Die Physik setzt der Batterie Grenzen – Seite 1

Ein Elektroauto mit Batterie, etwa der Renault Zoe oder der Volkswagen e-Golf, schafft die Aufgaben eines Zweitwagens schon heute: die Fahrt zur Arbeit und zurück, ins Einkaufszentrum und mit den Kindern zum Sportplatz. Doch ob die Stromer ein Massenerfolg werden, hängt vor allem am Akku. Nicht nur der Preis für den elektrochemischen Speicher muss sinken. Die Sicherheit soll mindestens so hoch sein wie bei der Konkurrenz mit Verbrennungsmotor, die Energiedichte muss sich erhöhen und die Lebensdauer wachsen.

Dirk Uwe Sauer dämpft jedoch die Euphorie. "Die Vorstellung, batterieelektrische Fahrzeuge könnten das heutige Alleskönnerauto eins zu eins ersetzen, wird auf absehbare Zeit nicht Wirklichkeit werden", sagt der Professor für Energiewandlung und Speichersystemtechnik an der RWTH Aachen nüchtern.

Sauer rechnet in den nächsten zehn Jahren damit, dass die heutige Zellchemie optimiert wird und die Energiedichte einer Zelle verdoppelt werden kann. Für Kenner: Der Wert kann von gut 150 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) auf rund 300 Wh/kg ansteigen. Rein technisch wäre das eine zweifache Reichweite bei gleichem Gewicht. "Was dann tatsächlich im Auto verbaut wird, hängt vom Preis und dem erforderlichen Bauraum ab, also dem Volumen, das die Batterie benötigt", sagt Sauer.

Was drin ist, wenn Geld und Platz keine Rolle spielen, zeigt das Tesla Model S. In der Version mit 85 Kilowattstunden Batteriekapazität kostet die Sportlimousine aus Kalifornien mindestens 74.900 Euro. Hier werden Zellen verbaut, die mit geschätzten 220 bis 240 Wh/kg eine deutlich höhere Energiedichte haben als die in den Autos anderer Hersteller. Tesla unter Führung des charismatischen Elon Musk hat in der Realität bewiesen, dass das Konzept sicher ist.

Unterschiedliche Batteriekapazitäten fürs gleiche Auto

Doch Sauer widerspricht allen, die an einen schnellen Durchbruch oder eine Revolution in der Batterieforschung glauben und etwa auf einen BMW i3 hoffen, der mit Energiespeichern in heutiger Größe 700 Kilometer zurücklegt. Für erfolgversprechend hält der Forscher eine Lithium-Schwefel-Zellchemie, falls Lebensdauer und Sicherheit in den Griff zu kriegen sind. Einen Einsatz im Auto sieht er aber nicht vor 2025. Und auch eine Lithium-Schwefel-Batterie wird dann nicht mal eben die Reichweite verdreifachen. Bei Lithium-Luft- und anderen Metall-Luft-Systemen wiederum wäre keineswegs sicher, ob sie wegen notwendiger Zusatzkomponenten in der volumetrischen Energiedichte heutige Batterien deutlich übertreffen könnten.

Grundsätzlich gilt außerdem: Je mehr Energie an einem Ort zusammen gepfercht wird, desto kritischer wird es: In immer besseren Batterien steigt das Risiko, dass sie Feuer fangen. Und die Mindestansprüche für die Feuersicherheit in der Autoindustrie sind extrem hoch: "Die Frage ist, wie hoch die akzeptable Zahl von brennenden Fahrzeugen ist", sagt Sauer. "Sie sollte auch in Zukunft signifikant unter der von Verbrennungsmotorautos liegen."

Tummelplatz für Wunderversprecher

Sauer bezweifelt grundsätzlich, dass es notwendig und zu vertretbaren Kosten machbar ist, an batterieelektrische Autos die gleichen Reichweitenforderungen zu stellen wie an Diesel oder Benziner. Vielmehr plädiert er für ein modulares Baukastensystem: Es würde Kunden ermöglichen, auf Basis der eigenen Bedürfnisse unterschiedlich große Batterien für das gleiche Fahrzeug zu kaufen.

Beim VW e-Golf zum Beispiel ist der Stromspeicher letztlich nicht komplizierter eingebaut als in einem Smartphone – selbst während der Haltedauer kann, rein technisch betrachtet, ein größeres oder kleineres Paket eingesetzt werden. Es ergibt eben keinen Sinn, Unmengen Material durch die Gegend zu kutschieren, wenn es nie gebraucht wird. "Für die lange Autobahnfahrt sehe ich Plug-In-Hybride als sinnvolle Lösung an", sagt Sauer. Und vielleicht könnte in diesen Fahrzeugen anstelle eines Verbrennungsmotors irgendwann eine mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle als Reichweitenverlängerer dienen.

In einer Welt, in der Physik, Chemie und Werkstofftechnik nur eine allmähliche Verbesserung in kleinen Schritten erlauben, haben Wunderversprecher immer wieder Konjunktur. Ihnen allen ist gemein, dass sie behaupten, eine bahnbrechende Erfindung gemacht zu haben – um sich dann bei bohrenden Nachfragen in Geheimniskrämerei zu üben. Jüngst etwa hatte das Liechtensteiner Unternehmen Nano Flow Cell einen 5,25 Meter langen Sportwagen vorgestellt, der mit einer Akkuladung 600 Kilometer weit elektrisch fahren soll. Skeptiker sind vom Konzept des Quant-e keineswegs überzeugt.

Der Elektromotor des Wagens bezieht seinen Strom aus einer sogenannten Redox-Flow-Batterie, die nicht an der Stromleitung geladen wird, sondern bei der die Elektrolyt-Flüssigkeit ausgetauscht und aufbereitet wird. Allein das notwendige Volumen des Flüssigkeittanks im Quant-e, 400 Liter, zeigt, dass nicht zufällig ein sehr großes und luxuriöses Fahrzeug zur Präsentation vorgestellt wurde. Ein exklusiver Prototyp braucht, anders als ein Serien-Polo, keine Rücksicht auf Bauraum, Gewicht und Kosten zu nehmen.

Allen Unkenrufen zum Trotz ist vieles aber auch eine Frage der Perspektive. In einem Szenario, in dem unterschiedliche Antriebsarten zweckorientiert eingesetzt werden, hat das batterieelektrische Auto schon jetzt eine sehr gute Prognose. Denn von den 44 Millionen deutschen Pkw werden viele tatsächlich nur auf Kurz- und Pendelstrecken eingesetzt. Diese – vielleicht sind es fünf Millionen, vielleicht 15 Millionen – könnten komplett durch batterieelektrische Autos ersetzt werden. Dazu muss sich nur ein Parameter ändern: der Preis.