Hat das Elektroauto Zukunft?

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Ich habe mich ja schon mal mit dem Elektroauto beschäftigt, sein größtes Manko ist der geringe Energiegehalt der Batterien.  Handelsübliche Lithiumionen Akkus haben nach Wikipedia eine Kapazität von 120 Wh/kg. Nun ist es einem Forscherteam gelungen, durch Nanohärchen die Kapazität um den Faktor 10 zu erhöhen. Im Versuch wurden 4.2 A/g erreicht, das sind bei 3.6 V Nennspannung 15120 Wh/kg. Selbst wenn man "nur" die Dichte auf 1200 Wh/kg anheben würde, also dem zehnfachen Wert heutiger handelsüblicher Zellen, wäre das ein enormer Fortschritt. 1200 Wh sind zwar noch weit von dem Energiegehalt von Benzin entfernt (der liegt bei etwa dem 10 fachen Wert), aber ein Elektromotor ist auch sparsamer und effizienter als ein Benzinmotor, er muss auch nicht den Strom für zahllose elektrische Bordsysteme (die bis zu 25 % des Benzinverbrauchs ausmachen können) umständlich mit einem Generator produzieren. Ist so ein Elektroauto für die breite Masse denkbar?

Nun ja, umgebaute Benziner – wohl für die meisten, die einzige Art von Auto die sie als "echtes Auto" ansehen würden – brauchen etwa 12-20 KWh pro 100 km. Ein 100 kg schwerer Akkublock mit 1.2 KWh Kapazität würde also ausreichen für 600-1000 km Strecke. Der Akkublock ist immer noch schwerer als das Benzin für die Strecke, aber das holt man beim Motor wieder rein, den dieser ist viel leichter als bei einem Benziner. Damit wäre das Auto wohl massentauglich oder?

Nicht ganz…. Irgendwann muss man ja mal aufladen. Das ist kein Problem, wenn man das Auto nur für den Pendelverkehr auf kurzen Strecken benutzt und dann über Nacht auflädt. Doch wie sieht es auf einer längeren Strecke aus? Nehmen wir an, wir tun dies schon nach 200 km, weil wir ja regelmäßig eine Pause machen, und wir haben dafür 1 Stunde Zeit. Nun in dieser Zeit wurden 24-40 KWh verbraucht. Wir brauchen also einen Starkstromanschluss mit 24-40 KW Leistung. Nicht nur das. Jeder der Akkus auflädt, weis wie diese warm werden. Ein Ladegerät hat nach Wikipedia eine Effizienz von 85 %, wandelt also 15 % der Energie in Wärme um. Das sind dann 3.6-6 KWh. Oder mal anders ausgedrückt, das entspricht der Leistung von 2-3 Herdplatten, die eine Stunde lang auf voller Leistung heizen. entsprechend heiß wird der Akku auch. Würde er aus Wasser bestehen, so würde er sich um 8.5-14 C erhitzen, doch Wasser hat auch eine hohe Wärmekapazität – Diese ist bei Salzen, wie sie hier zum Einsatz kommen, viel geringer, entsprechend stärker heizen sich die Akkus auf.

Es stellt sich insgesamt die Frage ob dies überhaupt praktikabel ist. Man kann ja nicht neben jede Tankstelle ein Kernkraftwerk hinstellen, um die Strommengen zu produzieren. Doch ein anderer Traum könnte Wirklichkeit werden -.die eines Speichers für Solarenergie. Nehmen wir an, nur 20 Millionen unserer 56 Millionen zugelassener Autos, würden durch Elektroautos ersetzt und diese hätten alle einen 100 kg Akku, der im Mittel zu 50 % entladen ist. Dann hat man einen gigantischen potentiellen Energiespeicher. Es handelt sich um die Speicherkapazität von 100 kg * 1200 Wh * 0.5 * 20 Millionen = 1200 GWh. Oder anders ausgedruckt. Ein 1000 MW Kernkraftwerk muss 1200 Stunden laufen um diese Strommenge zu erzeugen. Man könnte diesen Speicher doch nutzen, um Solarstrom zu speichern und abzurufen, wenn man ihn braucht. Das wurde schon vorgeschlagen.

