Energiespeicher der Zukunft: Vortrag von Professor Dr. Maximilian Fichtner

Wie soll der Ersatz fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energien gelingen? Die Elektrifizierung der Wirtschaft benötigt mehr Energiespeicher, welche die natürlichen Schwankungen von Windkraft und Solarenergie ausgleichen. Mit modernen Speichertechnologien im großen Stil kann eine flächendeckende und permanente Versorgung mit klimaneutralen Energien sichergestellt werden.

Die steigende Nachfrage nach Lithium-Batterien führt zu Problemen bei der Beschaffung von Rohstoffen und Komponenten. Alternative Zellkonzepte müssen entwickelt werden. Eine nachhaltige und kosteneffiziente Versorgung mit Hochleistungsbatterien muss gewährleistet werden, die auf Rohstoffen basieren, die besser verfügbar und sicher sind.

Diese «Post-Lithium-Batterien» basieren z.B. auf Natrium, Calcium, Kalium, Magnesium oder Zink. Professor Dr. Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm gibt in seinem Vortrag im Rahmen der Reihe "Wissenschaft für jedermann" einen Überblick über bereits vorhandene Speichersysteme und innovative Ansätze für die Energiespeicher der Zukunft. In Zusammenarbeit mit der Katholischen Akademie in Bayern.

Fossile Energieträger.

Verbrauch fossiler Energieträger auf historischer Zeitskala.

Das Zeitalter der fossilen Energie begann etwa um 1820 mit der industriellen Revolution, als fossile Brennstoffe wie Kohle und später Erdöl und Erdgas zunehmend genutzt wurden. Dieses Zeitalter dauert bis heute an, obwohl es Bestrebungen gibt, den Einsatz fossiler Energieträger zu reduzieren und auf erneuerbare Energien umzusteigen. Doch - wann endet das Zeitalter der fossilen Energie? Das Ende des Zeitalters der fossilen Energie ist schwer genau vorherzusagen, aber es gibt einige wichtige Entwicklungen, die den Prozess beschleunigen könnten.

Zum einen gibt es internationale Vereinbarungen. Auf der 28. Weltklimakonferenz in Dubai im Jahr 2023 hat sich die Weltgemeinschaft erstmals darauf geeinigt, schrittweise aus der Nutzung von Öl, Kohle und Gas auszusteigen. Es wurden Ziele für 2050 festgelegt. Viele Länder haben sich verpflichtet, bis 2050 den Nettoausstoß an Kohlendioxidemissionen auf null zu reduzieren. Dies bedeutet, dass fossile Brennstoffe bis dahin weitgehend durch erneuerbare Energien ersetzt werden sollen.

Technologische Fortschritte beim Ausbau erneuerbarer Energien und die Verbesserung der Energieeffizienz sind zentrale Maßnahmen, um den Übergang zu einer nachhaltigen Energiezukunft zu beschleunigen. Obwohl das genaue Ende des fossilen Zeitalters noch nicht feststeht, zeigen diese Entwicklungen, dass der Übergang zu erneuerbaren Energien bereits begonnen hat und in den kommenden Jahrzehnten weiter voranschreiten wird.

Eine zentrale Frage ist: Wann geht das Erdöl aus? Die Frage, wann das Erdöl ausgeht, ist komplex und hängt von mehreren Faktoren ab. Laut der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe gibt es weltweit gesicherte Erdölreserven von etwa 244 Milliarden Tonnen. Bei heutigem – oder in Zukunft geringerem Verbrauch könnten diese Reserven für mehr als 50 Jahre ausreichen. Technologische Fortschritt in der Fördertechnologie und die Entdeckung neuer Vorkommen können die Reichweite der Erdölreserven verlängern. Aktuell gibt es jedoch eine steigende Verteuerung bei der Gewinnung und Produktion.

Der weltweite Energiebedarf steigt, insbesondere in Schwellenländern. Dies könnte die Reserven schneller erschöpfen, wenn keine alternativen Energiequellen genutzt werden. Der Übergang zu erneuerbaren Energien könnte den Verbrauch von Erdöl reduzieren und somit die Reichweite der vorhandenen Reserven verlängern. Es ist also schwer, ein genaues Datum zu nennen, aber die aktuellen Schätzungen gehen davon aus, dass Erdöl bei heutigem Verbrauch noch für mehrere Jahrzehnte verfügbar sein wird. Doch in Anbetracht der gigantischen Verbrauchsmengen sind auch vier Jahrzehnte viel zu kurz, um lange zuzuwarten.

Was passiert, wenn wir den CO2 Ausstoss nicht senken oder reduzieren?

Wenn wir den CO2-Ausstoß nicht senken oder reduzieren, könnten wir mit mehreren schwerwiegenden Folgen konfrontiert werden:

Klimawandel.

Der Anstieg der globalen Temperaturen führt zu häufigeren und intensiveren Hitzewellen, Dürren und extremen Wetterereignissen. Dies kann die menschliche Gesundheit, die Landwirtschaft und die Ökosysteme erheblich beeinträchtigen.

Schmelzendes Eis und steigender Meeresspiegel.

Gletscher und Eiskappen schmelzen schneller, was zu einem Anstieg des Meeresspiegels führt. Dies bedroht Küstenregionen und Inselstaaten und kann zu Überschwemmungen und Verlust von Lebensraum führen

Ozeanversauerung.

Die Ozeane absorbieren einen Großteil des überschüssigen CO2, was zu einer Versauerung des Meerwassers führt. Dies beeinträchtigt marine Ökosysteme und gefährdet Arten wie Korallen und Schalentiere.

Veränderte Niederschlagsmuster.

Der Klimawandel beeinflusst regionale Wettermuster, was zu stärkeren Niederschlägen und Überschwemmungen in einigen Gebieten und anhaltenden Dürren in anderen führt. Diese Veränderungen wirken sich auf die Wasserressourcen und die Landwirtschaft aus.

Verlust der Artenvielfalt.

Viele Pflanzen- und Tierarten können sich nicht schnell genug an die veränderten Umweltbedingungen anpassen, was zu einem Rückgang der Artenvielfalt führt. 

CO2-Ausstoß reduzieren.

Diese Auswirkungen zeigen, wie wichtig es ist, den CO2-Ausstoß zu reduzieren und Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels zu ergreifen.

Kernkraft.

Zeithorizonte und Chancen der Kernkraft.

Welches sind die größten Herausforderungen für die Kernenergie?

Die Kernenergie steht vor mehreren großen Herausforderungen wie Sicherheitsbedenken, radioaktiver Abfall, sehr hohe Kosten, begrenzte Brennstoffversorgung sowie Risiken der Verbreitung von Atomwaffen. Zudem hat Kernenergie europaweit und auch weltweit am gesamten Strommix einen eher geringen Anteil (unter 10%, je nach Land sogar nur 3-5%). 

Nukleare Unfälle wie Tschernobyl und Fukushima haben gezeigt, dass die Risiken erheblich sind. Die Sicherheit der Anlagen muss ständig überwacht und verbessert werden. Die Entsorgung von radioaktivem Abfall bleibt eine der größten Herausforderungen und sie ist noch heute überhaupt nicht gelöst. Langfristige Lagerlösungen sind teuer und technisch sehr anspruchsvoll. Der Bau und Betrieb von neuen Kernkraftwerken ist extrem teuer. Die Anfangsinvestitionen und die langen Bauzeiten machen Kernenergie zu einer kostspieligen und vor allem langfristigen Option. Obwohl Uran derzeit ausreichend verfügbar ist, gibt es Bedenken hinsichtlich der langfristigen Verfügbarkeit und vor allem der Abhängigkeit von wenigen Lieferländern. Die Technologie zur Kernenergie kann auch für militärische Zwecke genutzt werden, was die Gefahr der Verbreitung von Atomwaffen erhöht. 

Renaissance Kernkraft.

Wie viele Kernkraftwerke gibt es in Europa?

In Europa sind derzeit 167 Reaktorblöcke in 17 Ländern in Betrieb. Zusätzlich befinden sich 15 Reaktorblöcke in sieben Ländern im Bau, abhängig von der Strategie des jeweiligen Landes und deren Anteil an Atomstrom im gesamten Strommix.

Welche europäischen Länder haben den höchsten Anteil an Atomstrom? Die europäischen Länder mit dem höchsten Anteil an Atomstrom sind:
- Frankreich: Rund 65 % des Stroms wird aus Atomkraft erzeugt
- Slowakei: Etwa 53 % des Stroms stammt aus Kernenergie
- Ungarn: Ungefähr 48 % des Stroms wird durch Atomkraft erzeugt
- Finnland: Rund 34 % des Stroms kommt aus Kernkraftwerken
- Belgien: Etwa 32 % des Stroms wird aus Atomkraft gewonnen

Im Vergleich Dazu haben andere europäischen Länder einen eher unbedeutenden Anteil an Atomstrom. Deshalb ist es klar, dass Länder mit einem hohen Anteil stark auf Kernenergie setzen, um ihren Energiebedarf zu decken. Der Anteil der Kernkraft an der weltweiten Stromproduktion liegt derzeit im Durchschnitt bei etwa 9,2 %. Dieser Anteil hat sich in den letzten Jahren leicht verringert, da viele Länder verstärkt auf erneuerbare Energien setzen. Der Anteil der Kernkraft an der Stromerzeugung in der Europäischen Union liegt bei etwa 25 %. Frankreich ist mit Abstand der größte Erzeuger von Atomstrom in der EU.

Weiter auf Kernkraft setzen – ist das sinnvoll?

Wieviele neue Kernkraftwerke müssten in Europa gebaut werden, um den Anteil der Kernkraft in den nächsten 30 Jahren zu halten? Diese Frage ist nicht ganz einfach zu beantworten. Denn um den aktuellen Anteil der Kernkraft am Strommix in Europa in den nächsten 30 Jahren zu halten, müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden:

Alternde Reaktoren.

Viele der bestehenden Kernkraftwerke in Europa nähern sich dem Ende ihrer Lebensdauer. Die meisten Reaktoren sind auf eine Betriebsdauer von etwa 40 bis 60 Jahren ausgelegt.

Strombedarf.

Der Strombedarf in Europa wird voraussichtlich weiter steigen. Prognosen gehen davon aus, dass der Stromverbrauch bis 2050 um etwa 30 % zunehmen wird.

Ersatz und Neubau.

Um den aktuellen Anteil der Kernkraft zu halten, müssten nicht nur die alternden Reaktoren ersetzt, sondern auch zusätzliche Kapazitäten geschaffen werden, um den steigenden Strombedarf zu decken.

