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Neue Akku-Technik für E-Autos: So soll der Stromer bezahlbar werden

Wie kommt der Strom ins Auto?

| von Josef Reitberger

Fisker stellt innovatives E-Auto “E-Motion” vor

Das E-Auto ist längst kein Exot mehr – und setzt sich immer mehr durch. Allerdings steht nach wie vor eine Frage im Raum: Wie schaut’s mit dem Akku aus? Reichen die Ressourcen, um den Verkehr der gesamten Welt anzutreiben? CHIP hat Alternativen zur klassischen Batterie auf.

Die Lithium-Vorräte für Auto-Akkus werden knapp

Die geplante Elektrifizierung des Verkehrs hat ein Ressourcen-Problem. Allein die angepeilte Jahresproduktion von 500.000 Model 3 bei Tesla mit jeweils mindestens 60 Kilowattstunden Akkukapazität bedeutet einen massiven Mehrbedarf an Lithium. Lithium ist eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste, aber wirtschaftlich abbaubar ist es nur in den Vorkommen in Salzseen, die meisten davon in Südamerika. Klar ist: Die bekannten Lithium-Vorräte werden nicht ausreichen, um den weltweiten Auto- und LKW-Verkehr komplett zu elektrifizieren. Alternativen zu Lithium-basierten Akkus haben die Autokonzerne im Moment aber nicht im Ärmel.

Nur ein Prototyp: Das Quantino-Elektroauto fährt bereits mit alternativem Akku.

Probleme für die Anwender: Langsames Laden der Batterie

Auch auf der Anwenderseite gibt es noch ungeklärte Fragen. Das Lieblings-Szenario der Elektromobilitäts-Skeptiker ist die Urlaubssaison: Wenn beispielsweise in Nordrhein-Westfalen die Ferien beginnen, bilden sich im Urlaubsverkehr schnell Rückstaus vor den Zapfsäulen an den Autobahnraststätten in Richtung Süden. Dabei sind heutige Autos aber in fünf Minuten abgefertigt.
Die Supercharger von Tesla brauchen für eine 80- Prozent-Ladung 45 Minuten, und selbst die stärkste Ladetechnik (etwa von Porsche angekündigt: 800 Volt, bis zu 350 kW) wird ein Elektroauto mindestens 15 Minuten aufhalten. Wenn alle Autos im Urlaubsstau nach längstens 500 Kilometern so lange geladen werden müssten, bräche der Verkehr auf den  Autobahnen wohl zusammen.

Zum Scheitern verurteilt?

Gleichzeitig wächst jedes Jahr der Anteil der erneuerbaren Energien am europäischen Strommix. Immer häufiger führt die Wetterlage dazu, dass die erzeugte Wind- und Sonnen-Energie vom Stromnetz nicht mehr aufgenommen werden können. An anderen Tagen fallen diese Stromquellen dagegen komplett aus. Autos könnten diese Problemstellung als Puffer abfangen, aber dafür wären noch mehr und größere Akkus notwendig. Ist das Ziel, die Welt bis 2050 auf CO₂-neutrale, also elektrische Energieversorgung umzustellen, also zum Scheitern verurteilt? Ist die derzeitige Versorgung der individuellen Mobilität mit fossiler Energie am Ende alternativlos? Drei Unternehmen geben die Antwort: Nein.

Audi macht’s vor: Erdgas für Verbrennungsmotoren

Audi ist zurzeit in erster Linie im Zusammenhang mit dem  Dieselskandal in den Schlagzeilen. Die VW-Tocher arbeitet im Hintergrund aber an einer Technik, die einen gewichtigen Beitrag zur CO₂-Reduktion leisten könnte: Windkraftanlagen und  Photovoltaik sind hier die Energiequellen, aus der die g-tronModelle der Marke gespeist werden. Audi g-tron steht für ganz normale Verbrennungsmotoren, die statt mit Benzin mit Erdgas betrieben werden. Dass das prinzipiell möglich ist, ist keine neue Erkenntnis: Die elektrische Energie fließt dazu zunächst in eine Hydrolyse-Anlage, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Der Wasserstoff könnte bereits direkt abgezapft und in den Tank eines Brennstoffzellen-Autos gefüllt werden. Audis Anlage zeigt, dass diese Art der Stromvergasung in industriellem Maßstab möglich ist.