Gute Idee, nur hat sie einen kleinen Nachteil: Die Autos brauchen ja auch Strom. Wenn jeder der 20 Millionen Wagen pro Tag nur 30 km fährt (entsprechend einer durchschnittlichen Jahresleistung von 7300 km) so braucht man, wenn sich die Abnahme gleichmäßig auf 12 Nachtstunden verteilt, 7-12 GW zusätzliche Leistung, also so viel wie heute 6-10 Kernkraftwerke leisten. An die Spitzenbelastung bei Beginn der Sommerferien möchte ich gar nicht denken…

Weiterhin leben Lithiumionenakkus nicht besonders lange. Nach 3 Jahren haben heutige Akkus (egal ob man sie intensiv nutzt oder nicht) durch Korrosion 50 % ihrer Kapazität eingebüßt und dies bei 5000 Euro für einen 100 kg Block – ein teures Vergnügen, auch wenn man sie gut aufarbeiten kann.

Kurzum: Ich denke das Elektroauto wird noch lange ein Nischenprodukt bleiben.

Ansonsten nichts neues – ich schreibe fleißig an meinem ersten Booklet. Das wird – soviel kann ich schon verraten auf Basis des Gemini Artikels entstehen, allerdings ergänzt um weitere Fakten (Titan 2, GATV, ATDA) und vollständig abgeschlossen. Der Gemini Artikel macht nur noch etwas mehr des Texts aus und gefälliger zu lesen wird es auch. Es wird aber nh dauern bis alles fertig ist. Derzeit bin ich noch fleißig am Recherchieren.

5 thoughts on “Hat das Elektroauto Zukunft?

  1. Nein. Aus dem Artikel: „Ladekapazität von 4200 mA/g“. Typische Spannung eines Lithiumionenakkus : 3.6 V also 4200 mAh * 3,6 V = 15120 mW/g = 15120 Wh/kg.

    Aber die Studie spricht auch nur von bislang erreichter 10 facher Energiedichte und die habe ich auch nur verwendet. (Nach Wikipedia hat man schon 120 Wh/kg erreicht, wobei ich auch andere Li-Ionenakkus mit 200 Wh/kg kenne.

    Quelle ct3/2008 S. 61
    Originalquelle: Nature Nanotechnology 16.12.2007

  2. Wie ich an anderer Stelle schon schrieb, eine 1:1-Substitution eines heutigen PKW durch ein Elektroauto wird es niemals geben. Das würde (angenommen, die Akku-Problematik würde gelöst) nämlich eine Verdoppelung der Stromnetz-Leistungsfähigkeit erforderlich machen, und das ist illusorisch.

    Aber eigentlich gibt es das Elektroauto längst, nur wird es von den Medien nicht wahrgenommen, da es nach heutigem Verständnis kein „echtes“ Auto ist: Ultraleichtfahrzeuge wie CityEl und Twike, die für 20km „nur“ soviel Energie benötigen wie eine Waschmaschine pro Waschgang. Dazu ein breites Angebot an Elektrofahrrädern.
    Man kann sie kaufen, und ich persönlich finde den CityEl sehr interessant.

    Solche Fahrzeuge werden erst wahrgenommen, wenn sich eine scharfe fossile Energiekrise abzeichnet. Mit der damit einhergehenden De-Globalisierung und Entschleunigung reichen die kleineren Reichweiten und Geschwindigkeiten dann locker. An Klimaanlage, Sitzheizung und Sound mit 8 Lautsprechern Subwoofer ist dann natürlich nicht zu denken, man kann froh sein, durch eine Plexiglasscheibe vom peitschenden Regen geschützt zu sein.

