Alexander Reuter ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Labor Elektrische Mobilität der HTW Dresden. Foto: privat
„Das Auto hat keine Zukunft. Ich setze auf das Pferd.“ So lauteten die Worte von Kaiser Wilhelm II., als er anno 1904 das erste Mal in einem Automobil Platz nahm. Eine aus heutiger Sicht schwer nachvollziehbare Skepsis. Viele Errungenschaften, die inzwischen nicht mehr wegzudenken sind, hatten anfangs gegen eingefahrene Gewohnheiten zu kämpfen. Ähnlich ist es auch mit den Elektrofahrzeugen.
Neun von zehn PKW sind täglich weniger als 100 Kilometer unterwegs, besagt die Statistik. Elektrofahrzeuge haben derzeit eine Reichweite von über 100 km. Demzufolge können sie 90 Prozent aller Fahrten abdecken. Hinzu kommen der sehr hohe Wirkungsgrad des Energieumsatzes beim Elektroantrieb und das große Drehmoment von Elektromotoren über den gesamten Drehzahlbereich. Die Nachteile gegenüber benzinbetriebenen Fahrzeugen lassen sich allerdings auch nicht ohne Weiteres ignorieren.
Zusammen mit der ENSO AG sowie weiteren Partnern aus Dresden und Leipzig arbeitet die Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Dresden am Projekt SaxMobility. Wir treffen uns regelmäßig zu Beratungen und tauschen uns alle zwei Wochen per Telefonkonferenz aus.
Das vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung finanzierte Pilotprojekt soll die Elektromobilität publik machen, neue Technologien entwickeln und anschließend erproben. Dazu gehört neben dem Aufbau einer Ladeinfrastruktur inklusive Abrechnungssystem auch die Untersuchung von Elektrofahrzeugen im Flottenbetrieb. Aus den erfassten Messwerten können beispielsweise Energiebilanzen und Wirkungsgrade ermittelt werden.
Bei diesen drei Fahrzeugtypen – Opel Ampera, Mitsubishi i-MiEV und CITYSAX – testet das HTW-Labor Elektrische Mobilität die Batterien. Foto: HTW Dresden
Unser HTW-Labor Elektrische Mobilität, an dem mit mir vier weitere Mitarbeiter beschäftigt sind, hat sich auf die Forschung im Bereich Batterietechnik und elektrischer Antriebsstrang spezialisiert. Wir arbeiten an verschiedenen Projekten mit Partnern aus der Wirtschaft. In Vorlesungen und Praktika führen wir so mit unserer Erfahrung die Studenten an das Thema Elektromobilität heran.
Bei Untersuchungen gängiger Batterietechnologien haben wir deren Stärken und Schwächen für den Einsatz in Elektrofahrzeugen erfasst. So testete ich in meiner Master- wie in meiner Diplomarbeit Batterien von Elektrorollern. Die folgende Grafik verdeutlicht unsere Testergebnisse – von der herkömmlichen Bleibatterie bis zum modernen Lithium-Ionen-Akkumulator. Die sehr flachen Lithium-Polymer-Batterien kommen bisher vorwiegend in Kameras zum Einsatz. Das Kriterium „Zyklenfestigkeit“ steht übrigens für ihre Lebensdauer.
Quelle: HTW Dresden/Alexander Reuter
Der Li-Ionen-Akku besitzt zurzeit die höchste Leistungs- und Energiedichte. Somit ist er aktuell die erste Wahl für den Einsatz im Elektrofahrzeug. Dagegen sprechen jedoch die hohen Herstellungskosten und der große technologische Aufwand, der nötig ist, um deren Betriebssicherheit zu gewährleisten. Bestimmte Grenzwerte für die Spannung einzelner Akkumulatorzellen im Batterieverbund dürfen nicht überschritten werden. Sonst kann es zu lebensgefährlichen Situationen kommen. Dies verhindern sogenannte Batteriemanagementsysteme, wie sie auch in unserem Labor entwickelt werden.
Zwischen dem Energiegehalt von Li-Ionen-Akkumulatoren und dem von konventionellen Kraftstoffen der Verbrennungsmotoren liegen allerdings noch Welten. Verständlich wird dieser Unterschied auch, da die Batterieforschung jahrzehntelang vernachlässigt wurde. Zudem benötigt man zur Verbrennung von Benzin oder Diesel einen großen Teil an Sauerstoff. Dieser wird während des Betriebs aus der Luft genommen und muss somit nicht im Fahrzeug mitgeführt werden. Bei gängigen Akkumulatoren sind hingegen alle notwendigen chemischen Verbindungen bereits integriert. Dieses Video verdeutlicht, wie Batterien für Elektroautos hergestellt werden.
In der Batterieentwicklung kommt es darauf an, die Energiedichte deutlich zu steigern und die Herstellung kostengünstig und nachhaltig zu gestalten.
Gegenwärtig testen Labore wie unseres erfolgreich Prototypen, die eine dreifach höhere Energiedichte als heutige Li-Ionen Batterien aufweisen. Durch die Verwendung alternativer Materialien können auch die Herstellungskosten drastisch gesenkt werden.
Ein Nachteil dieser Technologie ist die relativ lange Ladezeit. Im Gegensatz zu einem Benzintank, der in wenigen Minuten gefüllt ist, dauert das Aufladen der Batterie beim Elektro-PKW deutlich länger – im besten Fall etwa 30 Minuten. Eine Lösung könnten sogenannte Redox-Flow-Batterien sein. Bei diesen ist es möglich, den flüssigen, Energie speichernden Elektrolyt an einer Zapfsäule in wenigen Minuten auszutauschen.
In Hinblick auf zukünftige Mobilitätsbedürfnisse sind die Forschungsschwerpunkte gesetzt. Um auch in Zukunft mobil zu sein, muss jeder einzelne von uns seine alten Gewohnheiten ablegen. Haben Sie Fragen oder Anmerkungen zum Stand der Forschung bei Batterien? Dann schreiben Sie mir!