Ausgabe 09/2014 - Gute Frage

Elektroautos: Reichweite des E-Mobile

Warum kommen E-Mobile nicht weiter voran?

• Im Urlauberstau sieht man einen BMW i3 selten. Denn mit dem schicken E-Mobil kann man nur gut 160 Kilometer weit fahren, dann muss er für bis zu acht Stunden an die Steckdose. Wer 4500 Euro extra investiert, hat ein Benzinmotörchen mit einem Acht-Liter-Tank an Bord – für eine Handvoll Kilometer mehr.

Dabei ist der i3 schon so ausgelegt, dass er vor der Konkurrenz aus Japan und Frankreich liegt. Das Tesla Model S mit 85-kWh-Batterie schafft zwar fast die dreifache Distanz, ist aber sehr viel größer, schwerer und mit 75 000 Euro für die günstigste Variante knapp dreimal so teuer wie der Bayer. Würde BMW einen i3 mit 400, 500 Kilometer Reichweite bauen, wäre der nochmals teurer als der Tesla. „Der i3 ist als City-Auto konzipiert“, sagt die BMW-Sprecherin Verena Stewens über die begrenzte Reichweite des i3 – Normalfahrer würden eh nur 45 Kilometer am Tag zurücklegen.

Wer in der Stadt abgasfrei fahren will, ohne die Reichweite einzuschränken, muss einen Hybrid wie den Toyota Prius oder den BMW i8 kaufen – der gerade mal 37 Kilometer weit kommt, bis der Verbrennungsmotor seinen Dienst aufnimmt. Das liegt alles am Akku. Warum ist es bloß so schwer für die Hersteller, die Defizite der Stromspeicher zu beseitigen?

Im Labor starke Akkus zu entwickeln genügt nicht. Eine E-Auto-Batterie muss sicher und alterungsbeständig sein, Wind und Wetter trotzen, jederzeit die benötigte Kraft auf die Straße bringen, eine ausreichende Zahl von Ladezyklen überstehen und sich zu marktfähigen Kosten in Großserie fertigen lassen.

Deshalb verbündete sich Steven Visco, Gründer und Vorstandsvorsitzender der Polyplus Battery Company in Berkeley, mit dem Autozulieferer Johnson Controls. Mit seinen Forscherkollegen hatte er zwar mehrere neuartige Konzepte für zivil und militärisch nutzbare Lithium-Batterien entwickelt, den Wissenschaftlern fehlte aber das Produktions-Know-how. Visco forscht seit den Neunzigerjahren, trotzdem ist der Sprung aus dem Labor noch nicht geschafft. Die Energiespeicher für Autos stammen heute noch von Konzernen wie Samsung und Panasonic.

Batterien speichern Strom mittels chemischer Prozesse. Sie bestehen aus einer Kathode (positive Elektrode, die Elektro-nen abgibt), einer Anode (negative Elektrode, die sie aufnimmt) sowie einem flüssigen oder festen Elektrolyten. Je nach Anforderung können die Chemiker aus einem großen Repertoire an Materialien schöpfen. Für einen Gabelstapler, der ein Gegengewicht zur Last auf seiner Forke braucht und langsam kurze Strecken fährt, sind schwere Blei-Anoden kein Problem. Für flinke Autos taugen nur Leichtmetalle. So lösen die Lithium-Ionen-Batterien (LiIon), von denen BMW, Tesla, Renault und die Japaner unterschiedliche Typen einsetzen, halbwegs befriedigend den Zielkonflikt der Automobil-Konstrukteure: Akkus sollen nicht zu schwer, nicht zu voluminös und dabei halbwegs erschwinglich sein.

LiIons haben aber einen großen Nachteil: Dank hoher Leistungsdichte stellen sie viel Kraft zum Beschleunigen bereit, doch mit ihrer Ausdauer – ablesbar an der Energiedichte – hapert es. Noch macht jeder zusätzliche Kilometer Reichweite das E-Auto ein Kilo schwerer. Übertriebene Akkukapazitäten machen das Fahrzeug teuer und zu schwer – und schwere Autos sind langsamer und brauchen mehr Strom.

Selbst wenn es eines Tages gelingt, die Energiedichte serientauglicher LiIon-Zellen zu verdoppeln, muss der Wagen vier Zentner Akkus mitschleppen, um so weit zu kommen wie ein Verbrenner mit 35 Kilo Sprit. Der Tesla mit 85 kWh wiegt zum Beispiel 2,1 Tonnen, mehr als die Hälfte davon wiegen die Akkus.

