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Hurra, die Akkus explodieren!

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Felix Austen

Hurra, die Akkus explodieren!

14. Oktober 2016

Wir brauchen saubere Energie. Die wird es nicht ohne gute und günstige Akkus geben – und zwar in rauen Mengen. Die gute Nachricht: Wir sind fast soweit.

Es herrscht Goldgräberstimmung: Nicht nur in Deutschland sprießen Forschungszentren aus dem Boden, weltweit formieren sich ganze Heerscharen weißer Kittelträger, bewaffnet mit Klemmbrettern und Kugelschreibern. Regierungen verteilen großzügig Im Forschungsprojekt Innovationsallianz LIB 2015 haben sich Bund und Unternehmen zusammengeschlossen Subventionen in Größenordnungen Hunderter Millionen Euro und lesen Universitäten und Hochschulen jeden Wunsch von den Vorhabens-Erklärungen ab. Konzerne investieren ähnlich mutig in Maschinen, Fabriken, Personal und Knowhow. 2 Worte scheinen derzeit zu genügen, um Summen mit beliebig vielen Nullen bei Investoren und Ministern loszueisen: »Lithium« und »Batterien«.

Falko Schappacher spaziert in weißem Kittel und mit Schutzbrille durch die Labore. Er erforscht am MEET in Münster MEET steht für Münster Electrochemical Energy Technology. Das Zentrum ist eines von vielen deutschen Forschungseinrichtungen, die in den letzten Jahren in Deutschland entstanden sind und sich auf Akkus fokussieren. das Innenleben moderner Lithium-Ionen-Akkus.

»Was es 2006 in Deutschland an Elektrochemie gab? Vielleicht ein bisschen Grundlagenforschung hier und da, aber sonst nicht viel. Man hat gemerkt, man muss was tun. Und man hat Förderinstrumente in die Hand genommen, die gewirkt haben. Was in den 90er-Jahren die Nanotechnologien waren, sind seit 2010 die Lithium-Batterien: Wer schreit, kriegt Geld.«

Der Zeitpunkt, an dem die Akkus übernehmen

Niemand möchte sich später vorwerfen lassen, den richtigen Zeitpunkt verpasst zu haben, ab dem alles ganz schnell ging: Diesel und Benziner sind abgeschrieben, In den Niederlanden, Norwegen, Indien und inzwischen sogar Deutschland werden politische Überlegungen konkreter, noch vor 2030 die Zulassung von Benzin- und Dieselfahrzeugen zu verbieten. Elektroautos erobern den Asphalt. Die Leitungen zu den Kohlekraftwerken werden gekappt, stattdessen Ich habe mit dem Geschäftsführer eines Anbieters von Heimspeichern gesprochen flutet Sonnenstrom die Netze. Wann genau dieser Zeitpunkt ist, entscheiden vor allem: Akkus.

Niemand möchte sich später vorwerfen lassen, den richtigen Zeitpunkt verpasst zu haben.Schon in den letzten Jahren haben die aufladbaren Stromspeicher unsere Welt infiltriert: Sie machen die Vernetzung und Verkabelung unseres Alltags erst möglich, weil sie Smartphones und Laptops überall zum Leben erwecken. Marktprognosen für Verbraucherelektronik in Deutschland (englisch) Dieser Trend wird anhalten – und sich weiter verstärken.

Ein Mobiltelefon ist allerdings ziemlich mickrig im Vergleich zu einem Familien-Van, der darüber hinwegrollt. Ähnlich gering ist die Bedeutung mobiler Elektronik im Vergleich zur Elektromobilität, was die Anforderungen und das Ausmaß der Akkus angeht: Der Akku in einem E-Auto muss 1000-mal größer, stärker und ausdauernder sein als in einem Handy. Weil der gesamte Akku eines Autos aus vielen hunderten oder tausenden Zellen besteht, steigert jedes Gramm Übergewicht einer einzelnen Zelle sein Gesamtgewicht tausendfach, jeder unnötige Euro Produktionskosten summiert sich und verteuert den Wagen um den Monatslohn eines möglichen Kunden.

