie z.B. die SOFC weiter entwickelt sind, ist H2 entgültig tot.

Auch und nebenbei:

Selbstverständlich wird die "ausgelutschte" Batterie weiter genutzt. Die Betreiber von WKA und PV-Anlagen reiben sich schon jetzt die Hände günstig an Hochleistungsakkus zu kommen. Genau diese Zweitverwertung wird in den betreffenden Branchen schon längst diskutiert.

Darüber hinaus dürften die Akkus nach 5 Jahren um ca. 30-40% besser sein als zum Kaufdatum. Entsprechend einfach sollte es sein zwecks Austausch selbst Herstellerfremde Akkusätze zu bekommen die in jedes Auto passen.

30 - 40 % in 5 Jahren?

Also ich vermute mal sie meinen damit technischen Fortschritt in Bezug auf die Energiedichte, das halte ich für zu hoch.

Es ist doch nicht so, dass die Li Ionen Technik wirklich neu wäre. In den letzten 15 Jahren wurden laut Science durchschnittliche Verbesserungen (der Energiedichte) von 5% p.a. erzielt, das wären ca. 30% in 5 Jahren. Aber je näher man dem theortischen Maximum kommt, desto schwerer werden Verbesserungen, das Gesetz des fallenden Grenznutzens greift hier halt auch. Von daher wäre es erstaunlich, wenn sich das Tempo halten liesse.

Ich würde eher schätzen, dass es eine ganz neue Batterieart braucht, damit die Akkus die notwendigen Leistungsdaten bringen. Vielleicht Lithium-Schwefel oder Lithium-Luft? Könnte auch auf eine optimierte Redox-Flow oder gar Aluminium-Luft rauslaufen, aber das sind alles Konzepte, die noch in der Grundlagenforschung sind

Ich glaube...

.. Sie liegen falsch, was das "theoretische Maximum" angeht.

Welches soll denn das sein? Bis ca. 300Wh/kg dürfte das mit der heutigen Zellchemie weiter gehen.

Im übigen zählen die Lithium-Schwefel- und Lithium-Luft-Akkus selbstverständlich zu den Lithium-Akkus der beiden nächsten Generationen. Vor allem die LiS dürften innerhalb der nächsten 10 Jahre Einzug halten... die Hersteller erforschen bereits deren Chemie.

Und vorher dürften die reinen E-Autos mangels Masse ohnehin kaum relevant sein... und die plugin-Vollhybriden mit relativ kleinem Akku stellen ohnehin kein Problem dar.

Der Vergleich ist völlig korrekt...

... da die Schwankungsbreite "2-4 mal" sehr breit ist.

Sie berücksichtigt selbst pseudo-technische "Fortschritte", die irgendwelche H2-Enthusiasten angeblich erzielt haben wollen.

Denn am Wirkungsgrad der H2/Luft-PEM Brennstoffzellen mit ca. 40-45% el. kommt niemand vorbei, egal wie das H2 bereitgestellt wurde. Das alleine entspricht schon dem Faktor 2, um welchen das E-Auto effizienter ist.

Wird die übliche H2-Bereitstellung mittels Elektrolyse und Kompression auf 700bar angenommen sind wir auf jeden Fall beim Faktor 3, selbst mit den pseudo-technischen "Fortschritten". Der Faktor 4 wird mit heute existierenden, industriell verfügbaren H2-Lösungen erreicht.

Wie gesagt, wenn die SOFC von über 1.000°C Betriebstemperatur auf ca. 350°C Betriebstemperatur gedrückt werden kann - und 650°C sind bereits erreicht - dann fliegt H2 entgültig raus, weil dann technisch viel einfacher (d.h. billiger)(EE-) Methan verwendet wird. Da zwei renomierte Universitäten/Institute daran arbeiten sehe ich größere Erfolgsaussichten.

Aber das habe ich Ihnen ja schon mehrfach geschrieben... denken Sie mal darüber nach!

Vielen Dank für den Link...

... ich wusste noch nicht, dass auch das Forschungszentrum Jülich an SOFC forscht. Wobei es dabei aber um die Marktreife "konventioneller" SOFC geht.

Daher darf ich Ihnen diesen Link empfehlen:

http://www.heise.de/tr/ar...

Soweit mir bekannt ist, arbeitet eines der Fraunhofer Institute an einem Projekt mit genau der gleichen Zielsetzung bezüglich der Temperatur.

Betonen möchte ich die extrem hohe Energiedichte der im Link aufgezeigeten Tieftemperatur-SOFC. Dadurch ist die Isolierung aufgrund der geringen Größe einfach und zudem könnte die Brennstoffzelle Lastwechsel überaschend gut vertragen.

nichts zu danken, ...

vermutlich nicht nur mich freut Ihre Informiertheit und praxisnahe Relativierung als Erweiterung der ZeitArtikel

Ob man "ausschliesslich" die Synthese von H2 zu Methan anstreben wird, scheint mir dabei einer Überlegung wert:
BraunkohleKraftwerksCO2 zu Wertstoffen durch Mikroorganismen:
http://www.bine.info/haup...
DCFC:
http://en.wikipedia.org/w...