Audi betreibt in Werlte eine Pilotanlage im industriellen Maßstab.

Brennstoffzelle zu teuer in der Herstellung

Audi hat mit den h-trons zwar fahrfertige Prototypen mit Brennstoffzelle, die Hersteller Honda, Hyundai und Toyota haben sogar Testflotten mit Tausenden Brennstoffzellenfahrzeugen in Betrieb. Ein Massenthema wird die Brennstoffzelle aber auf absehbare Zeit nicht: Die Herstellungskosten für diese Technik sind zu hoch, ein Durchbruch ist nicht in Sicht. Deshalb gibt es eine weitere Stufe in der Audi-Anlage: Der Wasserstoff wird hier mit Kohlendioxid zu Methan reformiert. Der Reformierungsprozess kostet Energie, aber dafür gibt es für Methan eine einfach zu nutzende Infrastruktur: Das Erdgasnetz. Am Erdgasnetz hängen in Deutschland auch die CNGZapfsäulen (Compressed Natural Gas, nicht zu verwechseln mit dem Flüssiggas LPG), und an diesen Zapfsäulen tanken Fahrer der Audi g-tron-Modelle ihre Gastanks auf.

Die g-tron-Modelle von Audi tanken Erdgas (CNG-Gas) für ihre Verbrennungsmotoren.

Gasmotoren liefern verheerende Energiebilanz

Audi garantiert, dass der Gasverbrauch der g-tron-Flotte aus der im Auftrag des Unternehmens in Werlte (Emsland) betriebenen Stromvergasungsanlage gedeckt wird. Faktisch fahren diese Audis also CO₂-neutral. Über die tatsächlichen Kosten des E-Gases gibt Audi keine Auskunft, der Preis dürfte aber beim Mehrfachen von konventionellem Erdgas liegen.
Die Energiebilanz des Audi-Verfahrens ist auf den ersten Blick verheerend: Die Wasserstoff-Herstellung per Hydrolyse erreicht einen Wirkungsgrad von ca. 75 Prozent, gut fünf Prozent gehen bei der Reformierung zu Methan verloren. Die Verbrennung im Motor läuft mit dem gleichen Wirkungsgrad ab wie in einem modernen Benziner: Im Mittel liegt dieser bei rund 30 Prozent. Von der elektrischen Energie bleiben also weniger als 20 Prozent für den Vortrieb im Auto übrig.
Im Vergleich zum Elektroantrieb mit Lithium-Akku (60 bis 70 Prozent) verliert das g-tron-Modell also deutlich, zudem braucht auch der Gasmotor eine aufwendige Abgasreinigung. Bei Überproduktion von Strom ist der Wirkungsgrad aber nebensächlich, weil dieser tatsächlich umsonst ist. Das Vergasungsmodell lässt sich zudem für Wasserstoff-Antriebe mit Brennstoffzelle adaptieren, und hier ist der Wirkungsgrad mindestens doppelt so hoch.

IFBattery: Flusszellentechnik für’s E-Auto

Einen komplett anderen Ansatz verfolgt das US-Unternehmen IFBattery: Gestartet als Ausgründung aus der Purdue University in Indiana hat sich das Team um John Cushman zum Ziel gesetzt, die Flusszellentechnik für Autos nutzbar zu machen.