Sonnenkraft ersetzt Kohlestrom! – Quelle: Ricardo Annandale CC0
Ähnliches gilt für die Mein erster Beitrag zur Energiewende beantwortet die Frage, »Wie wir die Energiewende in 10 Jahren stemmen« Ansprüche an Solar- und Großspeicher. Zusammen mit den Autos werden sie künftig den globalen Akkumarkt bestimmen und seine Regeln diktieren. Besser gesagt: Es entsteht gerade ein ganz neuer, gigantischer Akkumarkt, den es so bisher überhaupt nicht gab. Es ist kaum unrealistisch zu sagen, dass in einigen Jahren mehr Lithium-Ionen-Zellen aus einzelnen Fabriken rollen werden, als sie heute alle Batteriefabriken der Welt zusammen produzieren. Analyse des Marktes für Lithium-Akkus (englisch, 2013) Die Umsätze haben die Milliarden-Marke längst geknackt – und wachsen munter weiter.

Zur Erinnerung: Der Grund für diesen Kraftakt ist der Die Seite klimafakten.de liefert, was ihr Name verspricht Klimawandel. Die Entscheidung, kräftige Akkus zu entwickeln, ist keine ganz freiwillige. Gute Akkus sind Kern und Herzstück im technologischen Puzzlespiel, Auch andere Technologien spielen entscheidende Rollen: Wie wichtig die Energiequellen Wind- und Solarkraft sind, ist bekannt. Auch über die intelligente Vernetzung wird gelegentlich gesprochen, ebenso wichtig für die Energiewende. Weitgehend unerwähnt bleibt meistens die Wärmepumpe; sie macht aus wenig Strom viel Wärme und wird früher oder später all unsere Heizungssysteme ersetzen. Artikel folgt! dass der Umbau unserer Welt von dreckig und tödlich zu relativ sauber und zukunftsfähig Warum der Klimawandel tödlich ist, wissen wir. Nicht ganz so bekannt ist, dass heute rund 18.000 Menschen an den Folgen des Kohleabbaus und ihrer Verbrennung sterben – jedes Jahr. Natürlich gibt es auch bei den Erneuerbaren Technologien Probleme und Herausforderungen: Woher stammen kritische Rohstoffe wie Seltene Erden, Lithium, Nickel und Kobalt? Wie wirken sich Technologien wie Wind und Photovoltaik, die große Flächen brauchen, auf Anwohner und Ökosysteme aus? Wie gehen wir mit der Abfall- und Recyclingfrage um?
Alles Fragen, die wir beantworten müssen – und in kommenden Perspective-Daily-Beiträgen werden. Diese Herausforderungen sind aber anderer Natur als die existenzielle Bedrohung, die der Klimawandel darstellt. Seine Probleme sind nicht lösbar: CO2 in der Atmosphäre erhitzt die Erde immer weiter, und die Rohstoffe sind endlich. Eine Umstellung, ob früher oder später, ist also unausweichlich.
einfordert. Wir sind also auf Akkus angewiesen, wollen wir auf Strom, Wärme und Mobilität nicht verzichten. Es gibt andere Technologien, z.B. Wasserstoff und Brennstoffzellen, die den Verkehrssektor ergrünen lassen können. Wie wir im Verlauf des Textes aber sehen werden, deutet alles darauf hin, dass es Akkus und Elektromotoren sein werden, die unsere Straßen erobern. Die gute Seite daran: Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie: »Beschäftigung durch erneuerbare Energien in Deutschland« (2015) Mit den Akkus kommen neue Jobs, die die Wunden der stillgelegten Tagebaue und Motorenfabriken schnell heilen lassen werden.

Schicht für Schicht: Der McAkku

Zurück zur Frage, wann genau die Akku-Lawine ins Rutschen kommt. Die Antwort: Wenn Akkus gut genug sind, wenn Akkus billig genug sind – und wenn wir die Kapazitäten haben, Akkus in rauen Mengen herzustellen. Aber der Reihe nach. Denn um zu verstehen, wie wir Akkus gut und billig machen, müssen wir erst einmal verstehen, wie ein Akku überhaupt funktioniert. Kurz und schmerzlos, versprochen: Im Wesentlichen gleicht eine Batteriezelle einem plattgedrückten Burger aus verschiedenen Schichten. Die Brötchen bestehen aus 2 dünnen Folien, die eine aus Aluminium, die andere aus Kupfer. Sie sehen tatsächlich aus wie die Alufolie aus der Küchenschublade. Die Kupferfolie ist natürlich kupferfarben! Diese Folien sind die Elektroden, über sie fließt der Strom, also die Elektronen, in den und aus dem Akku. Zwischen den Folien passiert die ganze Magie – wenn die Chemie stimmt.

