Alles elektrisch: Warum eine grüne Zukunft Elektroautos und mehr erfordert

12 Minuten

Aktualisiert am: 27 Dec 2020

Was haben Telefone, Kühlschränke und Fernseher gemeinsam? Sie nutzen Energie in Form von Elektrizität.

Warum wollen wir (fast) alles elektrisieren? Der Grund dafür ist, dass saubere Kern-, Solar- und Windkrafttechnologie Strom produziert . Um diese saubere Elektrizität zu nutzen, müssen wir Transport und Wärmeversorgung mit Elektrizität betreiben, statt mit Öl oder Gas .

Die Umwandlung von elektrischer in Wärmeenergie hat einen Wirkungsgrad von fast 100% . Warum haben wir dann noch nicht alle unsere Heizungen umgerüstet? Das liegt am extrem niedrigen Preis von Gas . Wir müssen also den Strompreis senken. Natürlich muss der Strom auch CO₂-neutral produziert werden, da sonst lediglich die Verbrennung fossiler Brennstoffe von unseren Kellern in Kraftwerke verlagert werden würde .

Wie sieht es im Transportsektor aus?

Batterien könnten 71 % der fossilen Treibstoffe im Verkehrssektor ersetzen!

Image of Batterie vs. Flugzeugtreibstoff

Batterie vs. Flugzeugtreibstoff

Aber was ist mit Autos, LKWs und Bussen? Es gibt bereits elektrische PKWs und mit verbesserter Batterietechnologie können wir bald mit elektrischen LKWs rechnen . Damit hätten wir die Fahrzeuge, die für den Großteil der Transportemissionen verantwortlich sind, elektrifiziert .

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Anteil der Transportemissionen

Günstigere Batterien mit verbesserter Kapazität und Lebensdauer sind der Grundstein der Elektrifizierung des Transportwesens. Willst du Genaueres lernen? Dann lies weiter! Wir schauen uns den derzeitigen Stand der Batterietechnologie im Detail an und diskutieren, welche Verbesserungsmöglichkeiten bestehen.

Was sind Batterien?

Es gibt viele Arten von Batterien . Am weitesten verbreitet ist der sogenannte Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion). Dieser findet sich nahezu überall - angefangen von deinem Handy bis hin zu Elektroautos . Der Li-Ion-Akku kann sehr einfach mehrere tausendmal ge- bzw. entladen werden .

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Lithium-Ionen-Akku

Die grundlegenden Details eines Lithium-Ionen-Akkus sind:

  1. Nimmt man dem Lithium-Atom ein Elektron weg, so erhält man ein positiv geladenes Lithium-Ion. Daher kommt die Bezeichung "Lithium-Ionen-Akku" .
  2. Die Kathode besteht aus einer Lithium-Verbindung und ist die positiv geladene Seite der Batterie .
  3. Die Anode wird aus einem Material herstellt, welches Elektronen und Li-Ionen speichern kann. Häufig kommt hierbei Graphit zum Einsatz . Die Anode ist der negative Pol der Batterie .
  4. Den Separator kannst du dir als eine Wand zwischen Kathode und Anode vorstellen. Lithium-Ionen werden durchgelassen, Elektronen hingegen nicht .
  5. Das Elektrolyt ist eine Flüssigkeit oder ein Feststoff, der Kath- und Anode umgibt. Es ist ungeladen und wechselwirkt daher nicht mit dem Rest der Batterie .

Lasst uns das ein bisschen genauer betrachten.

Wie funktioniert der Ladevorgang?

Vereinfacht gesagt ist der Ladevorgang nichts anderes als die Bewegung von Li-Ionen von der positiven Kathode zur negativen Anode .

Image of Laden eines Lithium-Ionen-Akkus

Laden eines Lithium-Ionen-Akkus

Wenn eine entladene Batterie an eine Spannungsquelle angeschlossen wird, geben die Lithium-Atome jeweils ein Elektron ab, welches dann von der Kath- zur Anode wandert.

Wird ein Elektron aus einem Lithium-Atom entfernt, bleibt ein positiv geladenes Ion zurück. Diese Li-Ionen werden von der negativ geladenen Anode angezogen. Die Ionen fließen also durch den Separator zur Anode.

Das Graphit in der Anode erfüllt eine ähnliche Aufgabe wie Brot in einem Sandwich: Seine Schichten trennen die Lithium-Ionen von den Elektronen , bis die Batterie entladen wird. Dieser Zustand ist instabil, denn die Li-Ionen wollen eigentlich die Elektronen einfangen.