Metal Organic Framework, LOHC "Liquid Organic Hydrogen Carriers" ( http://de.wikipedia.org/w... )

(Wird man Methanhydrat an den Hängen der Kontinentalschelfe "sichern"???)

Ob zentral oder...

... dezentral macht für die schlechte Effizienz der H2-Technik keinen großen Unterschied.

H2 kann und wird vermutlich einen kleinen Anteil an der Energiewende haben, aber ob sich das gegen Strom+Methan durchsetzen wird ist fraglich.

Und nochmals: Es gibt nichts schlimmeres, als H2 in Verbrennungsmotoren einzusetzen. BMW hat diese Technik vor Jahren aufgegeben und weltweit forscht kein Hersteller mehr an der H2-Verbrennungstechnik.

Danke für die Links...

... wenngleich sie mir dieses mal nichts neues mehr bringen.

H2 und Methan kann durch vielerlei Quellen erzeugt werden, es stellt sich bei jeder die Frage nach der Wirtschaftlichkeit. Algenfarmen könnten durchaus in Zukunft H2 und/oder Biomasse bereitstellen, aber da sind wir wohl noch Jahrzehnte entfernt und es ist fraglich, ob das in Deutschland wirtschaftlich ist.

Carbazol ist in der Tat ein interessanter Stoff bezüglich der H2-Speicherung, hat aber auch seine Nachteile:

Methan (@200 bar) ist nach wie vor energiedichter und die Tankstellen können auch nicht einfach so auf Carbazol umgestellt werden. Zudem ist auch das "Laden" des Carabzols verlustbehaftet... und auch das "Entladen" benötigt noch Temperaturen von ca. 200°C, was H2-PEM Brennstoffzellen nicht erreichen. Technisch anspruchsvoll ist auch die Speicherung im Auto mittels zweier getrennter Tanks und nicht zuletzt hat man immer entladenes Carbazol als "totes" Gewicht im Auto, was ebenfalls Effizienz kostet.

Und an der Effizienz der Brennstoffzelle ändert das natürlich nichts. Hat man H2 als Treibstoff wird man die H2-PEM Brennstoffzellen einsetzen und nicht die aufwändigeren aber viel effizienteren SOFC. Wobei sich die Frage stellt, wie groß der Markt zukünftig für diese Autos überhaupt ist.

Methanhydrat sollte man am besten gar nicht anfassen... zu gefährlich für meinen Geschmack. Es laufen bereits verschiedene Forschungsprojekte zum Abbau, z.B. in China.

400% in 20 Jahren?

In den letzten 15 Jahren wurden laut Science durchschnittliche Verbesserungen (der Energiedichte) von 5% p.a. erzielt, das wären ca. 30% in 5 Jahren.

Keine Ahnung wie "Science" das berechnet haben will, aber meines Wissens nach hatten die ersten kommerziellen 18650-Zellen eine Kapazität von 1,1Ah.
Mittlerweile gibt es diese Zellengröße bei ebay mit einer Kapazität von 4Ah zu kaufen, und nicht mal besonders teuer.

Daraus errechnet sich für mich eine Steigerung zumindest der volumetrischen Energiedichte von fast 400%.
Leider habe ich gerade keine Zeit zu recherchieren wann genau die ersten 18650 auf den Markt kamen, aber mehr als 25 Jahre kann das nicht her sein.

Leider, leider...

... gibts H2 nicht umsonst. Ganz im Gegenteil muss man erheblichen Aufwand betreiben um es aus Primärenergieträgern verlustbehaftet zu gewinnen.

Und die Nutzung des H2 sorgt nicht direkt wieder für die Erneuerung der Ressource H2 - Versprechen des Perpetuum mobile sind immer gelogen.

Darüber hinaus macht es für den Endverbraucher sehr wohl einen Unterschied, ob er aus 1kWh Energie die er gekauft hat ca. 0,8 kWh beim E-Auto herausbekommt, oder eben nur ca. 0,4 kWh beim Auto mit Brennstoffzelle.

2541 PetaJoule

Endenergieverbrauch für Transportleistungen,
92% für Kraftstoffe, davon etwas über 80% im Straßenverkehr, also ~1950 PJ (2009).
http://www.umweltbundesam...