Falko Schappacher steht vor einer Glasscheibe, hinter der Info zu den Laborräumen des MEET in Münster der trockenste Raum Deutschlands liegt. Ein junger Laborant wischt wieder und wieder über eine große Klinge, ähnlich dem Messer einer Papierschneidemaschine. Gleich wird er damit eine Kathodenfolie zurechtschneiden. In dem Labor bauen Wissenschaftler zu Testzwecken Akkus zusammen – dabei darf kein Tropfen Feuchtigkeit in die Geräte gelangen.

Auf der einen Folie ist eine extrem dünne Schicht Graphit aufgetragen, die einer fast schwarzen, hauchzarten Glasur aus Zartbitterschokolade gleicht. In der Tat eine ungewöhnliche Zutat für einen Burger! Auf der anderen Seite, der Kupferfolie, haftet eine ähnlich dünne Schicht aus verschiedenen chemischen Stoffen, Das am häufigsten verwendete Material sind Eisen, Kobalt, Mangan und Nickel. in der auch das Lithium steckt, Lithium wird deshalb verwendet, weil es mit seinen 3 Protonen im Kern das leichteste Element nach Wasserstoff und Helium ist. Obwohl es ein Metall ist, wiegt es gerade einmal rund halb so viel wie Wasser: Ein Klotz in der Größe einer Milchpackung würde rund 530 Gramm auf die Waage bringen. Gleichzeitig lässt sich in einem Lithium-Ion sehr viel Energie speichern, weil sich kein anderes Element, dem man ein Elektron entzieht, so stark zu diesem hingezogen fühlt. Deshalb ist die sogenannte Energiedichte, also Energie pro Gewicht, hoch und Lithium das derzeit gefragteste Akku-Material. das wir uns jetzt als Sesamkorn vorstellen. Das Korn wandert in die zartbittere Graphitschicht und lässt sich dort nieder. Damit das Elektron dem Lithium-Ion nicht heimlich nachstellt, liegt zwischen den beiden Brötchen das Salatblatt, der Separator. Diese hauchdünne Plastikfolie lässt Ionen – Sesamkörner – passieren, Elektronen aber müssen draußen bleiben.

Selbstverständlich braucht das Ganze eine gute Sauce, die alles miteinander verbindet: Die gesamte Zelle wird in einem Elektrolyten mariniert, einer Salzlösung, durch die die Ionen hindurchfließen können. Ein ganzer Akku, also ein Menü, besteht aus vielen solcher Einzelzellen, die eine Verpackung zusammenhält. Außerdem gehören Kabel, Elektronik und weitere Teile dazu – also neben vielen Burgern auch Pommes, ein Getränk, Servietten, das ganze Programm eben.

Sitzen die Sesamkörner (Lithium-Ionen) in der Zartbitterschokolade (Graphitschicht), ist der Akku geladen. Beim Entladen treten sie den Rückweg durch den Burger an.

1. Ist der Akku leer, sitzen die Lithium-Atome (Sesam-Körner) in der Anode. 2. Beim Ladevorgang geben sie ein Elektron ab, das durch den Stromleiter zur Kathode fließt, während das Lithium-Ion nun durch die Batterie, also durch die Sauce und das Salatblatt, zur Graphit-Kathode wandert (Schokoladenschicht). 3. Hier sitzen die Ionen solange, bis man die Energie wieder aus der Zelle holt, und 4. einen Verbraucher anschließt. Dann treten sie den Rückweg an.

Grundsätzlich sind alle Akkus nach diesem Prinzip aufgebaut. Bei jedem einzelnen Teil allerdings gibt es endlose Möglichkeiten zur Variation. Materialien, Formen, Herstellungsverfahren: Für jede Komponente gibt es zahllose Möglichkeiten, die sich auf das Verhalten des Akkus auswirken. Tatsächlich gibt es unzählige Zelltechnologien, die auch schon in den nächsten 10 Jahren relevant werden können. Alle zu besprechen, ist an dieser Stelle kaum möglich: Zink–Luft, Lithium–Schwefel, Aluminium–Luft … Ich spreche im Folgenden nur die derzeit wichtigsten und vielversprechendsten Materialien an. Die beste Kombination für den richtigen Einsatz zu finden – genau dafür sind die Hunderte Millionen Euro vorgesehen.