Deshalb hoffen Batteriespezialisten wie Steven Visco, bald einen ganzen Gewichts-, Volumen- und Kostenfaktor aus der Rechnung nehmen zu können. Ein Umwandlungsprozess, der den Sauerstoff aus der Luft nutzt, macht die klassische Kathode überflüssig. Bei Hörgerätebatterien mit Zink-Anode wird das schon lange praktiziert; in ihnen ist auf engstem Raum sehr viel Energie verdichtet. Die Crux: Der chemische Prozess ist eine Einbahnstraße. Zink-Luft-Batterien sind nicht aufladbar.

Einweg-Akkus mit Luftfüllung

Technisch spricht nichts dagegen, große Metall-Luft-Batterien zu konstruieren, um damit Fahrzeuge anzutreiben. Die Forscher setzen dabei nicht auf das schwere Zink, sondern auf Leichtmetalle wie Aluminium oder Lithium – und sie tüfteln an aufladbaren Versionen. Auf dem langen Weg von der Grundlagenforschung zur Produktreife ist der Superakku von morgen aber noch in einer frühen Phase. So arbeiten der deutsche Physiker Winfried Wilcke und sein Team am IBM Forschungszentrum Almaden im Silicon Valley seit 2009 im „Battery 500“-Projekt an einem Lithium-Luft-Akku. Dieser soll eines Tages eine Familienlimousine 500 Meilen (800 Kilometer) weit bringen.

Vorerst könnten die Pioniere den Autoherstellern nur Einweg-Akkus anbieten. Auch für diese Technik gibt es bereits eine Geschäftsidee. Aviv Tzidon, der Gründer des israelischen Start-ups Phinergy, versucht dem Renault-Nissan-Konzern eine Alu-Luft-Batterie schmackhaft zu machen, die nach 1000 Meilen leer ist und zur Wiederaufbereitung ausgebaut werden muss – allerdings nicht als Hauptenergiequelle, sondern nur als Reichweitenverlängerer. Im Alltag würden die Autos mit einem normalen LiIon-Akku fahren.

Der Montageaufwand beim Batterietausch wäre überschaubar, denn automatisierte Wechselstationen gibt es bereits. Erfunden hat sie der Ex-SAP-Manager Shai Agassi. Mit seiner inzwischen gefloppten Firma Better Place wollte der Israeli eine Infrastruktur von Stromtankstellen aufbauen, an denen die Fahrer blitzschnell leere gegen frisch geladene Akkus tauschen sollten. Auch Better Place kooperierte mit Renault-Nissan.

Der Rest der Autoindustrie zeigte keinerlei Interesse an einem Wechselsystem, denn das setzt die Einigung auf einige genormte Größen voraus, die an jeder Tankstelle erhältlich sein müssten.

Mit einheitlichen Akku- oder Batterieblöcken und 08 / 15-Ladebuchten im Unterboden würden sich die Premiummarken jedoch selbst schaden. Designer und Konstrukteure wären in ihren Gestal-tungs- und Differenzierungsmöglichkeiten stark eingeschränkt, konkurrierende Autos würden sich noch viel ähnlicher. Wie sich ein i3 oder ein Tesla fährt, hängt zwar nicht von den einzelnen Zellen ab, die in den Batteriepacks verbaut sind, sehr wohl aber von der in die Akkublöcke eingebetteten Elektronik, Software und Kühlung.

Tesla und die deutschen Hersteller bauen deshalb lieber Starkstrom-Tankstellen an Rastplätzen und Autohöfen, die je nach Typ während einer 20- bis 30-minütigen Pause den Ladestand auf 50 bis 80 Prozent heben. Einen i3 macht ein „Schnellladenetz für Achsen und Metropolen“ (Slam) zwar nicht zum Langstreckenwagen, einen Tesla schon.

Weder die Exklusiv-Ladeparkplätze für die Kunden der Kalifornier noch die Slam-Stationen der hiesigen Marken sind dafür ausgelegt, einen großen Urlauberansturm zu bewältigen. Die kommenden E-Modelle der deutschen Hersteller sind noch allesamt für die elitäre Nische der „Early Adopters“ bestimmt.

Diese Avantgarde-Klientel hilft der Industrie, die Brüsseler Vorgaben zur Kohlendioxid-Minimierung ihrer Autoflotten zu erfüllen. Mit dem Einstieg in den E-Massenmarkt lassen sich VW, Daimler und BMW gern noch Zeit – unabhängig vom Fortschritt bei Akkus. Das Geschäft mit Otto und Diesel läuft schließlich bestens. ---

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