Flusszellen werden in der Industrie bereits als Energie-Zwischenspeicher verwendet. Der Kern der Flusszelle ist eine halbdurchlässige Membran, auf jeder Seite der Membran befindet sich eine Elektrolyt-Lösung, deren Ionen als Ladungsträger durch die Membran diffundieren können, wodurch eine nutzbare elektrische Spannung entsteht. Der elektrische Prozess lässt sich umkehren, das heißt, durch das Anlegen einer Spannung bewegen sich die Ionen in der Gegenrichtung durch die Membran, die Elektrolyt-Lösungen werden aufgeladen.

Die Flusszellenbatterien werden mit Elektrolyt-Flüssigkeiten betankt, die sich austauschen lassen.

Akku-ähnliche Technologie mit Flusszellen

Prinzipiell ist der elektrochemische Prozess dem eines klassischen Akkus sehr ähnlich. Interessant wird die Flusszelle dadurch, dass Elektroden und Membran nicht mit dem Elektrolyt reagieren. Die Kapazität der Flusszelle hängt also nicht von den Zell-Komponenten ab, sondern ausschließlich vom ElektrolytNachschub, und der wird aus externen Flüssigkeitstanks gespeist. Bei industriellen Anwendungen sind das Behälter, die ganze Gebäude ausfüllen können.
Für mobile Anwendungen ist die erzielbare Energiedichte aber viel zu gering: Pro Liter werden maximal 80 Wattstunden Energie gespeichert, für die Akkukapazität eines aktuellen e-Golf (35 kWh) wären also allein 440 Liter Flüssigkeit nötig, eine Flusszelle mit Golf-Leistung wäre zudem sehr groß. Die Elektrolyte auf Zink-Brom-Basis sind dabei giftig und greifen die Membranen aus organischen Stoffen an, was die erreichbare Lebensdauer beschränkt. Trotzdem gibt es seit Jahren Versuche, die Technik für Autoantriebe zu adaptieren. Das Fraunhofer ICT präsentierte zum Beispiel schon 2009 einen Versuchsträger in Spielzeugauto-Größe, der mit einer Flusszelle angetrieben wurde.

Das Frauenhofer Institut zeigte schon 2009, wie (Modell-)Fahrzeuge von Flusszellen angetrieben werden können.

Rohstoffe statt giftiger Elektrolyte

Die Forscher aus der Purdue University haben nach eigenen Angaben gleich mehrere Durchbrüche geschafft: Statt giftiger Verbindungen sollen „einfache“ Rohstoffe für die Elektrolyte eingesetzt werden, statt der Zellmembran wird ein poröses Medium verwendet, das bei dem elektrischen Prozess nicht angegriffen wird. Und schließlich wollen sie die Energiedichte deutlich erhöht haben, ohne dazu freilich eine genaue Zahl zu nennen. Bei der Anwendung im Auto könnten die entladenen Elektrolyte abgepumpt und durch geladene Elektrolyte ersetzt werden.
IFBattery stellt in Aussicht, dass dafür einfach die bestehende Infrastruktur benutzt werden könnte: Der Nachschub der Flüssigkeiten würde über Tanklaster und Tankstellen organisiert, das Wiederaufladen erfolgte am besten ohne Verluste direkt an Windenergie- oder Photovoltaik-Anlagen. Trotzdem wäre es möglich, das Auto auch zu Hause an der Steckdose aufzuladen. In dieser Vision werden die Vorteile des mineralölgetriebenen Verkehrs (beliebige Reichweiten) mit denen der Elektromobilität (keine Emissionen, zu Hause „Tanken“) kombiniert.

