Energiewende: Batterien ohne Power

Falsche politische Entscheidung warf die deutsche Elektrochemie vor 20 Jahren aus dem Rennen, also ist Batterieforschung woanders zuhause. Als Frank Andres Hybride vorschlug, wollte niemand hören. Der jetzt politisch gewollte Rückstand in der Kernenergie bewirkt das Gleiche. Alles was funktioniert, tut es TROTZ Politik.

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Über die Chancen auf dem Weg zum Elektro-Auto Holger sprach Douglas mit Professor Dr. rer. nat. Frank Endres, 
TU Clausthal, Institut für Elektrochemie.

Holger Douglas: Eine Million Elektroautos sollen auf Deutschlands Straßen fahren, und zwar schon 2020. Das will die Bundesregierung, aber sonst niemand. Gerade fand wieder ein Gipfel zum Thema »Elektroauto« statt – ohne greifbares Ergebnis. Die Bundesregierung will Milliarden für Elektroauto-Verkaufshilfen rauswerfen. Zentrales Thema bei Elektroantrieben ist: Woher kommt der Strom? Meist aus Batterien. Doch deren Kapazitäten sind noch dünn und dürften in absehbarer Zeit auch nicht zunehmen. Lohnend daher, einen Blick auf die erheblichen Probleme mit Stromspeichern zu werfen. Prof. Frank Endres forscht an neuen elektrochemischen Speichertechnologien. Welche gibt es denn? Was können die, und über welche Kapazitäten verfügen die?

Frank Endres: In Deutschland werden ca. 30 GW Grundlast benötigt. Weder Windkraft- noch Solaranlagen können rund um die Uhr eine konstante Grundlast liefern, von der Phasensynchronität ganz zu schweigen. Will man dieses Ziel erreichen, muss man das Netz so umbauen, dass Speicher zwischen 20 und 100 TWh vorhanden sind und davon gespeiste elektronische virtuelle Schwungräder die Funktion der Turbinen übernehmen. Das wäre ein Komplettumbau der Stromversorgung, technisch bei Weiterentwicklung der Elektrotechnik vorstellbar.

Wenn man in Deutschland alle Möglichkeiten, Pumpspeicherkraftwerke zu bauen, nutzt, erreicht man vielleicht 0,15 TWh an Speicherkapazität, das ist natürlich viel zu wenig. Es bleiben dann nur noch chemische und elektrochemische Speicher übrig, die in der Größenordnung bis 100 TWh sogar denkbar sind.

Im “power to gas” Ansatz stellt man mit dem Überschuss-Strom Wasserstoff her und wandelt den in Methan um, der im Erdgasnetz gespeichert wird. Flauten möchte man so mit Gaskraftwerken überbrücken, wenn sich denn jemand finden lässt, der Gaskraftwerke baut und betreibt. Die modernsten Gaskraftwerke Irsching 4 und Irsching 5 werden ja abgeschaltet.

Andere Ansätze sollen Brennstoffzellen zur Rückverstromung von Wasserstoff nutzen.
Das ist technisch alles vorstellbar, nur wird der dann zu zahlende Strompreis alleine aufgrund der Alterung der Anlagen oder chemischen Verbindungen irgendwo zwischen 1 und 2 EUR pro kWh liegen. Ich erwarte, dass in einem solchen Szenario auch Batterien (Akkus) für die Netzstabilität erforderlich sind, weil die Elektrolyseanlagen ein stabiles Netz benötigen. In jedem dieser Szenarien werden die wiederkehrenden Kapitalkosten (wegen Alterung) den Strompreis auf weit über 1 EUR/kWh treiben – das wäre unvermeidbar. Der Traum vom kostenlosen Strom, wenn erst einmal genügend Windkraft- und Solaranlagen aufgestellt sind, wird für unabsehbare Zeit ein Traum bleiben.

Batterien altern schnell

Douglas: Batterien haben nicht nur keine große Speicherfähigkeit, sondern sie altern auch relativ schnell. Warum geht das so schnell und ist absehbar, ob Sie diese elektrochemischen Prozesse in der Batterie aufhalten können?