»Man sollte am Anfang ein bisschen Gehirnschmalz reinstecken, welche Zutaten man verwendet«, sagt Falko Schappacher. Er steht vor einer großen Glasvitrine, in der ein Roboter-Arm viele kleine Gläschen mit Chemikalien befüllt. Die Maschine mischt verschiedene Zusatzstoffe in die Elektrolyt-Flüssigkeiten, die später auf ihre Eigenschaften getestet werden.

Wir brauchen gute Akkus

Was macht jetzt einen guten Akku aus? Die Anforderungen an Akkus für die Straße sind die höchsten, gut bedeutet hier vor allem: Der Akku muss leicht und sicher sein, und der Fahrer muss ihn schnell laden können – leicht, schnell, sicher. Man könnte noch anfügen: haltbar. Akkus gehen mit der Zeit im Innern kaputt. Je nach Technik und Anforderung verlieren sie nach 5.000–10.000 Ladezyklen an Kapazität und Leistung, sodass sie ihren Zweck nicht mehr erfüllen. Wir kennen das vom Laptop oder Handy: Nach ein paar Jahren müssen wir sie quasi permanent ans Ladegerät hängen.
Alte Autoakkus werden künftig wohl zunächst in Lagerhallen gestellt, sozusagen Seniorenheime für altersschwache Batterien, wo sie noch ein paar Jahre dabei helfen, das Netz zu stabilisieren. Irgendwann werden sie recycelt.

    Wie man am Tesla sieht, genügt das, um auch mit Mittelklassewagen 200-300 km durchs Land zu kurven. Für größere Wagen sind in den nächsten Jahren sicherlich auch Reichweiten von 500 km machbar. Genügend – wenn wir unsere Gewohnheiten ein wenig umstellen und Ladestationen sich verbreiten. Unsere Tank- und Fahrgewohnheiten stammen ja auch nicht aus der Steinzeit, sondern haben sich den speziellen Umständen angepasst, die Verbrennungsmotoren und Tank-Infrastruktur mit sich bringen. Das heißt: Der Umgang mit Elektroautos ist nicht schlechter, nur weil er anders ist. Er ist eben anders. Die Möglichkeit, den Wagen zu Hause in der Garage zu laden, ist zum Beispiel ganz neu und ein riesiger Gewinn, was den Komfort angeht. Wer jeden Tag 100 km fährt, abends aber immer in der Garage parkt, muss überhaupt keine Zeit mehr einplanen, um gezielt eine Ladestation anzufahren.

    Der Aufbau eines flächendeckenden Netzes aus Ladestationen ist außerdem weitaus weniger aufwendig, als es seinerzeit beim Aufkommen der Verbrennungsmotoren der Fall war. Zur Erinnerung: Bohrinseln auf dem Meer, tausende Kilometer lange Pipelines, Öltanker, Raffinerien, Tankstellen. All das ist nötig, um Benzin in den Tank zu bringen. Unser Stromnetz dagegen steht. Was noch fehlt, sind ein paar zusätzliche Steckdosen. Mal ganz davon abgesehen, dass Studie von Caroline Stöhr zur Entwicklung des Autoverkehrs (2009) über 90% der Fahrten in Deutschland kürzer als 100 km sind, wofür eine Akkuladung schon heute locker genügt.

    Wie erreichen die Forscher diese Steigerung? Denken wir zurück an den Burger: Die Lithium-Ionen setzen sich in der geladenen Batterie in die Zartbitterschokolade, also die Graphitschicht auf der Alufolie. Je mehr Ionen Platz darin finden, desto höher die Energiedichte. Das Innenleben der Schokoschicht gleicht einer Höhle mit vielen kleinen Tunneln und Vorsprüngen. Diese gilt es einerseits groß genug zu machen, sodass gerade noch ein Ion hindurchpasst. Gleichzeitig müssen die Gänge möglichst klein sein, damit kein Platz verschenkt wird. Bei der perfekten Konstruktion und Architektur dieser Schächte gibt es immer wieder Fortschritte. Die Firma Heraeus etwa stellte jüngst ein Graphit-Pulver vor, mit dessen Hilfe die Kapazität um bis zu 20% steigt im Vergleich zu heute gängigen Materialien.