Image of Anode

Anode

Wie funktioniert der Entladevorgang?

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Entladen eines Lithium-Ionen-Akkus

Werden An- und Kathode mit einem Kabel verbunden, dann fließen die Lithium-Ionen zurück durch den Separator und die Elektronen wandern durch den angeschlossenen Stromkreis . In der Kathode finden beide wieder zusammen und bilden einen stabilen Zustand .

Wenn die Elektronen durch das Kabel fließen, erzeugen sie einen elektrischen Strom. Damit können wir dann unsere Lampen, Handys oder andere Geräte betreiben !

Warum Lithium?

Unter allen bekannten Elementen ist Lithium dasjenige, welches seine Elektronen am bereitwilligsten abgibt. Andere Materialien nehmen lieber Elektronen auf . Dies liegt an der entsprechenden Elektronenkonfiguration.

Wie funktioniert das genau? Atome bestehen aus einem Kern (oder Nukleus) und Elektronen. Letztere umgeben den Kern in Elektronenschalen. Atome möchten vollständig besetzte Schalen haben. Dafür sind sie sogar bereit, ihre Elektronen mit anderen Atomen zu teilen. Dieses Verhalten ist die Grundlage jeder Batterie .

Image of Elektronenschalen von Lithium und Fluor

Elektronenschalen von Lithium und Fluor

Es ist für Fluor einfacher, ein Elektron aufzunehmen als sieben abzugeben. Das Lithiumatom gibt lieber eines ab .

Können wir Batterien besser machen?

Wie wir weiter oben schon erwähnt haben, gibt es bereits Elektroautos zu kaufen . Sie sind aber recht teuer und es gibt noch viele Verbesserungsmöglichkeiten (z.B. höhere Reichweite) . Andererseits gibt es noch keine elektrischen Flugzeuge, LKWs oder Schiffe . Wird es solche je geben? Einige der wichtigsten Batterieeigenschaften, die wir gern verbessern möchten, sind die folgenden:

Image of Batterien verbessern

Batterien verbessern

Die meisten Technologien haben eine physikalische Grenze. Kommerzielle Solarpanele können derzeit bespielsweise lediglich 20 % des einstrahlenden Sonnenlicht absorbieren . In der Theorie könnten wir 100 % des Sonnenlichts in Energie umwandeln (natürlich nicht mehr als 100 %). Das ist das theoretische Limit.

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Theoretische Grenzen

Es gibt keine offensichtliche theoretische Grenze für die Anzahl der Ladezyklen, die eine Batterie übersteht. Wie sieht es in der Realität aus? Derzeit kann ein Akku problemlos mehere tausendmal ge- und entladen werden . Neuere Forschung konnte diese Anzahl mehr als verdoppeln . Es stehen uns also aufregende Zeiten bevor!

Wie sieht es mit dem Gewicht und der Größe der Batterien aus?

Kleinere und leichtere Batterien?

Moderne Batterien können etwa 259Wh pro Kilogramm speichern . Im Vergleich dazu liegt die spezifische Energie von fossilen Brennstoffen wie Diesel und Kerosin bei etwa 13.000Wh/kg !

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Batterie vs flüssiger Brennstoff

Wie können wir die Kapazität von Batterien verbessern? Schauen wir uns zunächst die theoretischen Grenzen an, um einzuschätzen, ob der Aufwand überhaupt gerechtfertigt ist. Da keine Technologie diese übertreffen kann, ist es ein guter erster Schritt!

Beginnen wir mit dem Gewicht der einzelnen Komponenten der Batterie:

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Akkugewicht nach Komponenten

Schritt 1: Werde alle überflussigen Bauteile los. Alles außer den Kathoden und Anoden wird in der Theorie nicht benötigt. Das Gewicht des Lithiums zählt zur Anoden- und Kathodenmasse .

Wir müssen das Lithium irgendwo speichern. Aber das ist so ziemlich alles, was die Anode macht.

Könnten wir eine Batterie ohne die Teile bauen, die man in der Theorie nicht benötigt, und könnten wir eine gewichtslose Anode verwenden, blieben lediglich 41 % des derzeitigen Gewichts übrig . Das entspricht einer spezifischen Energie von 250/0,41 = 609Wh/kg.

Was ist die bestmögliche Kathode?

Wir möchten Materialien verwenden, die ein geringeres Gewicht haben und gleichzeitig das Lithium stark anziehen.