Schätzungen zufolge könnten bis zu 110, aber mindestens 60 bis 70 neue Kernkraftwerke erforderlich sein, um den aktuellen Anteil der Kernkraft am europäischen Strommix zu halten und den steigenden Bedarf zu decken. Und wieviele neuen Kernkraftwerke müssten weltweit gebaut werden, um den Anteil der Kernkraft in den nächsten 30 Jahren zu halten? Schätzungen zufolge könnten etwa 200 bis 300 neue Kernkraftwerke erforderlich sein, um den aktuellen Anteil der Kernkraft am globalen Strommix zu halten und den steigenden Bedarf zu decken.

Weshalb sind neue Kernkraftwerke viel teuerer als früher?

Die höheren Kosten neuer Kernkraftwerke im Vergleich zu früheren Projekten lassen sich auf mehrere Faktoren zurückführen. Zum einen auf verschärfte Sicherheitsanforderungen. Nach Unfällen wie Tschernobyl und Fukushima wurden die Sicherheitsstandards für Kernkraftwerke weltweit erheblich verschärft. Diese strengeren Vorschriften erfordern teurere Materialien und komplexere Sicherheitsvorkehrungen und verteuern damit den Neubau. Auch bedingt durch sehr hohe Sicherheitsstandards erhöht sich Komplexität und lange Bauzeiten sind die Folge. Der Bau moderner Kernkraftwerke ist äußerst komplex und dauert oft mehr als zehn Jahre. Verzögerungen und Planungsänderungen tragen ebenfalls zu den steigenden Kosten bei.

Die hohen Anforderungen an spezielle Komponenten und Materialien, die für den Bau von Kernkraftwerken benötigt werden, erhöhen die ohnehin schon sehr intensiven Materialkosten. Dies umfasst unter anderem hochfeste Stähle und spezielle Betonmischungen. Die Finanzierung großer Infrastrukturprojekte wie Kernkraftwerke ist kostspielig. Hohe Zinsen und lange Amortisationszeiten erhöhen die Gesamtkosten bei der Finanzierung. Auch Rückbau- und Entsorgungskosten müssen einkalkuliert werden. Die Kosten für den Rückbau alter Kernkraftwerke und die sichere Entsorgung des Atommülls sind erheblich und müssen bei neuen Projekten berücksichtigt werden. Diese Faktoren zusammen machen den Bau neuer Kernkraftwerke heute deutlich teurer als in der Vergangenheit.

Welches ist das teuerste neue Kernkraftwerk in England?

Das teuerste neue Kernkraftwerk in England ist Hinkley Point C. Die Baukosten für dieses Projekt sind erheblich gestiegen und werden nun auf etwa 46 Milliarden Pfund (ca. 53 Milliarden Euro) geschätzt. Ursprünglich waren die Kosten auf etwa 21 Milliarden Euro veranschlagt worden.

Welches ist das teuerste neue Kernkraftwerk in Frankreich?

Das teuerste neue Kernkraftwerk in Frankreich ist Flamanville 3. Die Baukosten für dieses Projekt sind erheblich gestiegen und werden nun auf etwa 13,2 Milliarden Euro geschätzt. Ursprünglich waren die Kosten auf etwa 3,3 Milliarden Euro veranschlagt worden.

Wer bezahlt die sehr teuren neuen Kernkraftwerke und wie werden diese amortisiert?

Die Finanzierung neuer Kernkraftwerke ist komplex und erfordert oft eine Kombination aus öffentlichen und privaten Mitteln. Viele Regierungen unterstützen den Bau neuer Kernkraftwerke durch direkte Investitionen, Subventionen oder staatlich garantierte Kredite. Dies geschieht oft, um die Energiesicherheit zu erhöhen und Klimaziele zu erreichen. Auch Private Unternehmen und Investoren beteiligen sich an der Finanzierung. Dies kann durch Eigenkapitalinvestitionen oder durch die Ausgabe von Anleihen geschehen. Multilaterale Entwicklungsbanken, das heisst Institutionen wie zum Beispiel die Weltbank und die Europäische Investitionsbank können Kredite und finanzielle Unterstützung für den Bau neuer Kernkraftwerke bereitstellen.

Stromabnahme-Verträge garantieren den Betreibern von Kernkraftwerken feste Einnahmen über einen bestimmten Zeitraum, was die Finanzierung und Amortisation erleichtert. Einige Projekte nutzen regulierte Einnahmenmodelle, bei dem die Kosten für den Bau und Betrieb der Kraftwerke durch regulierte Einnahmen gedeckt werden.

Die Amortisation neuer Kernkraftwerke erfolgt über einen langen Zeitraum, oft mehrere Jahrzehnte. Die Einnahmen aus dem Verkauf von Strom und gegebenenfalls aus staatlichen Subventionen und garantierten Preisen tragen zur Rückzahlung der Investitionen bei.

Letztlich zahlt der Steuerzahler Subventionen auf 40-60 Jahre hinaus für viel zu teurem Strom.

Wie lange halten unsere Uranreserven?

Bekannte als auch vermutete Uranreserven weltweit in Tonnen:

Gesicherte Reserven: 2'142’000 Tonnen
Bekannte Reserven: 4'723’000 Tonnen
Vermutete Reserven: 3'346’000 Tonnen

Gibt es bald kein Uran mehr für Atomkraftwerke?

Es gibt Bedenken hinsichtlich der langfristigen Verfügbarkeit von Uran für Atomkraftwerke. Uran ist ein weit verbreitetes Metall, das in Gesteinen auf der ganzen Welt vorkommt. Es gibt bedeutende wirtschaftlich gewinnbare Uranreserven in Ländern wie Australien, Kanada, Kasachstan und den USA. Die Nachfrage nach Uran steigt, da mehr Länder auf Kernenergie setzen, um ihre Energiebedürfnisse zu decken. Die Produktion von Uran hat jedoch in einigen Regionen abgenommen, was zu einer erhöhten Abhängigkeit von Importen führt. Fortschritte in der Technologie könnten die Effizienz der Uranverwendung verbessern und die Lebensdauer der vorhandenen Vorräte verlängern. Zudem könnten alternative Brennstoffe und Reaktortypen entwickelt werden, die weniger oder kein Uran benötigen. 

Dennoch ist der Bau von neuen Atomkraftwerken wirtschaftlich uninteressant und solange die Entsorgung nicht wirklich gelöst ist ein hohes Risiko für künftige Generationen.

Energiewende.

Wie steht es mit der Energiewende?

Anteile Atom- und Kohlestrom am gesamten Strommix.

Wie hoch ist der Anteil der Atomstroms weltweit bei der Energiewende heute und in Zukunft?

Der Anteil der Kernenergie am weltweiten Strommix liegt derzeit bei etwa 9,2 %. Dieser Anteil ist in den letzten Jahren gesunken, da viele Länder verstärkt auf erneuerbare Energien setzen. In der Zukunft wird erwartet, dass der Anteil der Kernenergie weiter abnimmt, da die Investitionen in erneuerbare Energien weiter zunehmen. Dennoch könnte die Kernenergie wieder eine Rolle spielen, insbesondere in Ländern, die ihre CO2-Emissionen reduzieren und ihre Energiesicherheit erhöhen möchten. Die Frage ist nur zu welchem Preis?

Wie hoch ist der Anteil des Kohlestroms weltweit bei der Energiewende heute und in Zukunft?

Der Anteil des Kohlestroms am weltweiten Strommix liegt derzeit bei etwa 35 %. Trotz der Bemühungen um eine Energiewende und den Ausbau erneuerbarer Energien bleibt Kohle eine bedeutende Energiequelle, insbesondere in Ländern wie China und Indien. Dennoch nimmt der Anteil weiter stark ab. In der Zukunft wird erwartet, dass der Anteil des Kohlestroms sinkt, da immer mehr Länder auf erneuerbare Energien umsteigen und strengere Klimaziele verfolgen. Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert, dass der Anteil der Kohle an der weltweiten Stromerzeugung bis 2030 auf etwa 28 % sinken könnte.

Wie hoch ist der Anteil der Kohlestrom-Importe in der EU?

Der Anteil der Kohlestrom-Importe in der EU ist in den letzten Jahren gesunken. Im Jahr 2024 fiel der Anteil der Kohleverstromung in der EU erstmals unter 10 %. Dies ist teilweise auf den verstärkten Ausbau erneuerbarer Energien und die Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zurückzuführen.

Energieimporte 2023 und Ihre Bewertung.

Wie hoch sind die Energie-Importe in der EU nach Energieart?

Die Energie-Importe in der EU verteilen sich auf verschiedene Energiearten:
63,5 % Rohöl und Mineralölerzeugnisse
24,1 % Erdgas
9,1 % Feste Brennstoffe, hauptsächlich Kohle 

Diese Zahlen zeigen, dass die EU noch stark von Energieimporten abhängig ist, insbesondere von Rohöl und Erdgas. Wie aber ist das Verhältnis der Strom-Importe und Energie-Importe aus Rohöl, Mineralölerzeugnisse und Gas in der EU? Stromimporte sind im Vergleich zu den Importen von Rohöl, Mineralölerzeugnissen und Gas relativ gering. Die EU ist bestrebt, ihre Energieabhängigkeit zu reduzieren und den Anteil erneuerbarer Energien zu erhöhen. 

Treibhausgasemissionen von verschiedenen Antrieben wie Benzin, Diesel, E-Fuels, Solar-Fuels und batteriebetriebene Fahrzeuge.

Die Reduzierung von Treibhausgasemissionen ist eine zentrale Herausforderung im Kampf gegen den Klimawandel. Unterschiedliche Antriebe haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Umwelt.

Benzin und Diesel.

Konventionelle Verbrennungsmotoren, die Benzin oder Diesel verwenden, sind für einen großen Teil der CO₂-Emissionen im Verkehr verantwortlich. Diese Fahrzeuge emittieren während der Verbrennung CO₂, Methan und Lachgas:
- CO₂-Emissionen: Benzin: ca. 2,31 kg CO₂ pro Liter, Diesel: ca. 2,68 kg CO₂ pro Liter
- Methan und Lachgas: Weniger bedeutend, aber immer noch klimawirksam

Batteriebetriebene Fahrzeuge.

Elektrofahrzeuge haben das Potenzial, die Treibhausgasemissionen im Verkehr erheblich zu reduzieren. Während der Betriebsphase produzieren sie keine direkten Emissionen. Allerdings ist die Herstellung der Batterien energieintensiv und kann je nach Strommix der Region unterschiedliche Emissionen verursachen. Die CO₂-Emissionen von Elektrofahrzeuge sind abhängig von der Herkunft des Stroms. Bei 100% erneuerbarem Strom sind sie beinahe null, bei fossilem Strom wesentlich höher. Bei der Batterieherstellung werden etwa 61-106 kg CO₂ pro kWh Batteriekapazität ausgestossen, dies ist jedoch in letzter Zeit stark rückläufig.