Wenn davon derzeit etwa zwischen 25-30% als Antriebsenergie genutzt werden können, zeigt dieses meine ich doch den erheblichen Einfluss des Wirkungsgrades auf die benötigte Primärenergie aus nachhaltigen Quellen (verschleissfrei hergestelltes Wasserstoffgas dürfte auch im idealsten (nachhaltigen) Szenario unwahrscheinlich sein?). Die Umwandlungsverluste von erneuerbarem H2 zu EMethan (Elektroyse: unkomprimiert H2 64-77% http://de.wikipedia.org/w...) scheinen im Bereich von ~10% zu liegen. (CO2 prozesskompatibel vorhanden?)

Energieeffizienz alternativer Antriebe:
http://www.greengear.de/a...

bei kurzer Speicherdauer scheinen moderne LithiumAkkus (stellvertretend für ähnliche Entwicklungen im 90-95% Lade-EntladeWirkungsgradbereich) unerreichbar, für längerfristige Überbrückungen und Notfallreserven sollte man GtL und auch das Potential neuartige Wasserstoffspeicher (http://www.diebrennstoffz... Grafit-NanoFasern, Seite unten) nicht unerwähnt lassen???

Vielleich

liegt die eigentliche Stärke des H2 eher drinn, dass man wenn man Ihn weiterverarbeitet zu methan, wir eine gute Möglichkeit zur Langzheitspeidcherung der EE im Erdgasnetz haben. (Reicht schienbar für mehrere Monate Stromversorgung). Darüberhinaus wäre Methan universell einsetzbar. Zur Rückverstromung, Heizen, Kochen, Fahren ?

Sicher ist der Primärenergieverlust hoch. Doch noch Verlustreicher ist doch sicher das Abschalten von Offshorewindanlagen bei Sturm....

Wahrscheinlich ist Platz für verschiedene dieser Techniken.

Unendlich sind bekanntlich nur 2 Dinge

es geht doch gar nicht um perpetuum mobile, sondern um die unendliche Verfügbarkeit des Wassers.
http://www.itas.fzk.de/ta...

"Zur Herstellung von einem Kilogramm Wasserstoff (Energieinhalt von 3,5 Litern Benzin) werden 9 kg Wasser sowie (einschließlich Elektrolyse, Verflüssigung, Transport, Lagerung und Verteilung) etwa 100 kWh Strom benötigt. [...]

Am Frankfurter Flughafen werden täglich 50 Jumbo-Jets mit je 130 Tonnen (160 m3) Flugbenzin befüllt. Die gleiche Energiemenge steckt in 50 Tonnen (715 m3) flüssigem Wasserstoff. Zur Betankung aller Jumbos mit Wasserstoff müssten täglich 2.500 m3 Flüssigwasserstoff bereitgestellt werden, für dessen Herstellung man 22.500 m3 sauberes Wasser und die elektrische Leistung von acht Kraftwerken von je 1 GW benötigt (zum Vergleich: Das AKW Biblis hat eine Leistung von 1,3 GW). Für die Versorgung aller Flugzeuge des Flughafens mit Wasserstoff müsste man den Wasserverbrauch der Stadt Frankfurt und die Energie von mindestens 25 Großkraftwerken einsetzen.

Die Energie für den Wasserstoff stammt eben nicht einfach nur aus „erneuerbaren Quellen“, wie das die Befürworter einer Wasserstoffwirtschaft gerne darstellen. Die Fragen „Woher das Wasser?“ und „Woher der Strom?“ müssen vor dem Aufbau neuer Infrastrukturen zuerst einmal beantwortet werden."

Ich bin mir sogar recht sicher...

... das H2 einen Platz in der Versorgung mit 100% Erneuerbare Energien einnehmen wird. Überwiegend jedoch als Methan, weil dafür die eine sehr leistungsfähige Infrastruktur vorhanden ist, die nur sehr eingeschränkt für H2 geeignet ist.

Hier einige Links die für Sie von Interesse sein dürften:

http://www.abgnova.de/pdf...

bzw.

http://www.solar-verein.d...

Zudem stellt sich die Frage, wie sich der Bedarf an flüssigen/gasförmigen Brennstoffen in Zukunft überhaupt entwickeln wird. Ich gehe von einer enromen Dominanz der plugin-Vollhybride aus, gefolgt von einem erheblichen Anteil an E-Autos mit Akku. Wobei der Übergang zwischen diesen beiden fließend ist.

Dennoch die Frage: Wenn man mit Akku gesichert 50-100km weit kommt (und das deckt 90% aller täglichen Fahrleistungen ab), wie groß ist dann überhaupt noch der Markt für Brennstoffzellenautos?

Marktanteil

"Dennoch die Frage: Wenn man mit Akku gesichert 50-100km weit kommt (und das deckt 90% aller täglichen Fahrleistungen ab), wie groß ist dann überhaupt noch der Markt für Brennstoffzellenautos?"

