Salzwasser im Tank
Im Straßenverkehr setzen Politik und Wirtschaft auf Batterien und Wasserstoff. Doch ohne neue Mobilitätskonzepte wird das nicht reichen
Der Quant ist pure Science Fiction. 350 Stundenkilometer schnell ist der Elektrosportwagen und fährt ohne aufzuladen 600 Kilometer weit. Das Beste an ihm ist der Treibstoff, eine Elektrolytflüssigkeit. Man könnte auch sagen: Salzwasser. Es strömt durch den Flusszellenakku unter der Haube und erzeugt dabei Strom. Zwar ist es kein Meerwasser, das den Quant antreibt, wie das Werbevideo für den Wagen suggeriert. Redox-Flow-Batterien, wie sie auch genannt werden, arbeiten normalerweise mit giftigen Brom- und teuren Vanadiumsalzen. Die Zusammensetzung der eigenen Mischung verrät das Liechtensteiner Unternehmen Nanoflowcell nicht.
Ganz so revolutionär, wie Nanoflowcell glauben macht, ist der Wagen ohnehin nicht. Der Quant ist ein teures Prestigeobjekte für den Individualverkehr, genau wie die Sportwagen des kalifornische E-Autobauers Tesla. Eigentlich ein überholtes Konzept, denn die Mobilität der Zukunft wird von allen Experten als eine Verknüpfung von öffentlichem Nahverkehr, Autos zum Ausleihen und (teils elektrifizierten) Fahrrädern gedacht. Trotzdem könnten die technischen Lösungen von Quant und Co. der Elektromobilität auf die Sprünge helfen.
Das ist auch bitter nötig, denn der Verkehrssektor zeigt sich ziemlich widerspenstig gegenüber den erneuerbaren Energien. Grund ist die unschlagbare Energiedichte fossiler Brennstoffe, die selbst die revolutionärsten Batterien bisher nicht erreichen. Bei gleicher Masse kommt man mit Benzin, Diesel und Kerosin 100 Mal weiter als mit den leichtesten Lithium-Ionen-Akkus. »Der Transportsektor hängt mit überwältigenden 94 Prozent seiner Nachfrage am Öl. Damit ist er eine der Hauptquellen von Luftverschmutzung und Klimagasen«, stellt der Weltklimarat fest. Gleichzeitig wächst der Verkehrssektor sehr schnell. Zu verführerisch ist das Modell der »freien Fahrt für freie Bürger«, wie es der ADAC in den 70-er Jahren propagierte. Um die Erde vor massiver Erwärmung zu bewahren, braucht man also bessere Speicher.
Bis vor 20 Jahren war das kaum ein Thema. »Die elektrochemische Grundlagenforschung wurde über Jahrzehnte abgebaut«, sagt Marie-Luise Beck, Geschäftsführerin des Deutschen Klima-Konsortiums. So unglaublich es sich anhört, auch heute noch werden die Vorgänge einer Batteriezelle nicht wirklich verstanden. Trotzdem wird hartnäckig an der Verbesserung ihrer Bestandteile gearbeitet, an der Beschichtung von Anode und Kathode sowie der Zusammensetzung der Elektrolytflüssigkeiten. Und fast täglich kommen neue Erfolgsmeldungen aus den Laboren.
Große Hoffnung ruhen auf Lithium-Schwefel-Akkus. Sie sind billiger und weniger giftig als Lithium-Ionen-Akkus, schreibt die Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. Wegen ihrer hohen Speicherkapazität und dem leichten Lithium sind sie besonders für Elektromobile geeignet. In einer klassischen Lithium-Ionen-Zelle besteht die positive Elektrode aus einer Kobalt-Verbindung, die negative aus Graphit. Dazwischen schwimmen Lithium-Ionen in einer Lösung. In Lithium-Schwefel-Akkus wird Kobalt durch Schwefel ersetzt. Doch Schwefel nimmt Lithium-Elektronen zwar gut auf, gibt sie aber schlecht wieder ab. An der LMU haben Forscher jetzt Nanofasern hergestellt, die gemessen am Volumen eine außergewöhnlich große Oberfläche besitzen. Ein Stück dieses Materials von der Größe eines Zuckerwürfels hätte die Kontaktfläche von sieben Tennisplätzen. »An der großen Oberfläche kann der Schwefel fein verteilt gebunden werden und steht so effizienter für die elektrochemischen Prozesse in der Batterie zur Verfügung«, erklärt Post-Doktorand Benjamin Mandlmeier.