Die folgenden Stoffe werden auf ihre Tauglichkeit als leichte und speicherstarke Kathode untersucht:

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Spezifische Energie von Batterien und Benzin

Es scheint, dass Lithium-Luft-Akkumulatoren Batterien zu einer spezifischen Energie, die ähnlich der von Benzin ist, verhelfen könnten!

Ist Li-S & Li-Air wirklich möglich?

Am häufigsten kommt derzeit Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO₂) als Kathodenmaterial zum Einsatz . Es ist relativ schwer, aber es funktioniert. Im Gegensatz dazu sind die "besseren" Alternativen, die wir hier besprechen, noch in der Entwicklungsphase .

Lithium-Schwefel-Akkus sind bereits verfügbar, aber noch nicht wirklich weit verbreitet .

Lithium-Luft-Akkus sind kompliziert, könnten jedoch bald möglich sein . Wir wissen allerdings noch nicht, ob die Technologie sich auch in der Praxis bewährt .

Das Hauptproblem ist aber, dass wir uns bisher nur die theoretischen Grenzen angeschaut haben. Erinnere dich, dass wir alle Komponenten außer der Kathode vernachlässigt haben. Die Kathode trägt lediglich 41% zur Gesamtmasse der Batterie bei. Sollten wir also selbst die theoretisch leichteste Kathode bauen könnten, so bleiben dennoch die anderen 59 % der Masse . Das heißt, dass wir das Gewicht nicht mal mit einer gewichtslosen Kathode halbieren würden!

Autsch! Forschung ist anstrengend, aber mit viel Gehirnpower (und finanziellen Mitteln) können wir diese Technologien Schritt für Schritt verbessern! Die Anode und die Materialien, welche die Batterie zusammenhalten, werden ebenfalls leichter und Forschergruppen machen stetig Fortschritte .

Kurz gesagt: Wir werden vielleicht niemals Batterien mit der spezifischen Energie von Benzin haben. Nichtdestotrotz sind Akkus, die drei- bis fünfmal so viel Energie pro kg wie heute speichern können, durchaus realistisch .

Wie man günstige elektrische Autos und LKWs baut

Der Preis von Lithium-Ionen-Akkus ist in den letzten Jahren sehr stark gefallen und es wird prognostiziert, dass diese Batterien noch günstiger werden .

Image of Preis eines Akkupacks

Preis eines Akkupacks

Das liegt zum einen an Innovationen, aber auch an Skaleneffekten . Wir bauen viel mehr Batterien als noch vor einigen Jahren. Dadurch konnten die Produktionskosten gesenkt werden . Tesla, einer der weltgrößten Batterieproduzenten, baut riesige Fabriken, um den Grad der Automatisierung sowie die Produktionsleistung zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten zu senken.

Können Batterien das Speicherproblem der Solar- und Windenergie lösen?

Die Energiedichte und die spezifische Energie sind wichtig, wenn wir an die Elektrifizierung des Transports denken . Zur Integration von Batteriespeicher in das Stromnetz sind jedoch günstige Technologien, die im industriellen Maßstab funktionen, gefragt. Warum? Weil wir jede Menge Energie speichern müssen. Wie viel genau? Schauen wir uns mal die Zahlen an.

Wir würden hier natürlich gern eine niedrigere Zahl schreiben, aber das ist nunmal unser derzeitiger Stand. 70 Billionen US-Dollar sind mehr als 80 % des weltweiten BIPs von 2018 . Das heißt, dass die Batterien, die zur Speicherung benötigt werden, so viel kosten wie 80 % der Waren und Dienstleistungen, die im ganzen Jahr 2018 hergestellt bzw. verrichtet wurden!

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Batterien sind derzeit teuer

Batterien sind extrem wichtig für die Elektrifizierung des Verkehrssektors . Also ist das, was wir hier gelernt haben, trotzdem sehr nützlich.

Aber wir haben die Idee der Energiespeicherung und anschließenden Einspeisung ins Stromnetz noch nicht aufgegeben. Einige weitere Technologien findest du im übernächsten Kapitel. Zunächst schauen wir uns Wasserstoff als Energieträger an und diskutieren, wie Flugzeuge und Schiffe elektrifiziert werden könnten. Außerdem sind mit H₂ betriebene Autos natürlich auch eine interessante Alternative zur gegenwärtig priorisierten Batterietechnologie.

Nächstes Kapitel