Das Verbot des Verbrennungsmotors für 2040, ein sehr schlechtes Gesetz (Teil 2).

Teil Zwei: Kann der technologische Fortschritt bis 2040 die Blockade überwinden?

„Inkrementelle“ Verbesserungen oder bahnbrechende Innovationen?

Die Frage, die sich stellt, ist: „Kann die Batterietechnologie weiterentwickelt werden, um ihre derzeitigen Mängel zu beheben, und wenn ja, bis zu der vom Gesetzgeber festgelegten Frist von 2040?“

Die Antwort ist „wahrscheinlich nicht“. Das bedeutet nicht, dass es unmöglich ist, aber es scheint unwahrscheinlich für 2040. Dies wird nur möglich sein, wenn es zu einem „technologischen Durchbruch“ kommt. Aber technologische Durchbrüche sind naturgemäß unvorhersehbar.

Die Erfindung des Verbrennungsmotors Ende des 19. Jahrhunderts stellte eindeutig einen technologischen Durchbruch dar. Aber es wäre schwierig gewesen, dies vor 1870 vorherzusagen, als sich die Politiker noch fragten, wie sie das exponentiell wachsende Volumen an Pferdemist in ihren Städten bewältigen sollten. Und seine Verabschiedung erfolgte nicht von heute auf morgen: Der Fortschritt der Erfindung (1876 von Otto patentiert) und ihre Anwendung, zuerst in Landmaschinen, dann in Autos, sollte über 15 Jahre dauern. Aber die langfristigen Folgen dieser Erfindung waren unkalkulierbar und führten zu einer Form der gesellschaftlichen Entwicklung, die kein Politiker vorhersagen konnte.

All dies führt uns zu dem Schluss, dass wir uns vorstellen können, wenn auch nicht mit sehr hoher Präzision, wie die Welt durch die „schrittweise“ Verbesserung bestehender Technologien aussehen wird, dass es aber unmöglich ist, einen technologischen Durchbruch vorherzusagen und eine Politik auf der Erwartung eines solchen Durchbruchs aufzubauen.

Wie schnell könnten wir Verbesserungen bei den Li-Ionen-Akkus feststellen?

Entgegen der landläufigen Meinung sind Batterien keine neue Branche. Das Konzept ist 200 Jahre alt und die ersten Prototypen von Lithium-Ionen-Batterien wurden in den 1970er Jahren getestet. Weniger als ein Dutzend der Hunderte von Batterietypen, die getestet wurden, haben das industrielle Stadium erreicht, und selbst dann waren sie nicht alle kommerzielle Erfolge.

Und wenn nach all der Zeit eines sicher ist, dann ist es die Tatsache, dass es kein „Moore’sches Gesetz“ (Quelle) für Batterien gibt, so dass wir wahrscheinlich nicht in der Lage sein werden, eine Leistungssteigerung bei der Geschwindigkeit zu erwarten, die Mikroprozessoren nur durch eine schrittweise Weiterentwicklung der Technologie entwickelt haben.

Vor der Einführung von Li/Ionen-Akkus wurde die Verbesserung der Energiedichte von Batterien älterer Generationen auf 3% pro Jahr begrenzt.

Seitdem Li-Ion 1990 das industrielle Stadium erreicht hat, liegt der durchschnittliche Kapazitätszuwachs bei rund 5% pro Jahr, ein Anstieg um das 3,5-fache in 25 Jahren, mit einer Verlangsamung der Verbesserung seit 2010 (siehe Grafik unten, Quelle).

5% pro Jahr entspricht einer Verdoppelung der Kapazität alle 14 Jahre. Das ist gut, aber selbst wenn wir mit der gleichen Geschwindigkeit weitermachen können, würde dies zu Batterien von etwa 1,6 MJ/kg im Jahr 2040 führen. Das ist immer noch 28 mal weniger dicht als ein fossiler Brennstoff. Solche Fortschritte wären bewundernswert, aber nicht genug, um alle Mängel der Elektrofahrzeuge zu beseitigen.