Endres: Ja, alle Batterien unterliegen einer zyklischen und kalendarischen Alterung, das ist unvermeidbar. In den letzten Jahren waren Lithiumionen-Batterien in aller Munde. Lithium ist ein sehr reaktives dazu nicht allzu häufiges Metall, das mit jedem bekannten Elektrolyten chemisch reagiert. Solche Batterien sind daher nur kinetisch stabil. Lässt man eine Lithiumionenbatterie mehrere Jahre liegen, bläht sie sich im Laufe der Zeit wegen der Alterung auf. Wird sie dann stark belastet, kann sie zu brennen beginnen. Auch beim wiederholten Laden/Entladen leidet die Batterie, vereinfacht gesagt werden die Materialien in der Batterie durch mechanischen Stress während der zyklischen Belastung immer mehr zerstört.

Wir haben post-mortem-Analysen auch von Batterien, die brannten, durchgeführt und konnten sehen, dass sich in den Batterien sog. “hotspots” bildeten, die irgendwann so viel Wärme produzierten, dass die Batterie einem thermischen “Runaway” unterlag. Bei Zink-Luft-Akkumulatoren nimmt die dort verwendete Kalilauge Kohlenstoffdioxid aus der Luft auf, hier altert also der Elektrolyt und neue Konzepte sind erforderlich. Bei Bleibatterien (wie im Auto) altern die Elektroden, da bei der wiederholten Auflösung und Abscheidung von Blei immer ein wenig Blei verloren geht.

Es kann auch passieren, dass es in einer Zelle irgendwann einen Kurzschluss gibt und die Spannung zusammenbricht. Will man Bleibatterien für die Speicherung von “regenerativem” Strom nutzen, kann man diese bei der heutigen Technik maximal 1500x aufladen und wieder entladen.

Wegen der kalendarischen Alterung liegt die maximale Lebensdauer bei 6 Jahren, aber auch nur 3 Jahre Lebensdauer sind nicht überraschend. Es gibt Hersteller, die mit 30 Jahren Lebensdauer ihrer Batterien werben und 10 Jahre Garantie geben, meist kleinere Firmen. Ich wäre da ein wenig vorsichtig, denn Papier ist geduldig.

Ein gänzlich neues Batteriekonzept ist so schnell nicht zu erwarten. Hätte die deutsche Politik die Elektrochemie vor gut 20 Jahren nicht beinahe abgewickelt, könnte Deutschland heute eine führende Nation in der Batterietechnologie sein, wir haben aber eher einen Rückstand von mindestens 10 Jahren.

Unbarmherzige Thermodynamik und hohe Kosten

Douglas: Sie forschen an Materialien für mögliche neue Batterien. Ein durchschlagender Erfolg ist der Batterieforschung bislang aber noch nicht gelungen, sprich die Energiedichte um ein paar tausendfach zu erhöhen, wie es notwendig ist, um Autos richtig antreiben zu können. Warum macht es uns hier die Natur so schwer, geeignete Paarungen von Materialien zu finden, die gut für eine Stromspeicherung queren? Sie hat doch auch die genialen Kohlenwasserstoffe mit einer ungeheuren Energiedichte auf die Bühne gebracht, die Autos, lange Güterzüge und 500 Tonnen schwere Flugzeuge antreiben kann?

Endres: Hier schlägt die Thermodynamik leider unbarmherzig zu. Die elektrochemische Spannungsreihe erlaubt maximal 6 Volt für ein Elektrodenpaar, das wäre eine (hochgefährliche) Lithium/Fluor-Batterie, deren technische Umsetzung und Verwendung sind für mich kaum vorstellbar.

Voll geladene Lithiumionen-Akkus heutiger Bauart haben bei einer Einzelzelle eine Spannung von 4,2 Volt, mehr ist schwer zu erreichen, weil man noch keine Elektrolyte gefunden hat, die für die sog. “5-Volt-Batterien” geeignet sind. Es ergibt sich wegen des spezifischen Gewichts der Batteriematerialien aktuell leider eine maximale Energiedichte von 0,3 kWh/kg, technisch erreichen kann man heute nicht mehr als 0,15 kWh/kg.
Kohlenwasserstoffe enthalten dagegen rund 12 kWh/kg, wovon ein guter Dieselmotor ca. 5 kWh in mechanische Energie umsetzt.