Ziemlich groß, da die 10% einen größeren Marktanteil haben als die 90%.
Was nützt mir ein teures Auto wenn ich nur 90% der anfallenden Fahrten damit machen kann und für die anderen 10% zusätzliches Geld, Aufwand, Unbequemlichkeit usw. auf mich nehmen muss?
Dazu kommt dann noch das Problem mit dem LKW-Verkehr, Taxis und allen PKW-Fahrern die nicht zum Durchschnitt gehören.

Das ist eine Milchmädchenrechnung...

... denn der Schlüssel liegt im Stichwort: plugin-Vollhybrid

Als plugin-Vollhybrid ist das "E-Auto" voll alltagstauglich und ohne die Reichweitenbeschränkung des Akkus. Meiner Ansicht nach wird dieser Antriebstyp auf lange Zeit der dominante sein, da er die Vorteile beider Antriebsarten vereinigt und nahezu keine der Nachteile aufweist.

Denn Fahren mit Akku ist über diese 50-100km auf jeden Fall günstiger als mit Brennstoffzelle. Die BZ soll als H2-PEM irgendwann mal bei ca. 150 Euro/kW liegen... da liegen range extender mit Verbrennungsmotoren schon heute, sogar ohne standardisierte Massenproduktion. Zudem ist eigentlich für die meisten Autos (Golf-Klasse) nur ein kleiner, günstiger range extender von ca. 20-25kW Leistung erforderlich um die Reichweite beliebig zu erhöhen.

Deshalb nochmals die Frage: Wie groß ist der Markt für Brennstoffzellen-Autos? Lohnt es sich überhaupt mit diesem Antrieb für PKW zu rechnen?

Die LKW haben wir dabei gar nicht angesprochen, da hier die BZ - vermutlich eine SOFC mit Methan und keine H2-PEM - ohnehin die wahrscheinlichste Lösung ist.

Markt

"Wie groß ist der Markt für Brennstoffzellen-Autos?"

Die Frage sah vorhin etwas anders aus. Wie groß der Markt ist hängt ganz entscheidend davon ab, wie sich die Kosten der verschiedenen Technologien entwickeln und wie die Förderung aussieht.
Das lässt sic heinfach noch nicht sagen, weswegen sich auch noch niemadn festlegt.
"plugin-Vollhybrid" ist eine Variante die durchaus denkbar ist. Sie hängt allerdings ganz stark an den Kosten für das System. Und Hybride haben immer das Problem das zwei Technologien zum Einsatz kommen, wo in den anderen Varianten nur ein benötigt wird. Am Ende entscheiden aber immer die Ksoten und oder der Staat mittels Gesetzen und Förderung.

Politisch verordnet

Das ist das Problem von politisch verordneter Wirtschaft.

Ähnlich wie beim EEG und dem Atomausstieg.

Man kann halt eine Technik nicht durch Politik herbeireden.
So wird sie jetzt halt halbfertig unters Volk gebracht.

Wenn die E-Technik beim Auto bezahlbar und ausgereift wäre bzw. ist, dann hätte sie sich schon selber am Markt durchgesetzt, bzw. wird sie sich am Markt durchsetzen. Vorher nicht.

Oder, wenn sie bezahlbar

Renaults Gewinnerwartung

Ein 22kWh-Akku wie im Fluence hat sich bei 80€ Miete im Monat nach meiner Schätzung in etwa 5 Jahren amortisiert, bei den heutigen Akkupreisen.
Offensichtlich hat Renault gute Gründe anzunehmen, dass die Akkus wesentlich länger leben und sie danach noch etliche Jahre die Mieteinnahmen als Gewinn verbuchen können.
Noch besser: in 8-10 Jahren sind Akkus viel billiger als heute, d.h. wenn Renault dann für einen Austauschakku gleicher Kapazität die gleiche Mietgebühr weiterverlangen würde, wäre das ein richtig gutes Geschäft für sie!
Für den Kunden leider weniger...

Positiv am Leasingmodell ist, dass der Anbieter ein Interesse an möglichst langlebigen Akkus hat und keine "Wegwerfakkus" einbauen wird. Bei vielen Handys, MP3-Playern, Laptops und auch manchen Pedelecs liegt angesichts der kurzen Lebensdauern der Verdacht nahe, dass genau das der Fall ist.

Allerdings sollten sich die Kunden die Miet- bzw. Leasingverträge für die Akkus SEHR genau durchlesen!
Vor etwa 10-15 Jahren hatten viele Besitzer von PSA-Elektroautos, die ihre NiCd-Akkus nur gemietet hatten, das Problem dass ihnen die Mietverträge nicht verlängert bzw. gekündigt und die Akkusätze einfach ausgebaut wurden.
Der Rest war dann, da es keine adäquaten Ersatzakkus gab, natürlich praktisch wertlos.
Heute lassen sich solche Autos relativ einfach auf Li-Akkus umbauen, z.B. http://www.elektroauto-fo... (nein, ist nicht meiner und ich kenne auch den Anbieter nicht).