Entwicklung der Kosten für die Li-Ionen-Technologie

Es ist schwierig vorherzusagen, wie sich die Batteriekosten entwickeln werden, aber laut verschiedener Analysten, die von Bloomberg (Quelle) zusammengefasst wurden, sind die angestrebten Kosten von rund 62 US-Dollar (55 €) pro kWh bis 2030 eine realistische Prognose, etwa viermal weniger als heute. Eine Batterie von 80 kWh (doppelt so viel wie die aktuelle zoe), die eine „ausreichende“ Autonomie bietet (abgesehen von jeder Frage der Ladezeit), könnte daher etwa 4400 Euro ohne Mehrwertsteuer betragen, etwa die Hälfte des aktuellen Preises. Die Situation wäre daher besser als heute, aber man wäre weit davon entfernt, mit Verbrennungsmotoren wettbewerbsfähig zu sein, wenn diese ihre Fortschritte fortsetzen könnten, wie wir im Folgenden sehen werden.

Neuentwicklungen: noch lange nicht ausgereift

Technologien, die bestehende Batterien „schrittweise“ verbessern, sind in der F&E-Phase weit fortgeschritten, aber bis 2040 sind keine Wunder zu erwarten. Keine bestehende Technologie oder Technologie in der ersten Laborforschungsphase scheint realistisch in der Lage zu sein, die Vorteile fossiler Brennstoffe innerhalb von 20 Jahren zu ersetzen. Fred Schachter vom Lawrence Berkeley Labor erklärt (Link), dass der Optimismus, der zu Beginn des Jahrhunderts in der Branche vorherrschte, zu Beginn dieses Jahrzehnts verschwand, als sich viele Forschungsgebiete als weniger vielversprechend erwiesen, als ursprünglich erwartet.

Die Gesetze der Physik und Chemie begrenzen die theoretische Energiedichte von Li-Ionen-Batterien auf etwa 2 MJ/kg oder das Vierfache der aktuellen Energiedichte. Aber wir sind noch weit davon entfernt, wie wir die tatsächliche Dichte dieser Batterien weiter auf ihr theoretisches Maximum bringen können.

Der Ersatz von Lithium (oder anderen derzeit verwendeten Materialien wie Kobalt) durch andere Materialien wird in Betracht gezogen, aber Lithium ist bereits eines der leichtesten Elemente im Periodensystem: Die durchgeführten Tests führen oft zu schwereren Batterien. Andere Forscher haben theoretische Konzepte mit anderen Prinzipien entwickelt, wie z.B. Zink, Silizium oder sogenannte „Festelektrolyte“ auf Basis von Polymergelen oder Superkondensatoren. Auch hier könnte die theoretische Dichte bei etwa 5 MJ/kg liegen, aber in der Praxis werden die ersten Versionen, wenn sie jemals produziert werden, bei etwa 1MJ/kg liegen, was etwa dem Doppelten des aktuellen Li/ions entspricht.

Und bis heute weiß niemand, wie man für eine dieser „Supertechnologien“ vom theoretischen zum physikalischen Modell, geschweige denn zum industriellen Modell, übergeht.

Auf der Suche nach der idealen Batterie

Aber was wären eigentlich die Spezifikationen einer idealen Batterie? Die Energiedichte, die für die Kompaktheit und Leichtigkeit der Batterie entscheidend ist, ist nicht das einzige wichtige Kriterium.

– Sie sollte auch in der Lage sein, sich schnell aufzuladen, ohne an Leistung zu verlieren, überlastfähig sein und ihre Energie langsam oder schnell freisetzen können.

– Sie muss nach jedem Ladezyklus eine nahezu konstante Leistung erbringen, sowohl bei extremer Kälte als auch bei extremer Hitze betrieben werden, leicht zu kühlen sein, sich nicht entzünden, nicht explodieren, nicht herunterlaufen, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist.

– Sie sollte das Ausmaß an Vibrationen oder Stößen tolerieren, die in einem Auto auftreten, und im Falle eines Unfalls keine toxische Verschmutzung verursachen.

– Der Herstellungsprozess sollte „ökologisch nachhaltig“ sein, während des gesamten Herstellungs- und Recyclingzyklus wenig Energie verbrauchen und wartungsfrei sein…..

– Und all dies sollte zu vernünftigen Produktionskosten möglich sein, ohne extrem seltene oder sehr schwer zu verarbeitende Materialien zu verwenden.