Wirkungsgrad-bereinigt schneiden Kohlenwasserstoffe bzgl. der Energiedichte also mind. 30x besser ab. Energiedichten von 1 – 5 kWh/kg sind nur mit Metall/Luft-Batterien denkbar. Relativ leicht herstellbare Zink/Luft-Batterien erreichen schon bis zu 0,5 kWh/kg, aber die Alterung des Elektrolyten ist das zentrale Problem. Neue Konzepte sind in der Erforschung, mit einem Markteinsatz ist frühestens in 5 Jahren zu rechnen, und da am ehesten noch aus US-amerikanischer Fertigung.

Lithium/Luft-Batterien waren in aller Munde, und man sprach von bis zu 15 kWh/kg, was aber eine unseriöse Zahl ist, da sie nur auf das Lithium alleine bezogen wurde, die andere Elektrode, der Elektrolyt, Gehäuse usw. nicht berücksichtigt wurden. Im Labor erreichen Lithium/Luft-Batterien 1 kWh/kg, sie altern aber massiv, und eine Lösung für dieses Problem erscheint in weiter Ferne. Ein Einsatz ist frühestens in 20 Jahren zu erwarten, falls überhaupt.

Wir arbeiten mit Unterstützung des BMBF sehr grundlegend an Aluminium/Luft und Silizium/Luft-Batterien. Die denkbaren Energiedichten liegen bei 1 – 4 kWh/kg, aber das ist alles sehr grundlegend und ebenfalls weit von einer kommerziellen Nutzung entfernt.
Vielleicht können Lithium/Schwefel-Batterien als Nächstes vermarktet werden. Im Labor erreichen sie schon 1 kWh/kg. Sie altern aber schnell, und die nutzbare Energiedichte liegt bei ca. 0,3 kWh/kg, was im Vergleich zu Lithiumionenbatterien aber immerhin um einen Faktor 2 besser wäre. Ich rechne eher mit einer langsamen Evolution im Batteriesektor als mit einer schnellen Revolution.

Dazu kommt das Kostenproblem. Wirklich gute Lithiumionen-Akkus, wie ich sie im Modellflug verwende, kosten zwischen 1.000 und 1.500 EUR/kWh, und selbst die “billigen”, wie sie in Elektroautos genutzt werden, kosten heute 500 EUR/kWh. Auf die immer mal wieder ins Feld geführten 100 – 200 EUR/kWh für gute Lithiumionenbatterien werden wir m.E. noch ein wenig warten müssen. Kürzlich veröffentlichte Zahlen seitens eines Lobby-Verbandes, bis ca. 2030 würden nur noch 5 Cent für die Speicherung von 1 kWh Strom zu bezahlen sein, kann ich nur mit Schönrechnerei nachvollziehen.

Douglas: Erstaunlicherweise haben sich Ingenieure immer wieder im Abstand von 20,30 Jahren an Elektroantrieben für Autos versucht, dann festgestellt, das funktioniert nicht und es sein lassen. Sogar das erste Auto von Porsche wurde mit Batterien angetrieben. Immer setzte sich der Antrieb mit Verbrennungsmotoren und Diesel oder Benzin als sehr guter Energieträger durch. Warum setzen jetzt wieder Autoingenieure und Autohersteller auf Elektroautos? Es scheint fast so, als ob die Erfahrungen einer ganzen Generation von Ingenieuren nach deren Ausscheiden aus dem Berufsleben vergessen werden, sich junge Ingenieure wieder an derselben Technik probiert und dieselben negativen Erfahrungen wieder machen muss. Ist das der Lauf von Wissenschaft und Technik?

