Kein Geheimnis: Elektroautos starten ihre Lebenszeit aufgrund der sehr ressourcenintensiven Batterieproduktion mit einem großen CO2-Rucksack, der erst über die Jahre und mit zunehmender Laufleistung nivelliert wird. Doch dies wird sich laut dem Experten Martin Linder von der Unternehmensberatung McKinsey in den nächsten Jahren ändern: „Bei E-Auto-Batterien sind Verbesserungen von 75 Prozent und mehr möglich„, sagte er im Interview mit dem Manager Magazin. Auch die Umweltbilanz werde sich künftig deutlich verbessern. Wie das genau geschehen soll, haben wir für euch zusammengefasst.
Die Entwicklung der Batterietechnologie ist von entscheidender Bedeutung für die zukünftige Entwicklung der Elektromobilität. Martin Linder leitet als Senior Partner die Einheit für Produktions- und Kapitalexzellenz im Autosektor bei der Beratung McKinsey. Er geht davon aus, dass E-Auto-Batterien um 75 Prozent umweltfreundlicher sein könnten, vor allem was die gesamte Wertschöpfungskette angeht. Optimierungspotenzial sieht der Experte bei Materialgewinnung, Raffination von Rohstoffen, Produktion einzelner Komponenten wie Anoden und Kathoden, bei Logistik und der eigentlichen Zellproduktion.
Was möglich ist, zeige der Vergleich von Batterieproduktionen in Schweden und China: Während bei der Akku-Herstellung in dem skandinavischen Land nur 40 Kilo CO2 pro Kilowattstunde anfallen, seien es in China nicht selten das Zwei- bis Dreifache. „Es gibt Potenzial in der gesamten Wertschöpfungskette (…). Wir können und werden die Batterien recyceln und die Materialien mehrfach benutzen“, so Linder. Die Umstellung auf Grünstrom sei bereits ein erster Schritt, um die Batterieproduktion umweltverträglicher zu machen, zumal sich das kostenpositiv auswirken würden. Es gäbe aber auch andere Maßnahmen, die noch nicht kostenneutral sind. Es gehe jedoch um längerfristige Perspektiven.
Linder weiß, dass es der Autoindustrie natürlich auch um Kosten und Profit gehe. „Ich sehe in der Industrie ganz eindeutig, dass wir auf dem Weg zur Dekarbonisierung sind, auch in der Batterieproduktion“, freut sich der Experte. Jedoch kritisiert er gleichwohl, dass die führenden Autobauer noch nicht alle Register ziehen würden. „Sie wissen sehr genau, dass sie das angehen müssen, wenn sie ihr Versprechen einhalten wollen, klimaneutral zu werden.“ Ein wichtiger Faktor bei der Verbesserung der Batterietechnologie sei die Entwicklung der nächsten Batterie-Generation.
Das Ziel: mehr Energiedichte, längere Lebensdauer, geringere Kosten
Automobilhersteller und Batteriehersteller arbeiten derzeit an Batterietechnologien, die eine höhere Energiedichte und eine längere Lebensdauer besitzen und gleichzeitig kostengünstiger hergestellt werden können. Die nächste Generation soll vor allem sicherer und nachhaltiger sein und den Einsatz von Recyclingmaterialien sowie erneuerbaren Energien erhöhen. Im Gespräch mit dem Manager Magazin wird auch die Bedeutung von Skaleneffekten und Innovationen bei der Batterieproduktion erwähnt, um die Kosten von E-Auto-Akkus zu senken und schließlich die Verbreitung von Elektroautos zu beschleunigen. Ein wichtiger Faktor dabei sei die Erhöhung der Produktionskapazität. Einige Branchenkenner glauben, dass die Erhöhung der Produktionskapazität um das Zehnfache in den nächsten Jahren dazu beitragen könnte, die Kosten von Batterien erheblich zu senken. In Abhängigkeit dazu müsste jedoch auch die Ladeinfrastruktur ausgebaut werden – eine wesentliche Voraussetzung für die Verbreitung von Elektroautos.