Nun, bis heute erfüllt keine Batterietechnologie, weder aktuell noch im Labor, all diese Eigenschaften.

Eine Batterie kann tatsächlich einige der oben genannten Eigenschaften aufweisen, aber nicht alle. Wenn Sie beispielsweise (siehe Diagramm unten) eine Batterie entwickeln, die „viel“ Energie speichern kann, besteht die Möglichkeit, dass sie diese nicht schnell freisetzen kann.

Und je näher ein Batteriekonzept einem betrieblich nutzbaren Kompromiss kommt, desto teurer ist es oder erhält eine Disqualifikationswertung für einen einzelnen Schlüsselpunkt (z.B.: industrielle Machbarkeit, Ökologie der Herstellungsverfahren oder Brandsicherheit). Wir sind daher noch weit davon entfernt, uns vorzustellen, welche Serie von kommerziell nutzbaren Batterien die Nachfolge der aktuellen Lithium/Ionen-Generation antreten wird.

Der Medientraum von der „Wunderbatterie“

Denken wir daran, dass zwischen ihrem ersten Labortest (um 1975, in England) und ihrer ersten Markteinführung (1990 durch Sony) Lithium-Ionen-Batterien 15 Jahre Forschung und Entwicklung in verschiedenen Phasen erforderten. In der Hoffnung, dass bis 2040 eine „Wunder“-Technologie produziert werden könnte, müsste sie sehr bald im Labor erscheinen. Da es mehrere Jahre dauern kann, bis diese Fortschritte entwickelt sind und in den Medien erscheinen, ist es unmöglich zu sagen, dass keine solche Entdeckung stattfindet. Aber im Moment deutet nichts anderes darauf hin!

Das Internet bringt uns regelmäßig die Nachricht, dass „Forscher ein Wundermaterial gefunden haben, um revolutionäre Batterien herzustellen“. Aber wie Professor Jud Virden, Direktor eines führenden Batterielabors, in einer Erklärung vor dem US-Kongress im Mai 2015 sagte (Link),

„Sie sehen alle möglichen Pressemitteilungen über ein neues Anodenmaterial, das fünfmal besser ist als alles andere das es gibt [….] und das ist es wahrscheinlich, aber [….] wenn man das mit einem Elektrolyten und einer Kathode reinlegt, und es zusammenfügt und dann versucht, es zu skalieren, funktionieren alle möglichen Dinge nicht. Materialien beginnen zu zerfallen, die Chemie ist nicht sehr bekannt, es gibt Nebenreaktionen, und normalerweise führt das zu Leistungsverlust, Verlust von Sicherheit. Und wir als Grundlagenforscher verstehen diese grundlegenden Mechanismen nicht.

…. Und wir unterschätzen wirklich die Herausforderung der Skalierung …. Oft funktioniert ein Laborversuch hervorragend, und wenn man ihn zu Tausenden vergrößern will, dann funktioniert er nicht mehr.“

Kurz gesagt, hüten Sie sich vor den Auswirkungen des Medienrummels über Laborfunde! Vom Labor bis zur industriellen Anwendung ist die Straße voller Fallstricke.

Mehr Geld für den Batterie-Sektor auszugeben, wird kein Wunder bewirken

Derzeit investieren die Batteriezellen-Giganten Samsung, Panasonic und LG vor allem in die schrittweise Verbesserung ihrer bestehenden Li-Ionen-Batterien und nicht in neue Forschungsansätze. Selbst Tesla, der Zellen der oben genannten 3 zusammenbaut, aber selbst keine Zelle entwickelt hat, verfolgt diesen konservativen Ansatz. Warum?  Weil sich kein „gewinnender Sektor“ herausgebildet hat, der verspricht, über die Li/Ionen-Ära hinauszugehen, und die Wette auf 15 Jahre Forschung und Entwicklung ohne Erfolgsgarantie erscheint ihnen weniger vielversprechend als die Verbesserung des Bestehenden….. Zumal die bestehende stark subventioniert ist!