E-Fuels

E-Fuels, synthetische Kraftstoffe, die aus Wasserstoff und CO₂ hergestellt werden, könnten eine klimaneutrale Alternative zu Benzin und Diesel sein. Der Herstellungsprozess ist jedoch ebenfalls energieintensiv und hängt stark von der Herkunft des verwendeten Stroms ab. So sind auch die CO₂-Emissionen abhängig von der Herkunft des Stroms. Bei 100% erneuerbarem Strom sind die CO₂-Emissionen gering, bei fossilem Strom aber zu hoch. Sowohl bei der Herstellung als auch beim der Verbrennung haben E-Fuels eine sehr niedrige Effizienz und einen hohen Energiebedarf.

Mehr Informationen zu E-Fuels.

Solar-Fuels

Solar-Fuels sind eine weitere Möglichkeit, um klimaneutrale Kraftstoffe zu erzeugen. Diese werden durch die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie hergestellt. Auch hier ist die Effizienz des Herstellungsprozesses entscheidend für die Gesamtemissionen.

CO₂-Emissionen:
- Bei Nutzung von Solarenergie: nahe null
- Herstellungsprozess: wesentlich effizienter als E-Fuels, aber noch in Entwicklung

Mehr Informationen zu Solar-Fuels.

Vergleich der Emissionen.

Ein umfassender Vergleich der Treibhausgasemissionen aller Antriebe zeigt, dass Elektrofahrzeuge aktuell die beste Wahl für die Reduzierung von CO₂-Emissionen sind, insbesondere wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt. E-Fuels und Solar-Fuels bieten ebenfalls vielversprechende Alternativen, erfordern jedoch weiterentwickelte Technologien und eine saubere Energieversorgung. Während Benzin- und Dieselfahrzeuge weiterhin hohe CO₂-Emissionen verursachen, bieten Elektrofahrzeuge sowie E-Fuels und Solar-Fuels nachhaltigere Alternativen. Die Wahl des Antriebs sollte dabei immer unter Berücksichtigung der Energiequelle und der gesamten Wertschöpfungskette erfolgen.

E-Fuels - was ist geplant bis 2035?

Der der Klimawandel und die Suche nach nachhaltigen Energiequellen wird zunehmend drängender. Deshalb rücken alternative Kraftstoffe wie Solar-Fuels und E-Fuels in den Fokus.

Weshalb sind E-Fuels ineffizient?

E-Fuels, oder synthetische Kraftstoffe, die durch die Umwandlung von Strom in chemische Energie hergestellt werden, sind aus mehreren Gründen ineffizient. E-Fuels haben hohe Energieverluste. Der Prozess der Herstellung von E-Fuels ist sehr energieintensiv. Viel Energie geht bei der Umwandlung von Strom in synthetische Kraftstoffe verloren.

E-Fuels haben auch einen geringen Wirkungsgrad: Im Vergleich zu Elektrofahrzeugen, die Strom direkt nutzen, haben Fahrzeuge, die mit E-Fuels betrieben werden, einen geringeren Wirkungsgrad. Das bedeutet, dass mehr Energie benötigt wird, um das Fahrzeug zu betreiben. Die Produktion von E-Fuels verursacht hohe Kosten und ist im Vergleich sehr teuer, was sie weniger wettbewerbsfähig als andere Alternativen macht. Obwohl E-Fuels (fast) klimaneutral sein können, verursachen sie dennoch Umweltbelastungen durch den Herstellungsprozess.

Aus heutiger Sicht – und in den nächsten Jahren – ist es effizienter, den Fokus auf Elektrofahrzeuge und den öffentlichen Nahverkehr zu legen. Elektrofahrzeuge haben einen höheren Wirkungsgrad und verursachen weniger CO2-Emissionen über ihren gesamten Lebenszyklus.

Was ist der Unterschied zwischen E-Fuels und Solar-Fuels und weshalb sind Solar-Fuels effizienter?

E-Fuels, auch als synthetische Kraftstoffe bekannt, werden die durch die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie hergestellt. Der Prozess beginnt in der Regel mit der Elektrolyse von Wasser, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Der gewonnene Wasserstoff kann dann mit CO2 aus der Luft oder anderen Quellen kombiniert werden, um verschiedene Kohlenwasserstoffe zu erzeugen, die als Kraftstoffe verwendet werden können. Diese Kraftstoffe können in bestehenden Verbrennungsmotoren eingesetzt werden und bieten somit eine Möglichkeit, die bestehende Infrastruktur für fossile Brennstoffe zu nutzen.

Solar-Fuels hingegen sind Kraftstoffe, die direkt aus Sonnenenergie gewonnen werden. Der Prozess der Herstellung von Solar-Fuels nutzt die Sonnenstrahlung, um chemische Reaktionen zu initiieren, die zur Erzeugung von Wasserstoff oder anderen energiedichten Molekülen führen. Eine gängige Methode zur Herstellung von Solar-Fuels ist die sogenannte Solarthermische Spaltung von Wasser, bei der konzentrierte Sonnenenergie verwendet wird, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Solar-Fuels können auch durch die direkte Umwandlung von CO2 und Wasser unter Verwendung von Sonnenlicht und Katalysatoren hergestellt werden.

Schweizer Solar-Fuels Unternehmen "Synhelion".

Die Unterschiede zwischen E-Fuels und Solar-Fuels im Detail

Energiequelle.

Die Energiequelle für E-Fuels ist elektrische Energie, die aus erneuerbaren Quellen wie Wind, Wasser oder Sonne stammen kann. Der Fokus liegt auf der Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie. Solar-Fuels nutzen direkt die Sonnenstrahlung als Energiequelle, um chemische Reaktionen zu ermöglichen.

Herstellungsprozess.

Die Herstellung von E-Fuels erfordert mehrere Schritte, darunter die Elektrolyse zur Gewinnung von Wasserstoff und die anschließende Synthese mit CO2. Solar-Fuels können durch direkte chemische Prozesse, die Sonnenlicht nutzen, hergestellt werden, was den Prozess potenziell effizienter macht.

Anwendungsgebiete.

E-Fuels sind vielseitig einsetzbar und können in der Luftfahrt, im Verkehr und in der Industrie verwendet werden. Sie sind besonders interessant für Sektoren, die schwer zu dekarbonisieren sind.

Solar-Fuels.

Solar-Fuels haben ebenfalls das Potenzial, in verschiedenen Anwendungen eingesetzt zu werden, sind jedoch oft noch in der Entwicklungsphase und benötigen weitere Forschung, um ihre Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

Antriebstechnik: Verbrenner vs. elektrisch.

Funktionsweisen von Verbrennungsmotoren im Vergleich mit Elektromotoren.

Arbeitsprinzip Verbrennungsmotor.

Verbrennungsmotoren wandeln chemische Energie aus Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel in mechanische Energie um. Dies geschieht durch die kontrollierte Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylindern, was eine Explosion erzeugt. Diese Explosion treibt die Kolben an, die wiederum eine Drehbewegung erzeugen, die auf die Räder übertragen wird. Zu den wichtigsten Bauteilen gehören Zylinder, Kolben, Kurbelwelle, Ventile und Zündkerzen (bei Benzinmotoren). 

Arbeitsprinzip Elektromotor.

Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Bewegung um. Dies geschieht durch das Erzeugen eines Magnetfeldes, das den Rotor in Bewegung setzt. Elektromotoren bestehen aus weniger Bauteilen, darunter Rotor, Stator und Batterien.

Effizienz.

Verbrennungsmotor.

Der Wirkungsgrad liegt typischerweise bei etwa 20-30%, da ein Großteil der Energie als Wärme verloren geht. Verbrennungsmotoren stoßen Emissionen wie Abgase wie CO₂, NOx und Feinstaub aus, was zur Luftverschmutzung und zum Klimawandel beiträgt.

Elektromotor.

Elektromotoren haben einen sehr hohen Wirkungsgrad von etwa 85-90%, da weniger Energie als Wärme verloren geht. Elektromotoren selbst erzeugen keine schädlichen Abgase oder andere Emissionen.

Wartung und Lebensdauer.

Verbrennungsmotor.

Verbrennungsmotoren erfordern regelmäßige Wartung, einschließlich Ölwechsel, Zündkerzenwechsel und Abgasuntersuchungen. Die Lebensdauer kann durch die vielen beweglichen Teile und die Verbrennungsprozesse begrenzt sein.

Elektromotor.

Elektromotoren sind wartungsärmer, da sie weniger bewegliche Teile haben und keine Ölwechsel benötigen. Sie haben in der Regel eine längere Lebensdauer, da sie weniger Verschleißteile haben.

Kosten.

Verbrennungsmotor.

Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren sind in der Regel günstiger in der Anschaffung. Doch sie haben höhere Betriebskosten durch Kraftstoffverbrauch und regelmäßige Wartung. 

Elektromotor.

Elektrofahrzeuge sind oft teurer in der Anschaffung, aber die Preise sinken mit der Weiterentwicklung der Technologie. Sie haben niedrigere Betriebskosten durch geringeren Wartungsaufwand und niedrigere Energiekosten.

Umweltaspekte.

Verbrennungsmotor.

Höhere Umweltbelastung durch Abgase und Lärmemissionen.

Elektromotor.

Geringere Umweltbelastung, insbesondere wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt.

Anteil der Elektro-PKW am Gesamtverkauf der PKW in China.

China ist weltweit führend im Bereich der Elektromobilität. Im Jahr 2024 wurden in China insgesamt 7,3 Millionen Elektroautos verkauft, was etwa 50% des weltweiten Marktes ausmacht. Diese beeindruckende Zahl zeigt, wie stark der chinesische Markt für Elektrofahrzeuge gewachsen ist.

Marktentwicklung.

Im Jahr 2024 wurden in China etwa die Hälfte der weltweiten Neuzulassungen Elektroautos verkauft. Dies stellt einen Anstieg von 20% im Vergleich zum Vorjahr dar. Der Anteil der Elektroautos an den gesamten PKW-Neuzulassungen in China lag im ersten Halbjahr 2024 bei 25%.

Mehrere Faktoren tragen zu diesem Wachstum bei: Staatliche Förderung, Infrastruktur und Technologische Fortschritte. Die chinesische Regierung unterstützt den Kauf von Elektrofahrzeugen durch Subventionen und Steuervergünstigungen – auch für den Export. China hat ein umfangreiches Netzwerk von Ladestationen aufgebaut, das den Besitz und Betrieb von Elektrofahrzeugen erleichtert. Chinesische Hersteller wie BYD und NIO haben erhebliche Fortschritte in der Batterietechnologie und Fahrzeugleistung erzielt und sind heute an der Spitze weltweit. Mit der kontinuierlichen Unterstützung durch die Regierung und den Fortschritten in der Technologie wird erwartet, dass der Anteil der Elektro-PKW am Gesamtverkauf der PKW in China weiter steigen wird. Dies könnte auch andere Länder dazu inspirieren, ihre eigenen Anstrengungen im Bereich der Elektromobilität zu verstärken. China bleibt somit ein zentraler Akteur im globalen Übergang zu nachhaltiger Mobilität.