Endres: Das habe ich mich auch schon gefragt. Als sich der letzte Elektroauto-Hype vor gut 20 Jahren in Schall und Rauch auflöste, schrieb ich als junger Doktorand an das damalige Forschungsministerium einen Brief. Ich schlug vor, auf Hybride zu setzen, denn ich habe auch heute gar nichts gegen Elektrofahrzeuge. Sie sind sehr leise und, solange die Batterie genügend Ladung hat, entspannt und angenehm zu fahren. Aber eine Reichweite von 60 km im Winter bei einem bald 30.000 EUR teuren Kleinwagen ist nicht wirklich ein Kaufanreiz, dazu kommt die Alterung von Batterien, zumal ein schneller Preisverfall bei Batterien nicht zu erwarten ist.

Es liegt ja nicht an den Elektromotoren oder der Elektronik, das funktioniert im Großen bei der Eisenbahn oder bei Straßenbahnen ja ganz wunderbar, auch heute sind die Batterien das Problem. Ich erläuterte damals, dass man sowohl die Verbrennungsmotoren als auch die Batterien und die Elektronik nach und nach verbessern könnte. Ich erhielt nie eine Antwort.

Falsche politische Entscheidung:  Elektrochemie vor 20 Jahren abgewickelt
In der Folge wurde die Elektrochemie an den deutschen Universitäten faktisch abgewickelt, und es gab keinerlei Forschungsgelder mehr für Batterien, höchstens vereinzelt. Dann kam das Thema ca. 2007/2008 wieder hoch, diesmal begründet mit der “Klimakatastrophe” und der Endlichkeit der Ressourcen. Wieder wurde das politische Ziel ausgegeben, bis zum Jahr X (diesmal 2020) eine Million Elektroautos auf die Straßen zu bringen.

Nun gab es leider keine Batterieforscher mehr in Deutschland, so dass die Bundesregierung an einigen Stellen viel Geld investierte, um Forschung und Technik wieder aufzubauen, und zwar nur der Status, der im asiatischen Ausland Standard ist.
Wie aber soll in wenigen Jahren ein von der Politik zu verantwortender Rückstand aufzuholen sein? Politiker wollen gewählt werden, und sie stürzen sich auf ein Thema, das gerade en vogue ist. Im Moment sind das die Themen “Klimaschutz”, “Energiewende” und (endgültiger) “Atomausstieg”.

Deutschland hinkt bei vielen Themen jedoch hinterher, die Musik der Batterieforschung und –herstellung spielt in Asien und vermehrt nun in den USA. Für neue Ideen, die einen langen Atem erfordern, fehlt Politikern meistens der Mut, die alten Fehler werden vergessen oder ausgeblendet.

Heute ist es beispielsweise schon recht schwer, Gelder für die Forschung an Lithiumionen-Akkus zu erhalten, manche Kollegen unken sogar, dass es bald gar keine Gelder mehr dafür geben wird, da Kernprobleme als nicht lösbar betrachtet werden. Wenn dann etwas nicht so klappt, wie die Politik erwartet, wird das Thema immer schnell eingestampft, obwohl es seitens der Grundlagenforschung manchmal gerade dann erst interessant wird.

Dazu kommen ermüdende Beantragungszeiträume, und als Hochschullehrer kann man manchmal einfach nur noch beten, dass ein Projekt bewilligt wird, denn mit Haushaltsmitteln kann kein Professor in Chemie, Physik und Materialwissenschaften noch Forschung betreiben, die Universitäten sind eh nur noch ein Schatten vergangener Tage.
Politiker hören sich selten die begründete Meinung von Kritikern an, denn sie wollen in erster Linie ja gewählt werden, zumindest aber muss die Zahl der guten Pressemitteilungen stimmen. Es gibt viele Leute, die davor warnen, die Kernenergie abzuwickeln, zumindest sollte die Forschung hochgehalten werden. Man wird dann aber öffentlich schnell als “Atomkraftbefürworter” bezeichnet und sieht sich einem medialen Shitstorm ausgesetzt. Der jetzt politisch gewollte Rückstand in der Kernenergie wird sicher nicht mehr aufzuholen sein.