Eine Studie aus dem Jahr 2016 mit mehr als 4 Milliarden Investitionen in nordamerikanische Start-ups in diesem Sektor (Quelle) ergab, dass sie im Durchschnitt 40 Millionen in 8 Jahren erhalten haben, während Tesla bereit ist, 5 Milliarden in seiner „konventionellen“ Batterie-Gigafabrik auf den Tisch zu legen. Diese Summen reichen natürlich nicht aus, um von der Stufe „vielversprechendes Anodenmaterial“ zur Stufe „Prototyp-Batteriekandidat für die industrielle Anwendung“ überzugehen. Und offensichtlich ist es bisher keiner dieser alternativen Ansätze gelungen, einen großen Industriekonzern davon zu überzeugen, sie zu unterstützen.

Falsche gute Ideen: Laden durch Austausch des Akkupacks

Für den EF-Nutzer wären Mängel in der Autonomie kein großes Problem, wenn das Aufladen schnell erfolgen könnte, daher die von einigen Herstellern kurz erwägte Idee, an Tankstellen vorgeladene Akkus zu haben, die bei Bedarf gewechselt und vom Lieferanten „in ihrer eigenen Zeit“ wieder aufgeladen werden könnten.

Leider stößt diese auf dem Papier attraktive Idee schnell auf komplexe praktische und logistische Überlegungen und damit auf unerschwingliche Kosten.

Erstens müssten die Batteriepakete relativ standardisiert sein, ebenso wie ihre Position am Fahrzeug (oder an einem Anhänger), so dass die Tankstelle nicht zu viele Anschlüsse auf Lager haben müsste. Schließlich müssten sie von großen Lagerbeständen profitieren. Andererseits setzt die Wirtschaftlichkeit dieser Tankstellen voraus, dass sie ihren Batteriebestand sehr schnell umsetzen können.

Das bedeutet, dass es notwendig ist, zu jeder Tageszeit mit sehr hoher Geschwindigkeit aufladen zu können, auch zu Zeiten, in denen Strom am teuersten ist.

Aber schnelles und häufiges Laden von Batterien bedeutet auch eine schnellere Verschlechterung ihrer Leistung. Außerdem würde der Autofahrer nicht wissen, ob er ein neues Paket mit voller Tragfähigkeit oder ein gebrauchtes Paket erhält, das ihm weniger echte Autonomie gibt. Und schließlich wäre das System an ausgelasteten Urlaubszeiten sicherlich entweder überlastet oder unterversorgt. Kurz gesagt, es gibt noch viele Ungewissheiten über die tatsächliche Machbarkeit dieses Modells, sowohl technisch als auch wirtschaftlich.

Im Jahr 2012 erklärte D. Hillebrand, Direktor der Energieabteilung eines großen US-Nationallabors, (Quelle), dass Batterien aus heutiger Sicht 20 Mal zu teuer seien, als dass ein Batterietauschgeschäft rentabel sei. Seitdem wurde der Preis für Batterien auf etwa ein Drittel gesenkt, und bis 2030 wird eine weitere Senkung auf ein Viertel erwartet. Sie wären damit in zehn Jahren noch fast doppelt so teuer wie nötig, um profitable Geschäftsmodelle ohne Subventionen zu ermöglichen. Die Aussage von Herrn Hillebrand wurde 2013 durch den massiven Misserfolg dieses von Renault auf dem israelischen Markt getesteten Modells bestätigt.

Wasserstoff: Das ist nicht das Wunder, nach dem Sie suchen

Wie sieht es mit Wasserstoff aus? In der Theorie ist seine Energiedichte nach Gewicht dreimal so hoch wie die von Heizöl (Quelle). Ist das also die ideale Kraftstoffquelle? Nein! Wenn die Dichte im Verhältnis zum Gewicht gut ist, ist die Volumendichte verheerend, denn Wasserstoff ist ein Gas!

Selbst bei einer Verdichtung auf 700 bar ist die „Volumen“-Energiedichte von Wasserstoff sechsmal geringer als die von Heizöl. Und die Wasserstofferzeugung ist selbst recht energieintensiv. Und die Liste der Eigenschaften von Wasserstoffantrieben erfüllt noch lange nicht alle Kriterien der oben beschriebenen Spezifikationen für „ideale“ Batterien, beginnend mit den derzeit noch zu hohen Kosten. Das Potenzial von Wasserstoff sollte nicht minimiert werden, aber es als den dominanten Ansatz im Jahr 2040 zu sehen, ist verfrüht.

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