Anteil der Elektro-PKW am Gesamtverkauf der PKW weltweit.

Auch weltweit hat die Elektromobilität in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Im Jahr 2024 wurden weltweit etwa 14,5 Millionen Elektrofahrzeuge, einschließlich batterieelektrischer Fahrzeuge, Plug-in-Hybride und Brennstoffzellenfahrzeuge verkauft. Dies entspricht einem Anstieg von 38% im Vergleich zum Vorjahr. Doch gibt es grosse, regionale Unterschiede. China bleibt der größte Markt für Elektrofahrzeuge. Im Jahr 2024 wurden dort 7,3 Millionen Elektrofahrzeuge verkauft, was etwa 33,7% der gesamten PKW-Verkäufe in China und 50% des gesamten Weltmarktes ausmacht. Die USA sind der zweitgrößte Markt mit 1,42 Millionen verkauften Elektrofahrzeugen im Jahr 2024, was einem Marktanteil von 9,2% entspricht. In Europa lag der Anteil der Elektrofahrzeuge an den Neuzulassungen im Jahr 2024 bei etwa 14,6%.

Staatliche Anreize, technologische Fortschritte und erhöhtes Umweltbewusstsein tragen zu diesem globalen Wachstum bei. Viele Länder bieten Subventionen, Steuervergünstigungen und andere Anreize für den Kauf von Elektrofahrzeugen. Zudem machen Verbesserungen in der Batterietechnologie und der Ladeinfrastruktur die Nutzung von Elektrofahrzeugen immer attraktiver. Ein wachsendes Bewusstsein für Umwelt- und Klimaschutz fördert den Umstieg auf emissionsfreie Fahrzeuge, was sich durch saubere Städte bezahlt macht. Mit der fortschreitenden Technologie und den anhaltenden staatlichen Unterstützungsmaßnahmen wird erwartet, dass der Anteil der Elektrofahrzeuge am Gesamtverkauf der PKW weltweit weiter steigen wird. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer nachhaltigeren Zukunft.

Anteil der Elektro-PKW am Gesamtverkauf der PKW in Deutschland.

Deutschland hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte im Bereich der Elektromobilität gemacht. Im Jahr 2024 betrug der Anteil der rein batterieelektrischer Fahrzeuge an den Neuzulassungen etwa 18,4%, also leicht über dem europäischen Durchschnitt. Zusätzlich machten Plug-in-Hybride (PHEV) 6,2% der Neuzulassungen aus. Insgesamt lag der Anteil der Elektrofahrzeuge an den Neuzulassungen somit bei 24,6%. In der Bevölkerung, vor allem durch die Medien beeinflusst, wird diese Entwicklung nicht wahrgenommen. Ein Phänomen, was auch auf die Schweiz zutrifft.

Der Anteil der Elektrofahrzeuge an den Neuzulassungen ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Im Jahr 2023 lag der Anteil der rein batterieelektrischen Fahrzeuge bei 14,6%, was zeigt, dass es einen signifikanten Anstieg im Jahr 2024 gab. Deutschland hat auch in den Ausbau der Ladeinfrastruktur investiert, was den Besitz und Betrieb von Elektrofahrzeugen erleichtert. Mit der fortschreitenden Technologie wird erwartet, dass der Anteil der Elektrofahrzeuge an den Neuzulassungen in Deutschland weiter steigen wird.  

Anteil der Elektro-PKW am Gesamtverkauf der PKW in der Schweiz.

Im Jahr 2024 betrug der Anteil der Elektro-Autos (batterieelektrische Fahrzeuge, BEV) an den Neuzulassungen in der Schweiz etwa 18,9%. Dies zeigt einen deutlichen Anstieg im Vergleich zu den Vorjahren und unterstreicht das wachsende Interesse an Elektromobilität in der Schweiz. Der Anteil der Elektrofahrzeuge an den Neuzulassungen ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Im Jahr 2023 lag der Anteil der Elektro-Autos bei etwa 14,6%, was einen signifikanten Anstieg im Jahr 2024 darstellt. Die Schweiz liegt also im internationalen Vergleich gut im Rennen. Auch die Schweiz hat in den Ausbau der Ladeinfrastruktur investiert, was den Besitz und Betrieb von Elektrofahrzeugen erleichtert.

Verkauf von Verbrennern SKODA 2016 bis 2023 in China.

Die Verkaufszahlen von SKODA-Verbrennern in China haben zwischen 2016 und 2023 einige Schwankungen erlebt. 

SKODA Verbrenner-Fahrzeuge – Verkäufe in China:

2016: 330’088 Fahrzeuge, Anstieg von 18,12% im Vergleich zum Vorjahr
2017: 334’517 Fahrzeuge, was einem Wachstum von 1,34% entspricht
2018: 352’000 Fahrzeuge, was einem Anstieg von 5,23% entspricht
2019: 278’378 Einheiten, ein Rückgang von 20,92%
2020: 150’458 Fahrzeuge, was einem Rückgang von 45,95% entspricht
2021: 56’000 Einheiten, ein Rückgang von 62,78%
2022: 44’062 Fahrzeuge, was einem Rückgang von 21,32% entspricht
2023: 22’800 Einheiten, was eine erneute Halbierung im Vergleich zum Vorjahr darstellt

Mehrere Faktoren haben zu diesen Schwankungen beigetragen. Der chinesische Automarkt ist sehr wettbewerbsintensiv, mit vielen internationalen und lokalen Marken, die um Marktanteile kämpfen. Die wirtschaftlichen Bedingungen und geopolitischen Ereignisse, wie die COVID-19-Pandemie und der Ukraine-Krieg, haben die Verkaufszahlen beeinflusst. Ein zunehmendes Interesse an Elektrofahrzeugen und strengere Emissionsvorschriften haben die Nachfrage nach Verbrennern verringert. Mit der zunehmenden Verlagerung hin zu Elektrofahrzeugen und den Herausforderungen auf dem chinesischen Markt wird erwartet, dass die Verkaufszahlen von Verbrennern weiter zurückgehen. SKODA hat bereits begonnen, seine Strategie anzupassen und verstärkt auf Elektrofahrzeuge zu setzen, um den zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden.

Umsätze der Automobilindustrie in Deutschland 2009 bis 2024.

Die deutsche Automobilindustrie ist eine der bedeutendsten Industriezweige des Landes und hat in den letzten Jahren zahlreiche Herausforderungen und Veränderungen erlebt. 

Ein Überblick zeigt die Umsatzentwicklung von 2009 bis 2024:

- 2009-2010: Umsatzsteigerung im Jahr 2009 auf 200 Milliarden Euro im Jahr 2010.
- 2011-2019: Stetiges Wachstum, der Umsatz erreichte 230 Milliarden Euro
- 2020: COVID-19-Pandemie signifikanter Rückgang der Umsätze auf 160 Milliarden Euro
- 2023: Der Umsatz stieg weiter auf 280 Milliarden Euro
- 2024: Im ersten Halbjahr 2024 verzeichnete die Automobilindustrie einen leichten Rückgang von 4,7% im Vergleich zum Vorjahr, was auf wirtschaftliche Unsicherheiten und den Übergang zur Elektromobilität zurückzuführen ist.

Der Übergang zur Elektromobilität und die Investitionen in neue Technologien haben die Branche stark geprägt. Die Abhängigkeit von Exportmärkten, insbesondere China, hat die Umsätze beeinflusst. Schwankungen in diesen Märkten hatten direkte Auswirkungen auf die deutschen Hersteller. Strengere Emissionsvorschriften und Umweltauflagen haben die Branche ebenfalls beeinflusst. Die deutsche Automobilindustrie steht weiterhin vor großen Herausforderungen, aber auch Chancen. Mit der fortschreitenden Elektrifizierung und der Einführung neuer Technologien wird erwartet, dass die Branche sich an die neuen Marktbedingungen anpasst und weiterhin eine wichtige Rolle in der globalen Wirtschaft spielt.

Quellen: Statista, IW Köln, Destatis (https://www.destatis.de/DE/Presse/Pressemitteilungen/2024/10/PD24_N049_42_51.html)

Elektrische Antriebe als effizienteste Art des Antriebs.

Elektrische Antriebe haben sich als die effizienteste Art des Antriebs etabliert und spielen eine zentrale Rolle in der modernen Industrie und Mobilität. Hoher Wirkungsgrad, geringer Wartungsaufwand und Umweltfreundlichkeit sind einige der Hauptgründe, warum elektrische Antriebe so effizient sind.

Elektrische Antriebe, insbesondere Elektromotoren, haben einen sehr hohen Wirkungsgrad von etwa 85-90%. Dies bedeutet, dass ein Großteil der zugeführten elektrischen Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, während nur ein geringer Teil als Wärme verloren geht. Im Vergleich dazu haben Verbrennungsmotoren einen Wirkungsgrad von nur etwa 20-30%.

Elektromotoren bestehen aus weniger beweglichen Teilen als Verbrennungsmotoren, was zu einem geringeren Wartungsaufwand führt. Dies reduziert nicht nur die Betriebskosten, sondern erhöht auch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Antriebe.

Elektrische Antriebe erzeugen keine direkten Emissionen, was sie zu einer umweltfreundlichen Alternative macht. Wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt, können elektrische Antriebe nahezu emissionsfrei betrieben werden. Dies trägt erheblich zur Reduzierung der Luftverschmutzung und des CO₂-Ausstoßes bei.

Elektrische Antriebe bieten eine hohe Flexibilität und Präzision in der Steuerung. Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern und anderen Steuerungstechnologien können Elektromotoren in einem breiten Drehzahlbereich effizient betrieben werden. Dies ist besonders wichtig in Anwendungen, die eine genaue Regelung der Geschwindigkeit und des Drehmoments erfordern.

Die Nutzung energieeffizienter elektrischer Antriebe kann zu erheblichen Energieeinsparungen führen. Schätzungen zufolge lässt sich die Energieeffizienz elektrisch angetriebener Systeme auf wirtschaftlichem Weg um 20 bis 30% verbessern. Dies macht elektrische Antriebe zu einem wichtigen Faktor bei der Reduzierung des industriellen Stromverbrauchs und der Betriebskosten.

Elektrische Antriebe finden in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung, darunter:

- Industrie: Antriebe für Maschinen, Pumpen, Lüfter und Förderbänder
- Mobilität: Elektrofahrzeuge, Züge und Fahrräder
- Haushalt: Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen, Kühlschränke und Klimaanlagen

Mit der fortschreitenden Entwicklung der Batterietechnologie und der zunehmenden Verfügbarkeit erneuerbarer Energien wird erwartet, dass elektrische Antriebe in Zukunft noch effizienter und weiter verbreitet sein werden. Dies wird nicht nur zur Reduzierung der Betriebskosten beitragen, sondern auch einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Elektrische Antriebe sind somit nicht nur die effizienteste Art des Antriebs, sondern auch ein Schlüssel zur nachhaltigen Entwicklung in vielen Bereichen.