Eigentlich machen die deutschen Politiker immer wieder dieselben Fehler.

Einzige Kontinuität: im entscheidenden Moment falsche politische Weichenstellungen

Douglas: Wenn das Geld eh weg muss, dann könnte es für eine hybride Lösung mit Verbrennungsmotor und Elektroantrieb ausgegeben werden. Doch hier setzen sie sehr viel aufwendige, teure und vor allem anfällige Technik ein. Lohnt sich das denn wirklich?

Endres: Wirtschaftlich lohnt sich ein solches Fahrzeug heute sicher nicht. In der sog. Golf-Klasse beträgt der Aufpreis eines Hybriden mit einer elektrischen Reichweite von ca. 30 – 50 km 5.000 – 8.000 EUR, weil eben zwei Systeme kombiniert werden müssen. Alleine die 10 kWh speichernde Batterie kostet schon 5.000 EUR, bei einer Lebensdauer von vielleicht 6 Jahren, und die Frage stellt sich, ob die Hersteller nicht ein Minus-Geschäft machen.

Nach 6 Jahren ist ein solches Auto nur mit enormem Abschlag zu verkaufen, oder man ist gezwungen, eine neue Batterie einzubauen. Für den Privatkäufer ergibt sich hier eine finanzielle Hürde, die er sich sicher sehr gut überlegen wird, wenn nicht der Spaßfaktor überwiegen soll.

Zweifelsfrei lassen sich Elektrofahrzeuge oder Hybride im elektrischen Modus sehr angenehm fahren. Sie sind leise und emittieren in Städten keine Schadstoffe wie Ruß, Kohlenstoffmonoxid oder Stickstoffoxide. Ich kann mir vorstellen, dass sich Hybride mittel- bis langfristig durchsetzen. Das setzt aber voraus, dass der Aufpreis zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor sehr überschaubar bleibt, die Lebensdauer von Batterien merklich steigt und der Preis für Batterien deutlich sinkt.

Vielleicht setzen sich die Hybride durch, vielleicht kommt man aber auch zu dem Fazit, dass die Technik einfach schon wieder nicht weit genug ist und noch viel mehr grundlegende Arbeiten erforderlich sind.

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Kommentare {13}

  1. @ Udo Bürkel:

    Grundsätzlich nichts, aber …..

    Wie auch Batterien altern Brennstoffzellen, zumal bisher nur Platin und Platin-Ruthenium geeignete Katalysator-Materialien für die elektrochemischen Prozesse sind. Ferner empfehle ich einen Blick auf die weltweite jährliche Fördermenge von Platin und Ruthenium. An anderen Katalysatoren wird geforscht, mit bisher keinem wegweisenden Ergebnis.

    In Langzeitversuchen verschiedener Autohersteller haben Brennstoffzellen ca. 35.000 km durchgehalten, danach mussten sie ersetzt werden. Ob die asiatischen Hersteller die grundsätzlichen Probleme gelöst haben, wird die Zukunft zeigen. Da bei der Sauerstoffreduktion aggressive Nebenprodukte wie Wasserstoffperoxid und Wasserstoffhyperoxid entstehen, werden die Membranen unweigerlich chemisch angegriffen, dazu kommen die auch von Batterien bekannten Probleme bei niedrigen Außentemperaturen. Es gibt in der Forschung Ansätze für ein verbessertes Membran-Material, aber seit der Erfindung von Nafion R hat sich nicht viel getan. Die deutsche Politik, unabhängig von der Couleur, fördert in Wellen mal die Batterie, mal die Brennstoffzelle und mal keines von beiden. Aktuell findet tendenziell wieder ein Umschwenken in Richtung Brennstoffzelle statt. Gäbe es eine kontinuierliche und planbare Förderung und würde das Kaputtsparen der Universitäten beendet (beides wird nicht eintreten), wäre vielleicht eine Zielrichtung absehbar. Der Elektromobilität stehe ich grundsätzlich offen gegenüber, warne aber vor einer unrealistischen Erwartungshaltung.

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