    Auf lange Sicht wäre es wünschenswert, ganz auf die schwere Graphitschicht zu verzichten und die Ionen direkt an der Kathode, der Alufolie, einzulagern. Das ist bisher nicht möglich, weil Lithium sehr reaktionsfreudig ist und der ganze Burger in Flammen aufgehen würde. Wir haben gerade an den Samsung-Handys gesehen, wie das aussehen kann. Man nennt das »thermal runaway« (»thermisches Durchgehen«): Wird der Akku zu schnell ge- oder entladen, erwärmt er sich. Dadurch steigt der innere Widerstand, was zu einer noch schnelleren Erwärmung führt, usw. – ein Teufelskreis, an dessen Ende die Explosion steht. Das Graphit dient auch als Schutz davor. In den Schubladen der Forscher liegen aber schon viele Pläne, um das Graphit zu ersetzen und die Kapazität so zu vervielfachen. Der Technologie-Riese Bosch hat vergangenes Jahr das amerikanische Start-Up Seeo gekauft: Die Kalifornier verzichten auf die Sauce, den Elektrolyten, und verwenden stattdessen einen speziellen, festen Kunststoff. Damit können sie die Kathode aus reinem Silizium fertigen. Das Ergebnis: Ein Akku, der bei gleicher Energie halb so viel wiegt, 75% kleiner ist – und sehr sicher und ausdauernd zu sein scheint.

    Eine andere Lösung haben Forscher des Helmholtz-Zentrums in Berlin im Angebot: Sie ersetzen das Graphit durch Silizium. Dadurch könnten sie nach eigenen Berechnungen die Energiedichte versechsfachen. Sie werden wohl nicht morgen umgesetzt – aber vielleicht übermorgen.

Im nächsten Laborraum stehen mannshohe, graue Maschinen, die an Computer aus den 60er-Jahren erinnern. Im Hintergrund rauscht ein Lüfter. Aus jedem der Maschinenschränke ragen flache Kunststoff-Platten, die aussehen wie kleine CD-ROM-Laufwerke. Sie halten Knopfzellen, in denen die zuvor angerührten Elektrolyte stecken. Die kleinen Batterien werden immer wieder geladen und entladen, um die Flüssigkeiten zu testen – die guten ins Töpfchen, die schlechten ins Kröpfchen.

  • Schnell: Wir sind es gewohnt, bis zu 1.000 km mit unserem Auto zu fahren, bis der Sprit ausgeht. Dann fahren wir an die Tankstelle, stecken den Zapfhahn in den Stutzen, werfen einen kurzen Blick aufs Handy oder in die Landschaft – und schon können die nächsten 1.000 km kommen. Denn der Tank ist nach wenigen Minuten wieder voll.

    Einen Akku zu laden, dauert wesentlich länger. Der Flaschenhals sind die gemütlichen Lithium-Ionen: Sie lösen sich nur relativ langsam aus ihrem Graphit-Nest und wandern gemächlich durch den Elektrolyten und den Separator. Drängt man sie zu sehr und will den Akku zu schnell laden, machen sie ihrem Unmut Luft: Dann zerstören sie auf ihrem Weg den inneren Aufbau des Akkus und erhitzen sich. Das ist auch einer der Gründe, warum Akkus nicht ewig funktionieren, sondern irgendwann den Geist aufgeben.