Elektrische Antriebe im Vergleich zu Wasserstoff-Brennstoffzellen-Motoren.

Die Diskussion über die effizienteste und nachhaltigste Antriebstechnologie ist in vollem Gange. Deshalb ist ein Vergleich zwischen elektrischen Antrieben und Wasserstoff-Brennstoffzellen-Motoren nützlich. Elektrische Antriebe haben einen sehr hohen Wirkungsgrad von etwa 85-90%. Der Wirkungsgrad von Wasserstoff-Brennstoffzellen liegt bei etwa 40-60%. Dies ist niedriger als bei reinen Elektroantrieben, da bei der Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie und anschließend in mechanische Energie Verluste auftreten.

Elektrische Antriebe erzeugen keine direkten Emissionen. Brennstoffzellenfahrzeuge erzeugen ebenfalls keine schädlichen Emissionen, da das einzige Nebenprodukt Wasser ist. Allerdings hängt die Umweltfreundlichkeit stark von der Methode der Wasserstoffproduktion ab. Wird der Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen gewonnen, können erhebliche CO₂-Emissionen entstehen.

Die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge ist in vielen Ländern bereits gut ausgebaut und wird kontinuierlich erweitert. Heimladestationen bieten zusätzlichen Komfort. Die Infrastruktur für Wasserstofftankstellen ist noch im Aufbau und in vielen Regionen weniger verbreitet. Der Aufbau eines flächendeckenden Netzes ist kostenintensiv und zeitaufwendig.

Elektrofahrzeuge sind oft teurer in der Anschaffung, aber die Preise sinken mit der Weiterentwicklung der Technologie. Elektrofahrzeuge haben niedrigere Betriebskosten durch geringeren Wartungsaufwand und niedrigere Energiekosten.

Die Anschaffungskosten bei Wasserstoff-Brennstoffzellen-Motoren, also Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb sind derzeit noch teurer als Elektrofahrzeuge. Auch die Betriebskosten können höher sein, insbesondere wenn die Wasserstoffproduktion nicht aus erneuerbaren Quellen erfolgt.

Elektrische Antriebe sind Ideal für den städtischen und regionalen Verkehr, wo kurze bis mittlere Strecken zurückgelegt werden. Wasserstoff-Brennstoffzellen-Motoren sind besonders geeignet für Langstreckenfahrten und schwere Nutzfahrzeuge, da Wasserstoff eine höhere Energiedichte als Batterien aufweist und schneller getankt werden kann.

Beide Technologien haben das Potenzial, eine wichtige Rolle in der zukünftigen Mobilität zu spielen. Elektrische Antriebe sind derzeit weiter verbreitet und profitieren von einer gut ausgebauten Infrastruktur. Wasserstoff-Brennstoffzellen bieten jedoch Vorteile in spezifischen Anwendungsbereichen und könnten in Zukunft an Bedeutung gewinnen, insbesondere wenn die Wasserstoffproduktion nachhaltiger – und vor allem preiswerter wird.

Antriebsarten im Vergleich und Energiebedarf.

Effizienzvergleich der Antriebsarten – Elektroauto, Wasserstoff-Fahrzeug, Brennstoffzellenfahrzeug und Verbrenner mit Benzin oder Diesel.

Elektroautos haben eine hohe Effizienz, da Elektromotoren rund 85-90% der Energie aus dem Strom in Bewegungsenergie umwandeln. Wenn der Strom aus erneuerbaren Energien stammt, sind Elektroautos sehr umweltfreundlich. Die Ladeinfrastruktur ist in vielen Regionen noch im Aufbau. Ausserdem ist privates Laden möglich. Die Batterien von Elektroautos können mit Hilfe von bidirektionalem Laden zusätzlich als Energiespeicher genutzt werden.

Wasserstoff-Fahrzeuge haben eine geringere Effizienz im Vergleich zu Elektroautos, da die Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie weniger effizient ist. Wenn der Wasserstoff aus erneuerbaren Energien hergestellt wird, sind Wasserstoff-Fahrzeuge ebenfalls umweltfreundlich. Wasserstofftankstellen sind derzeit noch selten. 

Ähnlich wie Wasserstoff-Fahrzeuge haben Brennstoffzellenfahrzeuge eine eher geringere Effizienz, aber mit zusätzlicher Effizienz durch die Nutzung von Brennstoffzellen. Die Umweltfreundlichkeit ist stark abhängig von der Herkunft des Wasserstoffs. Am CO2-neutralsten ist grüner Wasserstoff, der mit erneuerbarem Strom hergestellt wird. Auch hier ist die Infrastruktur noch in Entwicklung.

Verbrennungsmotoren mit den Treibstoffen Benzin oder Diesel haben eine geringere Effizienz, da nur etwa 20-30% der Energie aus dem Kraftstoff in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Verbrenner sind weniger umweltfreundlich aufgrund von CO2-Emissionen und anderen Schadstoffen. Tankstellen für Benzin und Diesel sind flächendeckend vorhanden.

Elektroautos sind die effizienteste und umweltfreundlichste Antriebsart, wenn der Strom aus erneuerbaren Energien stammt. Wasserstoff-Fahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge haben ein Potenzial für ganz bestimmte Anwendungen, aber die Infrastruktur muss noch ausgebaut werden. Verbrenner sind aufgrund ihrer geringeren Effizienz und höheren Emissionen weniger umweltfreundlich.

Treibhausgasemissionen bei Batterieproduktion und Strommix.

CO2-Fußabdruck und Treibhausgasemissionen bei Batterieproduktion und Strommix.

Der CO2-Fußabdruck von Elektrofahrzeugen ist ein wichtiges Thema, das oft kontrovers diskutiert wird. Während Elektroautos im Betrieb mit erneuerbarem Strom keine lokalen Emissionen produzieren, ist ihre Herstellung nicht ohne Umweltauswirkungen. Besonders die Produktion der Batterien ist energieintensiv und verursacht heute noch zum Teil erhebliche CO2-Emissionen.

Die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, ist ein energieintensiver Prozess. Studien zeigen, dass die Produktion einer Batterie mit einer Kapazität von 100 kWh zwischen 15 und 20 Tonnen CO2-Emissionen verursacht. Dies bedeutet, dass ein Elektroauto erst nach etwa 90’000 Kilometern Laufleistung umweltfreundlicher als ein konventionelles Dieselauto ist. Allerdings werden Herstellungsverfahren optimiert und wenn bei der Herstellung grüner Strom verwendet wird, kann die umweltfreundliche Laufleistungsbilanz gegenüber älteren Herstellungsprozessen stark verbessert werden.

Der CO2-Fußabdruck von Elektrofahrzeugen hängt auch wesentlich vom Strommix ab, aus dem sie gespeist werden. In Ländern mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien am Strommix sind Elektrofahrzeuge umweltfreundlicher. In Deutschland hat sich der spezifische Emissionsfaktor des Stroms im Jahr 2023 auf 380 g CO2 pro Kilowattstunde reduziert, dank des gestiegenen Anteils erneuerbarer Energien. Elektrofahrzeuge haben das Potenzial, eine wichtige Rolle im Klimaschutz zu spielen. Allerdings ist es entscheidend, den Strommix nachhaltig zu gestalten und die Batterieproduktion effizienter zu machen, um den CO2-Fußabdruck weiter zu reduzieren.

Kostenkurve für Batteriefahrzeuge mit 300 bis 400 km Reichweite.

Zwischen 2014 bis 2030 konnten die Kosten für Batteriefahrzeuge mit 300 bis 400 km Reichweite laufend reduziert werden.

2014-2020: Frühphase und Anfangserfolge.

Die Frühphase der Elektrofahrzeuge war geprägt von hohen Anfangskosten. In den ersten Jahren waren die Kosten für Batterien sehr hoch, was die Gesamtkosten für Elektrofahrzeuge erheblich beeinflusste. Durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung sowie technologische Fortschritte konnten die Kosten langsam gesenkt werden. Viele Länder boten Subventionen und Anreize an, um die Einführung von Elektrofahrzeugen zu fördern.

2021-2025: Massenproduktion und Skaleneffekte.

Mit der zunehmenden Produktion und dem wachsenden Marktanteil konnten die Hersteller von Batterien von Skaleneffekten profitieren. Verbesserungen in der Materialbeschaffung und -verarbeitung führten zu einer Senkung der Materialkosten und damit niedrigeren Kosten. Die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen trug ebenfalls zur Kostensenkung bei.

2026-2030: Ausbau und Optimierung.

Diese Phase ist geprägt von Fortschritten in der Batterietechnologie. Es werden laufend neue Technologien und Materialien entwickelt, um die Effizienz und Lebensdauer der Batterien zu verbessern. Die Optimierung der Produktionsprozesse und weiterentwickelte Produktionsmethoden sowie Automatisierung tragen zur ihren Teil zur Kostensenkung bei.

Erreichen der Preisparität bis 2030.

Bald werden Elektrofahrzeuge die Preisparität mit konventionellen Fahrzeugen erreichen, was ihre Marktdurchdringung weiter fördert. Vor allem der Chinesische Markt hat diesbezüglich „die Nase vorn“.

Die Kosten für Batteriefahrzeuge mit 300 bis 400 km Reichweite sind seit 2014 kontinuierlich gesunken und werden bis 2030 weiterhin sinken. Dies ist auf technologische Fortschritte, Skaleneffekte und optimierte Produktionsprozesse zurückzuführen.

Verbrauchszahlen pro km im Vergleich für batteriebetriebene Lastkraftwagen und Lastkraftwagen mit Verbrennermotor.

Verbrauchszahlen pro km im Vergleich für batteriebetriebene Lastkraftwagen und Lastkraftwagen mit Verbrennermotor.

Batteriebetriebene Lastkraftwagen (BEV).

ca. 131 kWh pro 100 km verbrauchen Schwere BEV-Lkw.
ca. 120 und 145 kWh pro 100 km zum Beispiel für einige Modelle von Designwerk

Lkw mit Verbrennermotor (Diesel).

ca. 30 Liter Diesel pro 100 km verbrauchen moderne Lkw mit Verbrennermotoren 
ca. 35 und 40 Liter Diesel pro 100 km verbrauchen Lkw mit einer Nutzlast von etwa 23’000 kg

BEV-Lkw sind in Bezug auf den Energieverbrauch effizienter als Diesel-Lkw.

BEV-Lkw haben keine lokalen Emissionen, während Diesel-Lkw CO2 und andere Schadstoffe emittieren.

Diese Zahlen zeigen, dass BEV-Lkw sowohl in Bezug auf den Energieverbrauch als auch die Umweltfreundlichkeit überlegen sind. Allerdings ist die Infrastruktur für BEV-Lkw noch im Aufbau.

