Batterien – Zukunftstechnologien im Check

Batterien sind unverzichtbarerer Bestandteil der Elektromobilität. Doch wirft der Energiespeicher auch viele Fragen auf, vor allem zur Leistungsfähigkeit und Klimafreundlichkeit. Eine Suche nach Antworten.

Im Rahmen der Serie „Aus dem Zukunftslabor“ werden Ergebnisse aus dem Bereich Corporate Research & Development präsentiert, die in enger Zusammenarbeit mit unterschiedlichen Fachbereichen und Niederlassungen sowie dem DACHSER Enterprise Lab am Fraunhofer IML und weiteren Forschungs- und Technologiepartnern entstanden sind.

Der  Elektromobilität gehört die Zukunft. Gesetzliche Rahmenbedingungen und die Ankündigungen der Automobilhersteller lassen daran keinen Zweifel. Der Elektromotor ist unbestritten in den meisten Anwendungsfällen dem Verbrennungsmotor technisch, ökologisch und wirtschaftlich überlegen. Unklarheit herrscht aber beim eigentlichen Herzstück: der Antriebsbatterie. Sowohl die Bewertung ihrer Leistungsfähigkeit als auch ihres Klimaschutzbeitrages ist nicht immer einfach. Dies führt nicht selten zu Unsicherheit und manchmal auch zu heftigen Diskussionen.

Über die Reichweite eines Elektrofahrzeugs entscheiden – vereinfacht formuliert – vor allem die Batterieparameter Energiedichte und Kapazität. Die heute meistverwendeten Lithium-NMC- und Lithium-NCA-Batterien verfügen aktuell über eine volumetrische Energiedichte von rund 400 Wattstunden (Wh) pro Liter Bauvolumen. Bei einem Beispiel-Pkw mit rund 75 kWh Batteriekapazität führt das zu realen Reichweiten von 300 bis 400 Kilometern. Experten gehen davon aus, dass sich in den kommenden zehn Jahren die volumetrische Energiedichte noch mal um 50 Prozent erhöhen wird und so Reichweiten von 600 Kilometern erreicht werden können. Neue Möglichkeiten bieten hier auch Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP), die künftig auch im E-Lkw verstärkt zum Einsatz kommen werden. 

Entscheidend für die Einsatzmöglichkeiten von batterieelektrischen Pkw und Lkw ist auch die Ladezeit. Diese wird vor allem vom maximal zulässigen Lade- und Entladestrom beeinflusst. Je grösser bei einer bestimmten Batteriegrösse das Verhältnis zwischen Ladestrom und Batteriekapazität ist (die sogenannte C-Rate), desto kürzer die Ladedauer, zumindest im Ladezustand (State of Charge – SOC) von zehn bis 80 Prozent. Für die letzten 20 Prozent, bis die Batterie komplett voll ist, steigt die Ladezeit dann wieder deutlich an. Der Beispiel-Pkw würde an einer 125 kW Schnelladesäule bei normaler Aussentemperatur rund 35 Minuten benötigen, um 55 kWh Energie bzw. 280 Kilometer Reichweite auf 80 Prozent Ladezustand „nachzutanken“.

Ebenfalls mit einigen Ungewissheiten verbunden ist auch die Frage, wie stark häufiges Schnellladen die Lebensdauer der Batterie beeinflusst. Klar ist: Langsamer laden wirkt sich grundsätzlich positiv auf die Lebenszeit aus. Hersteller definieren die Lebensdauer in erster Linie über eine zugesicherte Anzahl von Ladezyklen. Werden für eine Pkw-Batterie z.B. 1.000 Zyklen garantiert, kann das auf rund 160.000 km Gesamtlaufleistung umgerechnet werden. Im Kleingedruckten weisen die Hersteller aber manchmal darauf hin, dass der E-Pkw möglichst in dem Ladezustandsbereich zwischen 20 und 80 Prozent zu betreiben ist und nur bei geplanten Langstreckenfahrten voll aufgeladen werden sollte. Nur so lasse sich die garantierte Lebensdauer der Batterie erreichen. Insgesamt also eine Reihe von Parametervorgaben, die es dem durchschnittlichen Nutzer nicht einfach machen, Ladezeit, Reichweite, Gesamtlaufleistung und damit die Fahrzeuglebenszeit verlässlich zu ermitteln.

Klimafreundlichkeit garantiert?

Die Fahrzeuglebenszeit ist jedoch auch von erheblicher Relevanz, um den Klimavorteil der Batterie beurteilen zu können. Durch die sehr energieintensive Produktion trägt die Batterie nämlich schon beim Kilometerstand „null“ eine ziemliche CO2-Bürde mit sich. Das bedeutet: Je länger die Gesamtlaufleistung, desto mehr verteilt sich dieser CO2-Rucksack auf die gefahrenen Kilometer, und umso klimafreundlicher ist das Elektrofahrzeug gegenüber einem Verbrenner. Tankt das Automobil nur regenerativen Strom, und wird zur Batterieproduktion ausschliesslich grüner Strom verwendet, dann verursacht der Beispiel-Pkw bei der vom Hersteller garantieren Laufleistung rund 90 Prozent weniger Treibhausgase als ein heutiges Dieselfahrzeug. Beim Lkw liegt dieser Wert aufgrund der höheren Laufleistungen sogar bei über 95 Prozent. Das ergeben aktuelle Berechnungen des Bereiches Corporate Research & Development bei DACHSER.

Wird zur Batterieherstellung statt Grünstrom der derzeitige Strommix mit derzeitigen Produktionsbedingungen in der Europäischen Union bzw. in China angesetzt, dann ergeben sich beim Lkw immerhin noch CO2-Reduktionen von mindestens 90 Prozent (Europa) bzw. 85 Prozent (China), beim Pkw mindestens 80 Prozent bzw. 65 Prozent. Hier zeigt sich, dass der CO2-Rucksack der Batterieproduktion beim Lkw eine nicht so grosse Rolle spielt. Beim Pkw hingegen kommt es darauf an, die Batterieherstellung möglichst schnell auf modernste Standards und 100 Prozent regenerativen Strom umzustellen, um das volle Klimaschutzpotenzial batterieelektrischer Antriebe zu heben.

Neben den Treibhausgasemissionen müssen aber auch weitere ökologische und soziale Auswirkungen betrachtet werden, die vor allem durch die Gewinnung der benötigten Rohstoffe für die Antriebsbatterien entstehen können. Abhängig von einzelnen chemischen Elementen und Verfahren finden sich hier in bestimmten Ländern und Regionen Praktiken, die kritisch zu begleiten und vor allem durch regulatorische Maßnahmen zu lösen sind.

Der Umstieg auf vollelektrische Pkw und Lkw erfordert von Fahrern und Flottenbetreibern ein Umdenken und vor allem Offenheit für die neuen Parameter. Insbesondere in den ersten Jahren der jetzt anstehenden Transformation wird dies manchmal ein anstrengender Weg sein. Er ist jedoch alternativlos, denn nach aktuellem Stand von Autotechnik und Wirtschaftlichkeit können alle anderen technologischen Optionen den angestrebten Klimaschutzeffekt von nahe null Emissionen nicht erreichen. Die Automobilhersteller sind aufgefordert, Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit der Batterietechnik weiter voranzutreiben und aus einer heute noch komplexen Technologie eine Innovation zu machen, die einfach genutzt werden kann und dadurch eine hohe Akzeptanz erfährt.

Ansprechpartner Grazia Rubichi