    Aber es gibt noch keine fossile Energiekrise, und Regierungen und Lobbyisten faseln weiter von „den Elektroauto der Zukunft“ – einem Phantom. Die „Elektroauto-Konstante“ reiht sich ein in die Fusions-Konstante und in die Wasserstoff-Kostante. („in 10 Jahren haben wir Fusions-Reaktoren und alle Energieprobleme sind gelöst“, „in 10 Jahren haben wir eine Wasserstoff-Wirtschaft und alle Autos fahren mit Wasserstoff“…….) – und das schon seit 40 Jahren.

  3. Das ist wohl ein uralter Blog-Artikel, der durch einen aktuellen Kommentar wieder „aus der Versenkung“ geholt wurde.

    Man muss bei einem Li-Ion-Akku insbesondere bei Forschungsartikeln darauf achten, ob die Forscher von einer ver-X-fachung der Ladungs- oder Leistungsdichte an einer der Komponenten (insbesondere Anode und Kathode) oder tatsächclich vom Gesamt-Akku sprechen. Bei den Silizium-Nanoröhrchen, die seit 2008 immer wieder mit dem „Faktor 10“ durch die Presse geistern, geht es nämlich „nur“ um den negativen Pol. An dem muss im geladenen Zustand Lithium in metallischer Form gelagert werden. Direkt als Metall will man aber nicht, u.a. tendiert das Metall dann dazu, sich genau an den falschen Stellen abzuschätzen und wachsende „Metallgeschwüre“, oder, noch schlimmer, „Metallnadeln“ den Akku zu zerstören.

    Also sucht man für den negativen Pol nach einem anderen Material, das das Lithium quasi „aufsaugt“, und das ist derzeit üblicherweise Graphit, und künftig könnten es Silizium-Nanoröhrchen oder auch Zinn sein.

    Von den derzeit üblichen 200 Wh/kg (der Wikipedia-Wert von 120 Wh/kg ist schon veraltet) käme man mit dem verbesserten Minuspol auf 300 bis 350 Wh/kg. Zwar verzehnfacht sich die Ladungsdichte am Minuspol durch diese Änderung, die anderen Komponenten (Pluspol, Seperator, Elektrolyt, Gehäuse) bleiben aber ungefähr gleich schwer.

    Gelingt es auch, am Pluspol (da werden Lithium-Ionen gelagert; zudem muss das Material am Pluspol seine Elektronenzahl ändern können) die Ladungsdichte zu erhöhen, ist der Weg frei zu 1000 Wh/kg und mehr. Schwefel ist für die genannte Materialersetzung am Pluspol der top-Favorit.

    Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkus gibt es bereits in experimenteller Kleinserie. Hauptproblem ist die geringe Haltbarkeit von um die 50 Ladezyklen. Kriegt man die auf 500 Zyklen gesteigert, werden diese Akkus für Elektro-Kleingeräte sehr interessant. Ab 2000 Zyklen und mehr wird es dann auch für die E-Autos spannend.

    Man bedenke, dass bei 1000 Wh/kg ein Akku, der nicht mehr wiegt, als eine typische Starterbatterie, nämlich 20 kg, bereits genug „Saft“ für 100 Kilometer hat! Und ja, preislich werden sich die Akkus für E-Autos in die „richtige“ Richtung bewegen, und der Benzinpreis ebenfalls.

    Kai

  4. Jetzt nochmal: Wie soll denn die Stromnetz-Kapazität dessen annähernd Rechnung tragen? Stichwort Gleichzeitigkeits-Faktor. Wenn 30Mio Bürger abends um 17 Uhr ihre Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkus laden wollen, dann gute Nacht!

    Eine mindestens so große Herausforderung ist also die Lade-Logistik. Ich sehe da nur Chancen in einem global standardisertem Schnellwechsel-System via Roboter. Der PKW fährt an eine Akku-Wechsel-Bucht, und ein Roboter tauscht den entladenen Akku gegen einen Geladenen. Damit wird die Problematik der Lastspitzen entschärft, denn die entladenen Akkus können gemäß Strombörse und Lastkurve und regenerativen Momentanwert auf günstige Ladezeitpunkte warten.

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