Weltweite Zulassungszahlen für batteriebetriebene BEV Lastkraftwagen 2019 bis 2024

Jahr      Zulassungen (Einheiten)
2019    10.000
2020    25.000
2021    50.000
2022    100.000
2023    200.000
2024    300.000

Diese Zahlen zeigen das rasante Wachstum der Zulassungen von BEV Lastkraftwagen in den letzten Jahren. Die steigende Nachfrage nach umweltfreundlicheren Transportlösungen und die zunehmende Verfügbarkeit von BEV-Lkw tragen zu diesem Trend bei.

Lebensdauer und Haltbarkeit von neuen Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) für Busse und e-Lkw (BEV).

Lithium-Eisenphosphat-Batterien haben gute Zukunftsperspektiven, es gibt weltweit viele Entwicklungen und Innovationen in der Lithium-Eisenphosphat-Batterien-Technologie und ein grosses Potenzial für weitere Verbesserungen der Lebensdauer und Haltbarkeit.

Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) haben sich dabei als vielversprechende Option für den Einsatz in Bussen und Elektrolastwagen (e-Lkw) erwiesen. 

Lithium-Eisenphosphat-Batterien bieten mehrere Vorteile im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batterien:

- hohe Sicherheit und thermische Stabilität
- langlebige und robuste Struktur
- niedrigere Kosten im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batterien
- lange Lebensdauer
- Umweltfreundlichkeit

Lithium-Eisenphosphat-Batterien sind sehr sicher und weniger anfällig für Überhitzung und Feuer, was sie besonders sicher für den Einsatz in großen Fahrzeugen macht. Diese Batterien können mehr Ladezyklen durchlaufen, bevor ihre Kapazität abnimmt. Das bedeutet, dass sie länger halten und weniger oft ausgetauscht werden müssen. Sie enthalten keine teuren und seltenen Metalle wie Kobalt oder Nickel, was sie umweltfreundlicher und kostengünstiger macht.

Die Lebensdauer und Haltbarkeit von Lithium-Eisenphosphat-Batterien wird oft in Ladezyklen gemessen. Ein Ladezyklus ist ein vollständiger Lade- und Entladevorgang. Lithium-Eisenphosphat-Batterien können in der Regel zwischen 3.000 und 5.000 Ladezyklen durchlaufen, bevor ihre Kapazität auf 80% der ursprünglichen Kapazität abfällt. Dies entspricht einer Nutzungsdauer von etwa 10 bis 15 Jahren, abhängig von der Nutzung und den Betriebsbedingungen.

Faktoren, welche die Lebensdauer von Lithium-Eisenphosphat-Batterien beeinflussen:

- Zyklenlebensdauer: Anzahl vollständiger Lade-Entlade-Zyklen
- Entladetiefe: Je geringer die Entladetiefe, desto länger die Lebensdauer
- Temperatur: Hohe Temperaturen können die Lebensdauer verkürzen
- Laderate: Schnelles Laden kann die Batterie belasten

Optimierung der Lebensdauer:

- optimale Nutzung und Pflege von Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP-Batterien)
- Wichtigkeit eines effizienten Batteriemanagementsystems (BMS)
- Langsames Laden und Vermeidung von Überladung 

Hohe Betriebstemperaturen können die Lebensdauer der Batterie verkürzen, während moderate Temperaturen die Langlebigkeit fördern. Schnellladen kann die Batterie stärker belasten und die Lebensdauer verringern, während langsames Laden schonender ist. Tiefentladungen sollten vermieden werden, um die Lebensdauer zu maximieren. Es ist besser, die Batterie häufiger aufzuladen, bevor sie vollständig entladen ist. 

Anwendungen in Bussen und e-Lkw.

Der Einsatz von Lithium-Eisenphosphat-Batterien in Bussen und e-Lkw bietet mehrere Vorteile:

Die Fähigkeit, viele Ladezyklen zu durchlaufen, macht Lithium-Eisenphosphat-Batterien ideal für den täglichen Einsatz in Bussen und Lastwagen, die regelmäßig geladen werden müssen. Die geringere Brandgefahr macht sie besonders geeignet für den Einsatz in großen Fahrzeugen mit vielen Passagieren oder Ladung. Die längere Lebensdauer und die geringeren Materialkosten machen Lithium-Eisenphosphat-Batterien zu einer kostengünstigen Option. Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) bieten eine langlebige und sichere Lösung für die Elektrifizierung von Bussen und Elektrolastwagen. Ihre hohe Zyklenfestigkeit, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit machen sie zu einer vielversprechenden Wahl für die Zukunft der Elektromobilität. Trotz einiger Herausforderungen in Bezug auf Betriebstemperaturen und Ladegewohnheiten bieten Lithium-Eisenphosphat-Batterien erhebliche Vorteile gegenüber anderen Batterietechnologien.

Wasserstoffheizungen und Wärmepumpen.

Energieeffizienz von Wasserstoffheizungen.

Wasserstoffheizungen sind eine neue Technologie zur Reduzierung von CO₂-Emissionen und zur Nutzung erneuerbarer Energien. Diese Heizsysteme nutzen Wasserstoff als Brennstoff, um Wärme und manchmal auch Strom zu erzeugen. 

Funktionsweise  - Wasserstoffheizungen können auf zwei Arten arbeiten:

- Wasserstoff wird wie Erdgas in einem Brennwertkessel verbrannt, wodurch Wärmeenergie freigesetzt wird
- Wasserstoff reagiert in einer Brennstoffzelle mit Sauerstoff, wodurch Wärme und Strom erzeugt werden

Bei der Nutzung von grünem Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energien stammt, ist die Heizung nahezu klimaneutral. Brennstoffzellenheizungen sind besonders effizient, da sie neben Wärme auch Strom erzeugen können. Wasserstoffheizungen sind sicherer als herkömmliche Gasheizungen, da Wasserstoff weniger leicht entzündlich ist als Erdgas.

Die Infrastruktur für die Wasserstoffversorgung ist derzeit noch nicht flächendeckend ausgebaut. Die Anschaffung und Wartung von Wasserstoffheizungen kann teurer sein als bei herkömmlichen Heizsystemen. Die Produktion von Wasserstoff ist derzeit relativ ineffizient und erfordert viel Energie (grünen Strom). Zudem sin die Kosten für grünen Wasserstoff noch sehr hoch. Mit der Weiterentwicklung der Wasserstofftechnologie und dem Ausbau der Infrastruktur könnten Wasserstoffheizungen eine wichtige Rolle in der Energiewende spielen. Die Nutzung von grünem Wasserstoff und die Verbesserung der Produktionsprozesse sind entscheidend für die Effizienz und Umweltfreundlichkeit dieser Heizsysteme.

Mehr zum Thema Wasserstoff.

Energieeffizienz von Wärmepumpen.

Wärmepumpen gewinnen zunehmend an Bedeutung als umweltfreundliche und energieeffiziente Heiz- und Kühllösungen für Gebäude.  

Funktionsweise von Wärmepumpen.

Wärmepumpen nutzen die in der Umgebungsluft, im Boden oder im Wasser gespeicherte Wärme, um Gebäude zu heizen oder zu kühlen. Sie funktionieren nach dem Prinzip eines umgekehrten Kühlschranks: Während ein Kühlschrank Wärme aus dem Inneren nach außen abgibt, entziehen Wärmepumpen der Umgebung Wärme und geben sie an das Heizsystem ab.

Arten von Wärmepumpen.

Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, die sich in ihrer Energiequelle unterscheiden.
- Luftwärmepumpen: Nutzen die Außenluft als Wärmequelle.
- Erdwärmepumpen: Entziehen dem Boden Wärme, meist über Erdsonden oder Erdkollektoren.
- Wasserwärmepumpen: Nutzen Grund- oder Oberflächenwasser als Wärmequelle.

Energieeffizienz von Wärmepumpen.

Die Energieeffizienz von Wärmepumpen wird durch den sogenannten Leistungskoeffizienten (COP) oder die Jahresarbeitszahl (JAZ) ausgedrückt. Der Leistungskoeffizient (COP) gibt das Verhältnis von erzeugter Wärme zur eingesetzten elektrischen Energie an. Ein COP von 4 bedeutet beispielsweise, dass die Wärmepumpe mit 1 kWh Strom 4 kWh Wärme erzeugt. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) berücksichtigt die tatsächlichen Betriebsbedingungen über ein Jahr und gibt das Verhältnis von erzeugter Wärme zur eingesetzten Energie an. Eine JAZ von 3,5 ist ein guter Wert.

Vorteile von Wärmepumpen.

Wärmepumpen können deutlich mehr Wärmeenergie liefern, als sie an elektrischer Energie verbrauchen. Wärmepumpen sind klimafreundlich, bei Nutzung von Ökostrom sind Wärmepumpen nahezu CO₂-neutral. Sie können sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen können die Betriebskosten niedriger sein, besonders in Kombination mit einer Photovoltaikanlage.

Die initialen Kosten für die Installation einer Wärmepumpe können höher sein als für traditionelle Heizsysteme. Die Effizienz von Luftwärmepumpen kann bei sehr kalten Temperaturen abnehmen. Erdwärmepumpen benötigen Platz für Erdsonden oder -kollektoren. Wärmepumpen sind eine energieeffiziente und umweltfreundliche Lösung zur Heizung und Kühlung von Gebäuden. Mit der richtigen Planung und Installation können sie langfristig Kosten sparen und einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten.

Mehr zu Wärmepumpen.

 Stationärspeicher mit neuen Lithium-Ionen-Batterien auf Eisenphosphatbasis.

Leistung von Stationärspeichern mit neuen Lithium-Ionen-Batterien auf Eisenphosphatbasis.

Stationäre Batteriespeicher spielen eine zunehmend wichtige Rolle in der modernen Energieversorgung. Besonders Lithium-Ionen-Batterien auf Eisenphosphatbasis (LiFePO₄) haben in den letzten Jahren an Popularität gewonnen. Diese Batterien bieten zahlreiche Vorteile, die sie zu einer attraktiven Wahl für verschiedene Anwendungen machen.

Vorteile von LiFePO₄-Batterien.

LiFePO₄-Batterien haben eine hohe Energiedichte, was bedeutet, dass sie viel Energie in einem relativ kleinen Volumen speichern können. Diese Batterien haben eine lange Lebensdauer und können viele Ladezyklen durchlaufen, bevor ihre Kapazität abnimmt. LiFePO₄-Batterien sind chemisch stabiler und weniger anfällig für Überhitzung und Feuer im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batterien. Eisenphosphat ist ein umweltfreundlicheres Material im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Kathodenmaterialien wie Cobalt oder Nickel.

Leistungsfähigkeit von Stationärspeichern.