Warum das Auto nicht dann laden, wenn wir uns ausruhen, mittagessen oder uns die Beine vertreten? – Quelle: lynn Dombrowski CC BY-SA
    Hängt man sein E-Auto an die 230-Volt-Steckdose, dauert es viele Stunden, bis die Fahrt weitergehen kann. Mit Starkstrom und gut eingestellter Elektronik schafft es der Tesla S am Supercharger Tesla baut derzeit in Europa, Asien und den USA ein Netz seiner Ladestationen auf. Mit einem speziellen Starkstrom-Anschluss sind diese kurzen Ladezeiten möglich. Auch nicht schlecht für Tesla-Fahrer: Das Aufladen eines Teslas an einem Supercharger ist kostenlos. Tankrechnung: 0 Euro! immerhin, den Akku in 20 Minuten auf 50% und in 40 Minuten auf 80% zu füllen. Es gibt viele Möglichkeiten, die Ladezeit zu verkürzen. Diese Werte werden sich wohl weiterhin Stück für Stück verbessern – Quantensprünge wird es vorerst aber kaum geben. An Ideen für exotischere Technologien mangelt es auch hier nicht – die Pläne liegen bereit. Forscher der Hochschule Coburg versetzen den Akku beim Ladevorgang in Ultraschall-Schwingungen. Dadurch wird der Elektrolyt »durchgerührt«, sodass die Lithium-Ionen im Graphit schneller in ihre Nischen rutschen – und Platz machen für die nächsten.
    Gelöst wäre das Problem mit einer Technik, die das Fraunhofer-Institut IWES in Kassel entwickelt: Kabelloses Laden. Denn das würde nicht nur das Verkabeln zu Hause obsolet machen; Ingenieure testen sogar Ladespulen, die in die Fahrbahn integriert sind. Neigt sich auf der Autobahn der Strom dem Ende, genügt es künftig vielleicht, den Blinker zu setzen – und für eine halbe Stunde auf der »Ladespur« zu fahren.

    Ob wir einen Akku jemals so schnell füllen können wie einen Tank? Was wir allerdings sofort tun können: Artikel unserer Autorin Maren zu Gewohnheiten und wie wir sie brechen Unsere Gewohnheiten ein wenig verändern. Wer fährt schon 1.000 km am Stück ohne Pause? Weil die Konzentration nach Stunden auf der Autobahn nachlässt, wir alle auf die Toilette müssen, Hunger bekommen oder uns die Beine vertreten wollen, genügt es, den Akku einfach dann zu laden.

  • Sicher: Akkus, die heute in Autos verbaut werden, erfüllen hohe Sicherheits-Standards. Neue Technologien müssen zahlreiche Tests durchlaufen, bevor sie zugelassen werden. Die anfälligste Komponente in den Zellen ist der Elektrolyt, dessen Anteil in der Zelle aber immer weiter reduziert wird. Separatoren aus festem Material versprechen, sehr viel sicherer zu sein und könnten die Flüssigkeiten früher oder später ersetzen.

    Bis das soweit ist, ist aber nicht nur die Zelle selbst wichtig, sondern auch die Elektronik und die Verpackung. Die Elektronik muss dafür sorgen, dass die Zellen nicht zu schnell geladen und entladen werden – dabei entsteht nämlich am meisten Wärme. Sensoren müssen die Temperatur überwachen und rechtzeitig erkennen, dass eine Zelle durchzubrennen droht. Und natürlich müssen die Zellen so verpackt sein, dass die Batterieteile im Falle einer Explosion dem Fahrer nicht um die Ohren fliegen.

Aus sehr soliden Akkus werden in wenigen Jahren sehr gute.Als Fazit kann man ziehen: Die Akkus sind bereit. Aus heute schon sehr soliden Akkus werden in wenigen Jahren sehr gute Akkus werden. Das sind keine Mutmaßungen, sondern zuverlässige Vorhersagen. Denn für den letzten Feinschliff sind keine technischen Revolutionen nötig, wir müssen lediglich eine bewährte Technik schrittweise verbessern. Der hohe Aufwand und das viele Geld, das derzeit in diese Entwicklung fließt, machen die Verbesserungen absehbar. Sieht man sich Prognosen zur Entwicklung der Akkus aus der jüngeren Vergangenheit an, sieht man: Sie treffen meistens ziemlich genau zu. Nicht selten haben die Forscher sogar ihre eigenen Erwartungen übertroffen. Sie bauen keine Luftschlösser, sondern können den Fortschritt in ihrer Arbeit ziemlich gut abschätzen. Und für die Akkus, die einmal unsere Kinder antreiben, liegen vielversprechende Konzepte bereit.