Batterien sind aber nicht nur für die Elektromobilität, sondern auch für die Energiespeicherung von entscheidender Bedeutung. Mit stationären Akkus und Second-Life-Speichern könne die Möglichkeit zur Energiespeicherung und der Einsatz von erneuerbarer Energie erhöht werden. Dies sei ein entscheidender Faktor bei der Schaffung von flexiblen Stromnetzen. Um den CO2-Rucksack von Batterien zu minimieren, brauche es auch die Unterstützung der Regierungen bei der Finanzierung von Forschungsprojekten. Länder wie China, die USA und Deutschland tätigen bereits erhebliche Investitionen in die Entwicklung von saubereren Batterietechnologien – auch, um ihre Position auf dem weltweiten Markt für Elektromobilität zu stärken.
Ein wichtiger Faktor sei auch die begrenzte Verfügbarkeit von Rohstoffen wie Lithium und Kobalt, die zur Herstellung von Batterien benötigt werden. Der Druck auf die Rohstoffversorgung wächst. Linder schließt deshalb auch nicht aus, dass es zukünftig notwendig sein wird, alternative Materialien für die Batterieproduktion zu finden.
Die Automobilindustrie forciert die Optimierung von Fahrzeugbatterien, wobei eine höhere Energiedichte für größere Reichweiten und zugleich die Kostenreduktion im Fokus
stehen. Mit der Festlegung der Maße für den Bauraum in E-Fahrzeugen haben sich die Anforderungen an die volumetrische Energiedichte verschärft. Diese muss steigen, um zukünftig mehr Batteriekapazität bei konstantem Platzangebot unterzubringen. Schließlich soll die Kostensenkung auch die Gesamtkosten der E-Fahrzeuge reduzieren. Fahrzeugbatterien müssen aber auch flott geladen werden können (DC). Und das soll künftig noch schneller gehen, was nicht gerade das Beste für ein langes Akku-Leben ist. Die Mindestanforderungen an die Lebensdauer der Batterien liegt bei einer Laufleistung von 150.000 bis 200.000 Kilometern, was laut dem Fraunhofer Institut etwa 1000 Vollzyklen entspräche. Die Forscher haben bereits mehrere Studien um die Elektromobilität veröffentlicht. Ihre Meinung: „Die wachsenden Batteriekapazitäten und hohen Reichweiten pro Ladung könnten zukünftig zu einer Entspannung der Anforderungen an die Zyklenlebensdauer führen. Zur kalendarischen Lebensdauer lassen sich über die typischerweise garantierten zehn Jahre hinaus noch keine verlässlichen Aussagen treffen.“
Feststoffbatterien als Energiespender der Zukunft?
In heutigen Elektroautos sind Batterien aller Formate (zylindrisch, prismatisch, Pouch) und aller wesentlichen Chemien (NCA, NMC, LMO, LFP) verbaut. In den kommenden Jahren planen die Zellhersteller weltweit zunehmend nickelreiche Hochenergie-Kathoden und -Anoden (Si / C Komposite) einzusetzen. Mittelfristig versprechen Hochkapazitäts-NMC-Materialien (zum Beispiel Lithiumreiche integrierte Komposite) oder Hochvoltmaterialien eine noch höhere Energiedichte. Damit dürfte laut des Forschungsinstituts für konventionelle Zellen eine Erhöhung auf bis zu 350 Wattstunden pro Kilogramm, beziehungsweise auf über 800 Wattstunden pro Liter möglich sein (zum Beispiel durch Prä-Lithiierung von Anodenmaterialien). Eine ultimative Steigerung der Energiedichte wäre durch Lithium-Metall-Anoden machbar (über 1000 Wh pro Liter bzw. etwa 400 Wh pro kg). Ihr Einsatz könnte jedoch die Verwendung von Feststoffelektrolyten und damit von bislang nicht kommerziell verfügbaren Technologien erfordern.