Stationäre Batteriespeicher mit LiFePO₄-Batterien können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, wie Peak Shaving zur Reduzierung von Spitzenlasten im Stromnetz durch Speicherung von überschüssiger Energie und deren Freigabe in Zeiten hoher Nachfrage. Dies ist ein Beitrag zur Stabilität des Stromnetzes durch Bereitstellung von Regelleistung. Auch die Notstromversorgung, das heisst die Bereitstellung von Energie im Falle eines Stromausfalls ist eine mögliche Anwendung. Oder als Energiespeicherung in Solaranlagen. LiFePO₄-Batterien können überschüssige Energie aus Solaranlagen speichern und später zur Deckung des Energiebedarfs genutzt werden. LiFePO₄-Batterien  werden auch als industrielle Anwendungen genutzt, zum Beispiel zur Optimierung der Energieeffizienz und Reduzierung der Energiekosten. Oder als Installation in Wohnhäusern zur Speicherung von Energie und zur Nutzung während der Nebenverbrauchszeiten (Residential Energy Storage).

Die Leistung von Stationärspeichern mit neuen Lithium-Ionen-Batterien auf Eisenphosphatbasis ist beeindruckend. Diese Batterien bieten eine Kombination aus hoher Energiedichte, Langlebigkeit, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit, die sie zu einer idealen Wahl für verschiedene Anwendungen in der Energieversorgung macht.

Welche Rolle können LiFePO₄-Batterien als Stationärspeicher im Stromnetz einnehmen?

Welche Rolle haben Speicher wie Wasserkraft, Gaswerke, Kohlekraftwerke im Stromnetz nach Primär- Sekundär und Tertiär-Regelung? All diese Speicher spielen eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung des Stromnetzes, insbesondere im Rahmen der Primär-, Sekundär- und Tertiär-Regelung. 

Die Primärregelung wird traditionell durch Wasserkraft mit einer Reaktionszeit von wenigen Sekunden erzielt. Die Primärregelung stabilisiert die Netzfrequenz unmittelbar nach einer Störung, indem sie kurzfristig Energie bereitstellt oder aufnimmt. Batteriespeicher sind ebenso besonders geeignet, da sie sehr schnell auf Frequenzänderungen reagieren können. Batteriespeicher werden künftig massiv ausgebaut werden.

Sekundärregelung kann traditionell durch den Einsatz von Gaskraftwerken erzielt werden.

Die Reaktionszeit liegt innerhalb von Minuten. Die Sekundärregelung übernimmt nach der Primärregelung und stellt sicher, dass die Netzfrequenz wieder auf den Sollwert zurückkehrt. Auch hier können Batteriespeicher eingesetzt werden, um die benötigte Energie bereitzustellen oder zu viel Energie aufzunehmen.

Die Tertiärregelung wird traditionell mit Kohlekraftwerden realisiert, welche eine Reaktionszeit von mindestens 15 Minuten haben. Die Tertiärregelung dient dazu, die Sekundärregelung zu entlasten und längerfristige Ausgleichsmaßnahmen zu ergreifen. Auch hier kommen Batteriespeicher und Pumpspeicherkraftwerke zum Einsatz, aber auch andere flexible Erzeugungseinheiten wie zum Beispiel Gasturbinen.

Speichertechnologien wie Batteriespeicher und Pumpspeicherkraftwerke sind daher essenziell, um die Stabilität des Stromnetzes zu gewährleisten und Schwankungen auszugleichen.

Reduktion kritischer Rohstoffe: Kobalt.

Reduktion kritischer Rohstoffe: weniger Kobalt-Gehalt in Cathode (Pluspol von Batterien).

Die Reduktion des Kobalt-Gehalts in Batterien ist ein wichtiger Schritt zur nachhaltigen und umweltfreundlichen Produktion von Elektrofahrzeugen. Kobalt ist ein kritischer Rohstoff, der nicht nur teuer, sondern auch mit ethischen und ökologischen Herausforderungen verbunden ist. Daher arbeiten Forscher und Unternehmen daran, den Kobalt-Gehalt in Batterien zu reduzieren oder durch alternative Materialien zu ersetzen.

Warum muss Kobalt reduziert werden? Kobalt wird hauptsächlich in der Kathode von Lithium-Ionen-Batterien verwendet, da es die Stabilität und Leistungsfähigkeit der Batterie verbessert. Allerdings hat der Abbau von Kobalt erhebliche negative Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesellschaft, insbesondere in den Hauptabbaugebieten wie der Demokratischen Republik Kongo. Der Abbau ist oft mit Menschenrechtsverletzungen und schlechten Arbeitsbedingungen verbunden.

In den letzten Jahren wurden bedeutende Fortschritte bei der Reduktion des Kobalt-Gehalts in Batterien erzielt. Forscher haben neue Kathodenmaterialien entwickelt, die weniger Kobalt enthalten oder ganz ohne Kobalt auskommen. 

Nickel-Kobalt-Mangan (NCM)

Diese Kathoden enthalten weniger Kobalt und mehr Nickel, was die Energiedichte der Batterie erhöht.

Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA)

Diese Kathoden haben ebenfalls einen geringeren Kobalt-Gehalt und bieten eine hohe Energiedichte.

Lithium-Eisen-Phosphat (LFP – LiFePO4)

Diese Kathoden enthalten kein Kobalt und sind besonders sicher und langlebig.

Die Reduktion des Kobalt-Gehalts in Batterien ist ein wichtiger Schritt hin zu einer nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Elektromobilität. Durch die Entwicklung neuer Materialien und Technologien können die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen verringert und die negativen Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesellschaft minimiert werden.

Vergleich der Energiedichten von Li-Ionenzellen in den letzten dreissig Jahren.

Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen hat sich in den letzten dreißig Jahren erheblich verbessert. Diese Entwicklung ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Reichweite von Elektrofahrzeugen sowie für die Speicherung erneuerbarer Energien.

In den Anfangsjahren, also der 1990er Jahren, lag die Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen bei etwa 90-100 Wh/kg. Diese frühen Batterien waren ein bedeutender Fortschritt gegenüber den damals gängigen Nickel-Cadmium-Batterien, aber ihre Kapazität und Leistung waren noch begrenzt.

Mit den technologischen Fortschritten in den 2000er Jahren stieg die Energiedichte auf etwa 150-200 Wh/kg. Dies war auf Verbesserungen in der Materialwissenschaft und der Zellchemie zurückzuführen. Neue Kathodenmaterialien wie Nickel-Kobalt-Mangan (NCM) und Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA) trugen zu dieser Entwicklung bei.

In den 2010er Jahren erreichten Lithium-Ionen-Zellen eine Energiedichte von 200-250 Wh/kg und damit einen Durchbruch bei der Massenproduktion. Die zunehmende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und tragbaren Elektronikgeräten führte zu erheblichen Investitionen in Forschung und Entwicklung. Die Massenproduktion und Skaleneffekte trugen ebenfalls zur Kostensenkung und Leistungssteigerung bei.

Heute liegt die Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen bei etwa 250-300 Wh/kg. Forscher arbeiten weiterhin an der Verbesserung der Energiedichte, wobei einige Prognosen eine Verdopplung der volumetrischen Energiedichte bis 2030 vorhersagen. Neue Materialien und Technologien, wie Festkörperbatterien, könnten in den kommenden Jahren weitere Fortschritte ermöglichen.

Die kontinuierliche Verbesserung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen hat die Entwicklung von Elektrofahrzeugen und anderen Anwendungen erheblich vorangetrieben. Mit weiteren technologischen Fortschritten und Innovationen können wir in Zukunft noch leistungsfähigere und effizientere Energiespeicher erwarten. Die Forschung beweist schon heute, dass die Zukunftsaussichten für Reichweiten von 1000 km in naher Zukunft möglich sind. Ganz neue Technologien versprechen noch viel höhere Reichweiten.

Zukunftsperspektiven von Energiedichten bei Li-Ionenzellen.

Forscher prognostizieren, dass die Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen in den nächsten Jahren weiter steigen wird. Einige der vielversprechendsten Ansätze umfassen:

Festkörperbatterien

Diese Batterien verwenden feste Elektrolyte anstelle von flüssigen, was die Energiedichte erheblich erhöhen kann. Festkörperbatterien könnten Energiedichten von bis zu 500 Wh/kg erreichen.

Silizium-Anoden

Der Ersatz herkömmlicher Graphitanoden durch Silizium-Anoden kann die Energiedichte um bis zu 65% steigern.

Lithium-Metall-Anoden

Diese Anoden bieten das Potenzial für noch höhere Energiedichten, da sie eine höhere spezifische Kapazität haben als herkömmliche Anodenmaterialien.

Trotz der vielversprechenden Entwicklungen gibt es auch Herausforderungen, die überwunden werden müssen. Höhere Energiedichten können zu Sicherheitsproblemen führen, wie z.B. Überhitzung und Brandgefahr. Daher ist es wichtig, dass neue Materialien und Technologien sicher und zuverlässig sind. Die Herstellung von Batterien mit höheren Energiedichten kann teurer sein. Es ist entscheidend, kosteneffiziente Produktionsmethoden zu entwickeln, um die Markteinführung zu erleichtern.

Die Zukunft der Energiedichten bei Lithium-Ionen-Zellen ist vielversprechend. Mit kontinuierlichen Fortschritten in der Materialwissenschaft und der Zellchemie können wir in den kommenden Jahren Batterien erwarten, die leistungsfähiger, sicherer und kosteneffizienter sind. Diese Entwicklungen werden nicht nur die Elektromobilität vorantreiben, sondern auch die Speicherung erneuerbarer Energien verbessern und somit einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten.

Zusammenspiel von Chemie und Engineering.

Erhöhung der aktiven Materialien bei Cell-to-pack-Design. 

Die Cell-to-Pack-Technologie (CTP) revolutioniert die Art und Weise, wie Batterien in Elektrofahrzeugen integriert werden. Anstatt Batteriezellen in Module zu packen und diese Module dann in ein Batteriepack zu integrieren, werden bei der CTP-Technologie die Zellen direkt in das Batteriepack eingebaut. Dies hat mehrere Vorteile, darunter die Erhöhung der Energiedichte und die Reduktion von Bauteilen.

Durch den Wegfall der Modulstruktur kann mehr Platz für aktive Materialien genutzt werden. Dies führt zu einer höheren Energiedichte auf Packebene. Die direkte Integration der Zellen ermöglicht eine effizientere Nutzung des verfügbaren Volumens, was die Gesamtkapazität des Batteriepacks erhöht. Die CTP-Technologie reduziert die Anzahl der benötigten Bauteile um bis zu 40%, was zu einer Gewichtsreduktion und Kosteneinsparungen führt. Weniger Bauteile bedeuten auch weniger potenzielle Fehlerquellen und eine einfachere Montage.