Wir brauchen billige Akkus

Der Klimawandel ist ein ziemlich starkes Argument dafür, seinen Benziner sofort zu verschrotten und ihn durch ein E-Auto zu ersetzen – zumindest für alle, die nicht aufs Rad oder öffentliche Verkehrsmittel umsteigen können oder wollen. Natürlich ist es wesentlich umweltfreundlicher und auch besser für unsere Gesundheit, wenn wir ganz auf ein Auto verzichten und stattdessen radeln und Bahn fahren. Auch Carsharing lässt das eigene Auto künftig für viele überflüssig werden.
Wer aber auf das Auto angewiesen ist, tut der Umwelt mit dem Wechsel einen Gefallen. Denn obwohl auch Elektroautos einige CO₂-Emissionen bei der Herstellung verursachen, produzieren sie davon im Laufe ihres Lebens deutlich weniger als ein Verbrenner – vor allem, wenn man sie mit Ökostrom lädt.
Nur leider genügt die Rettung der Welt den wenigsten als Grund für eine solche Entscheidung. Deshalb müssen Elektroautos günstig sein, damit wir sie kaufen. Und weil Akkus zwischen einem Viertel und der Hälfte des Preises eines Elektroautos ausmachen, bedeutet das: Akkus müssen günstig sein. Ich spreche überwiegend von Akkus für die Elektromobilität. Natürlich brauchen wir Akkus genauso, um Netze zu stabilisieren und um Wind- und Solarstrom zu helfen, Kohle-, Gas- und Atomstrom zu ersetzen.

Der Salzsee Salar de Uyuni in den Anden ist das größte Lithium-Vorkommen der Welt. Ob es auch groß genug ist, den Lithium-Hunger der kommenden Akkufabriken zu stillen, ist nicht sicher. – Quelle: Dimitry B. CC BY

Derzeit kosten die meisten Zellen noch zwischen 200 und 300 Euro pro kWh. Ein Kleinwagen wie der Renault ZOE kostet so über 20.000 Euro – mehr als doppelt so viel wie ein Verbrenner derselben Klasse. Gerade beim Preis lohnt aber ein Blick in die Vergangenheit: 2010 lag er noch zwischen 700 und 1.000 Euro pro kWh. Bis 2020 landen wir aller Wahrscheinlichkeit nach bei etwa 100 Euro pro kWh. General Motors etwa verkündete schon Ende 2015, in ihren neuen Fahrzeugen Akkus für nur 145 US-Dollar pro kWh zu verbauen. Das ist eine Reduzierung des Preises um 90% – in nur 10 Jahren.

Wie schaffen es die Auto- und Akkuhersteller, den Preis so zuverlässig in den Keller zu treiben? Mit immer besseren Herstellungsverfahren, günstigeren Materialien – und Masse, Masse und nochmals Masse.

  • Materialien und Herstellung: Dass immer mehr Energie in immer kleinere Akkus passt, haben wir oben gesehen. Im Umkehrschluss heißt das: Es werden immer weniger Rohstoffe gebraucht, um eine bestimmte Menge Energie unterzubringen – ein Kosten-Sparpunkt. Die steigende Nachfrage nach Rohstoffen wie Lithium, aber auch Kobalt und Kupfer, kann den Preis ebenso drücken. Die Nachfrage nach Lithium steigt derzeit stark an. Zunächst erwartet man, dass die Preise steigen. Gleichzeitig macht der hohe Bedarf auch die Entwicklung neuer Fördermethoden lohnend, die den Preis wiederum senken. Auch eine bessere Infrastruktur in den Abbaugebieten kann die Preise verringern.
    Das Thema der Rohstoff-Nachfrage ist sehr komplex und zieht einen ganzen Rattenschwanz an Entwicklungen mit sich: Neue Recycling-Verfahren, Umweltprobleme in den Förderländern und die Suche nach Alternativen. Unklar ist außerdem, ob es genügend Lithium-Vorkommen gibt, um all die Akkus zu bauen, die wir in Zukunft brauchen. Diesem Thema werde ich mich bald in einem eigenen Beitrag widmen.