Im Labormaßstab erreichen Feststoffbatterien bereits beeindruckende Energiedichten, die sie für den Einsatz im Automobil höchst interessant machen. Hinsichtlich Fertigungsverfahren und Stabilität sind weiterhin große Anstrengungen für Forschung und Entwicklung auf dem Weg zur großskaligen Kommerzialisierung notwendig. Das teilweise hohe Engagement wichtiger industrieller und wissenschaftlicher Akteure lässt darauf schließen, dass erste Feststoffbatterien in größerem Maßstab ab etwa 2025 auf den Markt kommen könnten, allerdings zunächst wohl nicht im Automobil. Bislang sind zylindrische Zellen Spitzenreiter bei den Energiedichten. Gerade der Übergang von konventionellen zu Feststoffbatterien könnte jedoch den Vorsprung zylindrischer gegenüber Pouch- oder prismatischen Zellen auflösen. Nämlich dann, wenn die Verwendung fester Elektrolyte ein Stapeln der Elektroden erfordert und das zylindrische Aufwickeln nicht mehr möglich ist.
„Beim Übergang von Zell- auf Modulebene ergeben sich je nach Zellformat Verluste von acht bis 18 Prozent bei der gravimetrischen und 20 bis 50 Prozent bei der volumetrischen Energiedichte“, so das Institut. Diese Reduktion setze sich beim Übergang auf Systemebene fort und ist insbesondere dann ausgeprägt, wenn zum Beispiel aufgrund einer hohen Schnellladefähigkeit hohe Anforderungen an das Kühl- und Sicherheitssystem bestehen. Durch Innovationen außerhalb der Batteriezelle, wie zum Beispiel der Verschmelzung von Modulen und Batteriepacks, ließe sich in Zukunft dennoch die Energiedichte der Zellen besser auf Systemebene übertragen.
Verdoppelung der Reichweiten in Aussicht
Dies und ein weiter verringerter Energieverbrauch der Fahrzeuge (kWh pro km), zum Beispiel durch Isolation und Verringerung des Heizaufwands, eine Verringerung des Energieverbrauchs durch Elektronik und auch Leichtbau könnte bei gleichem Batterieplatzbedarf zu einer Verdopplung der Reichweite von heute etwa 250 bis 400 Kilometern auf 500 bis 800 Kilometer in den kommenden zehn Jahren führen, vermutet man. Höhere in der Literatur genannte Energiedichten und damit verbundene Reichweiten auf Basis alternativer und meist noch in der Grundlagenforschung befindlicher Batteriechemien seien aus heutiger Sicht spekulativ. Fragen hinsichtlich der Lebensdauer, Sicherheit und Produzierbarkeit lassen den Einsatz derartiger Technologien in E-Fahrzeugen zunächst eher unwahrscheinlich erscheinen. Im stationären Bereich könnten jedoch Technologien wie Natrium-Ionen-Batterien eine Rolle spielen.
Elektromobilität und Batterietechnologie werden als ein wichtiger Bestandteil der zukünftigen nachhaltigen Mobilität betrachtet. Man ist der Meinung, dass sie dazu beitragen können, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Die Entwicklung von Batterietechnologien der nächsten Generation wird eine tragende Rolle spielen, um die Leistungsfähigkeit und die Reichweite von Elektroautos zu erhöhen und den Einsatz von erneuerbaren Energien zu verstärken. Fortschritte in der Batterietechnologie werden schließlich auch die Kosteneffizienz von E-Auto-Akkus steigern und die Umweltbilanz verbessern.
Quellen: Manager Magazin – „Bei E-Auto-Batterien sind Verbesserungen von 75 Prozent und mehr möglich“ / Fraunhofer Institut (ISI) – Batterien für Elektroautos: Faktencheck und Handlungsbedarf (PDF)