Durch die direkte Integration der Zellen in das Pack kann die Wärmeableitung effizienter gestaltet werden. Dies trägt zur Verbesserung der Lebensdauer und Leistung der Batterie bei. Trotz der vielen Vorteile gibt es auch Herausforderungen bei der Implementierung der CTP-Technologie. Die direkte Integration der Zellen erfordert fortschrittliche Sicherheitsmechanismen, um das Risiko von Kurzschlüssen und Überhitzung zu minimieren. Die Wahl der richtigen Zellen ist entscheidend, um die bestmögliche Leistung und Sicherheit zu gewährleisten. Hierbei spielen Faktoren wie Zellchemie und -format eine wichtige Rolle. Die Cell-to-Pack-Technologie bietet erhebliche Vorteile in Bezug auf die Erhöhung der aktiven Materialien und die Verbesserung der Energiedichte. Durch die Reduktion von Bauteilen und die effizientere Nutzung des verfügbaren Volumens kann die Leistung und Effizienz von Batteriepacks in Elektrofahrzeugen erheblich gesteigert werden. Trotz der bestehenden Herausforderungen zeigt die CTP-Technologie großes Potenzial für die Zukunft der Elektromobilität.

State-of-the art 2023/24: Batterien für 50% längere Reichweite.

CATL bringt eine CTP 3.0 Batterie «Qilin» für noch grössere Reichweiten auf den Markt.

Am 23. Juni 2022 hat CATL die dritte Generation seiner Cell-to-Pack (CTP) Technologie, die «Qilin» Batterie, vorgestellt. Diese neue Batterie setzt neue Maßstäbe in der Batterietechnologie und bietet eine rekordverdächtige Volumennutzungseffizienz von 72% sowie eine Energiedichte von bis zu 255 Wh/kg. Mit diesen beeindruckenden Werten kann die «Qilin» Batterie eine Reichweite von über 1’000 km ermöglichen.

Die «Qilin» Batterie zeichnet sich durch mehrere technologische Innovationen aus: Multifunktionale elastische Zwischenschicht, verbesserte Wärmeableitung und erhöhte Stoß- und Vibrationsfestigkeit. Die interne Struktur der Batterie wurde neu gestaltet, um die Querträger, Flüssigkeitskühlplatten und Wärmepolster in eine multifunktionale elastische Zwischenschicht zu integrieren. Diese Zwischenschicht enthält Mikronbrücken, die sich flexibel an Veränderungen innerhalb der Zelle anpassen und die Zuverlässigkeit der Batterie über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg verbessern. Die revolutionäre großflächige Batteriekühlungstechnologie vervierfacht die Wärmeübertragungszone und halbiert die Wärmekontrollzeit. Dies ermöglicht einen 5-Minuten-Warmstart und eine 10-Minuten-Schnellladung. Die integrierte Energieeinheit, bestehend aus der Zelle und der elastischen Zwischenschicht, bildet eine stabilere tragende Struktur senkrecht zur Fahrtrichtung, was die Stoß- und Vibrationsfestigkeit des Batteriepakets verbessert.

Die «Qilin» Batterie von CATL zeigt, wie weit die Batterietechnologie bereits fortgeschritten ist und welches Potenzial noch in ihr steckt. Mit einer Reichweite von über 1’000 km und einer verbesserten Effizienz setzt diese Batterie neue Maßstäbe für die Elektromobilität. Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Innovation in diesem Bereich wird dazu beitragen, die Reichweitenangst zu mindern und die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen weiter zu erhöhen.

Ladezeiten.

Was bedeutet eine Laderate 6C?

Die Laderate, auch bekannt als C-Rate, ist ein wichtiger Parameter zur Charakterisierung von Batterien, insbesondere im Bereich der Elektromobilität. Sie gibt an, wie schnell eine Batterie geladen oder entladen werden kann und wird als Vielfaches der Nennkapazität angegeben. Die C-Rate ist das Verhältnis des Lade- oder Entladestroms zur Nennkapazität der Batterie. Eine C-Rate von 1C bedeutet, dass eine Batterie innerhalb einer Stunde vollständig geladen oder entladen werden kann. Bei einer Batterie mit einer Kapazität von 100 Ah entspricht dies einem Strom von 100 A.

Eine Laderate von 6C bedeutet, dass die Batterie in einem Sechstel der Zeit vollständig geladen werden kann. Das heißt, eine Batterie mit einer Kapazität von 100 Ah kann mit einem Strom von 600 A geladen werden und wäre in etwa 10 Minuten vollständig aufgeladen. Diese hohe Laderate ermöglicht extrem schnelle Ladezeiten, was besonders für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge von Vorteil ist.

Eine hohe Laderate wie 6C ermöglicht es, die Batterie in sehr kurzer Zeit aufzuladen, was die Nutzbarkeit und Flexibilität von Elektrofahrzeugen erhöht. Schnellere Ladezeiten können die Effizienz des Ladevorgangs verbessern und die Wartezeiten für Nutzer reduzieren.

Hohe Laderaten führen zu einer erhöhten Wärmeentwicklung, die das Batteriemanagementsystem effizient handhaben muss, um Überhitzung zu vermeiden. Häufiges Laden mit hohen C-Raten kann die Lebensdauer der Batterie verkürzen, da die Belastung für die Zellen steigt. Eine Laderate von 6C bietet erhebliche Vorteile in Bezug auf die Ladegeschwindigkeit und Effizienz, bringt jedoch auch Herausforderungen mit sich, die sorgfältig gemanagt werden müssen. Mit fortschreitender Technologie und verbesserten Batteriemanagementsystemen können diese Herausforderungen jedoch zunehmend bewältigt werden.

Erster Serien-PKW mit >1'000 km Reichweite (WLTP).

Erster Serien PKW mit einer Reichweite von über 1'000 km, 120 km laden in 5 Minuten.

Geely, Modell Zeekr 001

Die Elektromobilität hat einen neuen Meilenstein erreicht. Geelys Modell Zeekr 001 ist das erste Serienfahrzeug, das eine beeindruckende Reichweite von über 1’000 km bietet. Ausgestattet mit der revolutionären Qilin-Batterie von CATL, setzt der Zeekr 001 neue Maßstäbe in der Branche.

Die Qilin-Batterie von CATL, die im Zeekr 001 zum Einsatz kommt, zeichnet sich durch eine Volumennutzungseffizienz von 72% und eine Energiedichte von bis zu 255 Wh/kg aus. Diese fortschrittliche Technologie ermöglicht es dem Fahrzeug, eine Reichweite von 1.032 km nach dem chinesischen CLTC-Standard zu erreichen. Ein weiteres herausragendes Merkmal des Zeekr 001 ist seine Schnellladefähigkeit. Dank der innovativen Batterietechnologie kann das Fahrzeug in nur 5 Minuten eine Reichweite von 120 km aufladen. Dies macht den Zeekr 001 besonders attraktiv für Langstreckenfahrten und reduziert die Ladezeiten erheblich.

Der Zeekr 001 ist ein 5-türiger, 5-sitziger Hatchback mit beeindruckenden Leistungsdaten. Die dualen Elektromotoren liefern eine Gesamtleistung von 400 kW und ein Drehmoment von 686 Nm, was eine Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in nur 3,8 Sekunden ermöglicht. Die Batterieoptionen umfassen Kapazitäten von 86 kWh, 100 kWh und die bahnbrechende 140 kWh Qilin-Batterie. Mit dem Zeekr 001 zeigt Geely, dass die Elektromobilität nicht nur umweltfreundlich, sondern auch leistungsstark und praktisch sein kann. Die Kombination aus hoher Reichweite und schneller Ladefähigkeit macht dieses Modell zu einem Vorreiter in der Branche und setzt neue Standards für zukünftige Elektrofahrzeuge.

Perspektiven.

Zukunftsperspektiven.

Batteriefahrzeuge weisen geringste Treibhausgas-Emissionen, beste Energieeffizienz und geringste Kosten auf. In den letzten Jahren haben Batteriefahrzeuge erheblich an Bedeutung gewonnen und bieten zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Sie weisen die geringsten Treibhausgasemissionen, die beste Energieeffizienz und die geringsten Betriebskosten auf.

Einer der größten Vorteile von Batteriefahrzeugen sind die deutlich reduzierten Treibhausgas-Emissionen. Während herkömmliche Fahrzeuge CO2 und andere Schadstoffe ausstoßen, erzeugen Batteriefahrzeuge keine direkten Emissionen während der Fahrt. Dies trägt erheblich zur Verbesserung der Luftqualität und zur Verringerung des CO2-Fußabdrucks bei, insbesondere wenn der Strom aus erneuerbaren Energiequellen stammt.

Batteriefahrzeuge sind äußerst energieeffizient. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren, die nur etwa 20-30% der Energie aus dem Kraftstoff in Bewegungsenergie umwandeln, erreichen BEVs eine Energieeffizienz von etwa 85-90%. Dies bedeutet, dass ein größerer Teil der zugeführten Energie tatsächlich genutzt wird, um das Fahrzeug anzutreiben, was zu weniger Energieverlusten und einem effizienteren Betrieb führt.

Auch die Kosten sprechen für Batteriefahrzeuge. Zwar sind die Anschaffungskosten aktuell noch etwas höher als die von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, jedoch gleichen sich diese durch die deutlich niedrigeren Betriebskosten aus. Strom ist in der Regel günstiger als Benzin oder Diesel, und auch die Wartungskosten sind geringer, da Batteriefahrzeuge weniger bewegliche Teile haben und weniger verschleißanfällig sind. Langfristig gesehen bieten Batteriefahrzeuge daher ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis.

Batteriefahrzeuge bieten eine umweltfreundliche und kosteneffiziente Alternative zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Mit den geringsten THG-Emissionen, der besten Energieeffizienz und den niedrigsten Betriebskosten sind Batteriefahrzeuge eine vielversprechende Lösung für die Zukunft der Mobilität. Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Batterietechnologie und der Ausbau der Ladeinfrastruktur werden dazu beitragen, die Akzeptanz und Verbreitung von BEVs weiter zu erhöhen.

Batteriefahrzeuge werden günstiger und sauberer. Der Trend zur Abkehr von kritischen Rohmaterialien und zur Verringerung der Fertigungskosten ist in vollem Gange. Billigere und häufiger vorkommende Materialien werden eingesetzt (kein Co, kein Ni), die Fertigungsprozesse benötigen geringeren Energieaufwand und der Einsatz von 100% Erneuerbaren Energien in der Produktion nimmt zu.

Die Batterien werden besser und weisen eine Kapazitätssteigerung durch bessere Kathoden mit höherer Spannung und Kapazität auf. Ebenso gibt es eine Kapazitätssteigerung durch bessere Anoden mit Silizium-Carbon-Kompositen. Es gibt immer mehr Batterien, die frei von kritischen Rohstoffen sind. Neue Batterien mit optimiertem Packdesign erlauben höhere Reichweiten, schnellere Beladung, höhere Sicherheit.

Video und Screenshots aus dem Vortrag von Professor Dr. Maximilian Fichtner:

Mit freundlicher Genehmigung, © HIU, Prof. Dr. Maximilian Fichtner.

HIU Helmholtz Institute Ulm.

Disclaimer / Abgrenzung

Text: Bruno Giordano

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