Hier zeigt John Cushman von der Pudue University den Elektrolyt, mit dem Energiedichte und Haltbarkeit in Zukunft erhöht werden soll.

nanoFlowcell bei Quant-Autos: Fahren mit günstigen, ungiftigen Elektrolyten

Die genaue Zusammensetzung der Elektrolyte ist das große Geheimnis – nicht nur bei IFBattery, sondern auch beim Schweizer Unternehmen nanoFlowcell. Das Unternehmen um Nunzio La Vecchia taucht seit Jahren auf Automobil-Messen auf und zeigt unter dem Markennamen „Quant“ Unglaubliches: Früher zum Beispiel ein Fahrzeug, das ausschließlich mit der Energie von eingebauten Solarzellen fahren sollte.
Heute stecken in den Quant-Prototypen Quantino und Quant FE nach Herstellerangaben Flusszellen. In den Tanks sind die Elektrolyt-Flüssigkeiten namens bi-ION gebunkert, die nicht nur völlig ungiftig sein sollen, sondern zudem in großer Menge aus verfügbaren Rohstoffen billig hergestellt werden. Die Energiedichte soll bei circa 600 Wh pro Liter liegen, das heißt, dass die Kapazität des größten Tesla-Akkus (100 kWh) mit einem praktikablen 170-Liter-Tank realisierbar wäre. Auch nanoFlowcell verspricht den einfachen Aufbau einer Treibstoffversorgung auf der Basis des bestehenden Tankstellennetzes.

Glaubwürdig? Geheimniskrämerei um Technikdetails der Elektroautos

Im Gegensatz zu den Flusszellen aller anderen Entwickler sollen die Quant-Autos die Elektrolyt-Flüssigkeit verbrauchen. Aus dem Auspuff entweicht demnach reiner Wasserdampf, die gelösten Mineralverbindungen werden in einem Filter gesammelt, der etwa alle 10.000 Kilometer gereinigt wird.
Die Glaubwürdigkeit von nanoFlowcell wird durch die Geheimniskrämerei um die Technikdetails nicht eben gefördert: Die Prototypen fahren mit deutscher Zulassung ausschließlich auf Schweizer Straßen, kein Außenstehender darf den Treibstoff sehen oder auch nur daran riechen. Die technischen Daten sind zum Teil unrealistisch: Eine Variante des Quantino-Prototyps soll einen 10-kWh-Puffer in Supercap-Technik verwendet haben (diese Kapazität in aktuellen Supercaps würde über eine Tonne wiegen), der neueste Quantino-Prototyp soll mit 80 kW in unter fünf Sekunden auf 100 km/h beschleunigen (unmöglich für ein Fahrzeug mit mehr als 1.200 kg Masse).

Während einige Journalisten die Flusszelle des Quantino von außen sehen durften, werden die Details über Elektrolyt-Chemie und Aufbau nicht verraten.

Zukunft der E-Autos: Die Prototypen fahren

Für den „großen“ Quant FE gab der Hersteller eine üppige Höchstgeschwindigkeit von 380 km/h an, bezifferte aber gleichzeitig die Leistung der Flusszelle mit 30 kW. Ob nanoFlowcell nun seriös ist oder nicht: Im Herbst 2016 konnten einige Motorjournalisten (unter anderem von Auto, Motor und Sport und von Focus Online) die Quant-Prototypen fahren. Sie bestätigten dabei Grundsätzliches: Die Fahrzeuge werden offensichtlich von Elektromotoren angetrieben, die Reichweite reicht aus, um einen ganzen Nachmittag mit Testfahrten auf den Schweizer Straßen durchzuhalten, die Autos waren für Prototypen erstaunlich hochwertig verarbeitet.
NanoFlowcell berichtete zwischenzeitlich von einer Testfahrt mit japanischen Ingenieuren, bei der eine Strecke von über 1.000 Kilometern ohne Nachtanken zurückgelegt wurde. Die Flusszelle im Quantino ist demnach mittlerweile direkt über das Gaspedal regelbar, sodass ein zwischengeschalteter Pufferspeicher nicht mehr nötig ist. Wenn alles, was nanoFlowcell behauptet, wahr ist, dann steht einer sauberen, nachhaltigen und bezahlbaren Autozukunft nichts mehr im Weg.

Dieser Artikel erschien zuerst im Chip-Magazin/Ausgabe 09/17. Die aktuelle Ausgabe finden sie in unserem Online-Shop.


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