    Akkus werden nicht von Händen zusammengelötet, sondern von Roboterarmen. Der Markt für diese Akku-Maschinen wächst Jahr für Jahr Artikel des pv-Magazins zum erwarteten starken Umsatzwachstum für Batteriemaschinenbau um über 15%. Neue, bessere Maschinen schrauben die Akkus zuverlässiger, schneller und somit günstiger zusammen. Viele Forschungslabore arbeiten vor allem daran, die Kosten der Akkuproduktion zu senken. Ein Verbund von Unternehmen und Forschungsinstituten hat jüngst das Projekt EffiForm ins Leben gerufen, das speziell die sogenannte Formierung verbessern soll. So nennt man das erste Laden eines Akkus, das seine innere Struktur formt und den Rest seines Lebens prägt.
    Die Technische Universität Braunschweig z.B. hat ein Labor gebaut, das der Produktionsstraße in einer Batteriefabrik nachempfunden ist – daher der Name LabFactory (Labor-Fabrik). Hier bauen die Forscher Akkus von Grund auf zusammen und können bei jedem Schritt untersuchen, wie er sich einfacher und günstiger darstellen lässt.

  • Masse: Artikel des pv-Magazins zur Vervierfachung der Produktionskapazität von Lithium-Speichern bis 2020 Vor allem werden die Akkus billiger, weil wir sie in rauen Mengen produzieren. »Welt der BWL« zu Ursachen von Skaleneffekten Der sogenannte Skalierungseffekt ist eine alte Faustregel der industriellen Produktion: Wer große Mengen einkauft, bekommt Rabatte, wer seine Werkzeuge ständig benutzt, für den lohnt sich die Anschaffung mehr. Und wer mehr Maschinen statt Menschen einsetzt, spart Personalkosten.

Damit sind wir am letzten und entscheidenden Punkt angekommen:

Wir brauchen viele Akkus

Damit die Akkus uns helfen können, die schlimmsten Folgen des Klimawandels abzuwenden, müssen wir sie bauen. In großen Mengen. Dann treten auch die Skaleneffekte ein.Wir müssen Akkus bauen. In großen Mengen. Die Industrie liefert sich derzeit ein wahres Wettrüsten, was die Produktionskapazitäten angeht.

Allen voran geht Tesla. Mit der Gigafactory, die dieses Jahr mit der Produktion beginnt, geben die Kalifornier den Takt an: Rund 5 Milliarden US-Dollar (ca. 4,5 Milliarden Euro) hat Tesla in die Fabrik investiert. Es ist das größte Fabrikgebäude, das die Welt jemals gesehen hat, Artikel der Handelszeitung mit dem Titel »Die wichtigsten Fakten zur neuen Gigafactory von Tesla« 5.000–10.000 Menschen sollen hier einmal arbeiten. 2018, wenn die Fabrik ihre finale Größe erreicht hat, Auf ihrer Website legt Tesla den Plan von der »Gigafactory« dar (englisch) werden hier mehr Batterien im Jahr gebaut als 2013 noch auf der ganzen Welt vereint. Und das ist erst der Anfang: Artikel über Teslas Europa-Pläne (englisch) Weitere Gigafactories in Asien und Europa sind geplant.

Die Fabriken dieser Welt bauen derzeit knapp 100 Gigawattstunden (GWh) im Jahr. Allein mit den Fabriken, die heute in Planung sind, werden es bis 2020 wohl über 250 GWh sein. Auch in Das pv-Magazin über Samsungs Pläne für ein Batteriewerk Europa und Deutschland scheint die Artikel über Daimlers Pläne von großen Investitionen in Deutschlands zweite Batteriefabrik, erschienen im pv-Magazin Nachricht angekommen zu sein.

Als Naturwissenschaftler bin ich den ganzen BWLern gegenüber skeptisch eingestellt. Aber was auf den Konferenzen vorgestellt wurde, passt so. – Falko Schappacher

Unterm Strich sind Akkus technisch fast ausgereift, ihre Produktion ist auf massentauglichem Level und die Fabriken stehen bald. Ihr Siegeszug ist wohl kaum zu stoppen. Sie sind bereit, ihren Dienst an der Umwelt zu tun, unseren Verkehr und unsere Energieversorgung nicht ein bisschen, sondern sehr viel grüner zu machen. Es herrscht Goldgräberstimmung, denn es geht um viel – und es gibt viel zu holen.

Titelbild: Silabob - copyright

 

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