Er ist ein Beispiel für Forscher rund um den Globus, die sich in langen Versuchsreihen abmühen, die besten Materialkombinationen für die Akkus der Zukunft zu finden. Ihre Ergebnisse, aber auch die Preisentwicklung machen Hoffnung. Die Mehrkosten bei Elektromobilen haben sich seit 2010 mehr als halbiert. Das liege vor allem an den gesunkenen Batteriepreisen, heißt es im »Fakten-Check Mobilität 3.0« des Beratungsunternehmens Horvath & Partners.
Auch die Reichweite hat sich ansehnlich erhöht. Schaffte ein Elektromobil 2011 im Schnitt nur 150 Kilometer, ohne aufzuladen, waren es 2013 schon 190 Kilometer. »Wir rechnen damit, dass ein durchschnittliches Elektroauto bis 2020 deutlich über 400 Kilometer schaffen kann«, sagt Heiko Fink, einer der Studienautoren. Insgesamt fahren zur Zeit rund 15 000 Batteriefahrzeuge und Hybride mit zusätzlichem Verbrennungsmotor auf Deutschlands Straßen, fast 80 Prozent mehr als im Jahr davor. »Unter der Prämisse, dass sich die Wachstumsraten der letzten drei Jahre bis 2020 fortsetzen, wird das Ziel der Bundesregierung von einer Million Elektrofahrzeugen fast erreicht«, sagen Horvath & Partners voraus.
Je mehr Stromer fahren, desto billiger werden die Batterien. Die Masse macht’s eben. So plant Marktführer Tesla zusammen mit Panasonic den Bau einer riesigen Batteriefabrik in den USA. Sie soll 2020 mehr Lithium-Ionen-Akkus produzieren als heute weltweit in einem Jahr. 2017 wird als Produktionsbeginn angepeilt, gleichzeitig zum Start eines Massenmodells. Die Speicherkosten pro Kilowattstunde sollen dann um ein Drittel sinken.
Natürlich müssen E-Autos künftig unbedingt mit Ökostrom fahren. Denn beim aktuellen Strommix mit seinem hohen Kohleanteil stößt auch ein vermeintlich sauberes Elektroauto indirekt 100 Gramm Kohlendioxid pro Kilometer aus. Bei vergleichbaren Benzinern und Dieselautos ist es doppelt so viel, hat »Die Zeit« ausgerechnet. Mit Strom aus erneuerbaren Quellen kämen Elektromobile auf fünf Gramm Kohlendioxid pro Kilometer. Die Herstellung eines Elektromotors und seiner Batterie ist aber wesentlich energieintensiver als die Produktion eines Verbrennungsmotors. Ab 27 000 Kilometern ist die Ökobilanz der Elektroautos trotzdem besser - selbst mit Kohlestrom im Akku. Bei 100 Prozent Ökostrom käme man schon ab 14 000 Kilometern klimaneutral vom Fleck.
Nützlich wären die Speicher in den Elektroautos auch als virtuelle Batterie für die schwankende Stromerzeugung aus Erneuerbaren. Nur eine Stunde pro Tag wird ein Auto im Schnitt bewegt. In der anderen Zeit könnte es mit Grünstrom aus dem Netz be- und entladen werden, je nachdem, wie die Sonne scheint und der Wind weht. In Deutschland könnten eine Million Elektroautos als Schwarmbatterie fast zwei Millionen Haushalte pro Tag versorgen, hat die Hochschule Würzburg-Schweinfurt ausgerechnet und eine »Powerbox« zur Einbindung von Elektrofahrzeugen ins Stromnetz entwickelt. An solchen Schnittstellen mangelt es noch, genau wie an der Software fürs Lademanagement. Im Forschungsprojekt INEES wird in Berlin getestet, wie gut sich Elektrofahrzeuge als Dienstleister für das Stromnetz einsetzen lassen. Lithium-Ionen-Batterien reagieren nämlich sehr empfindlich auf unregelmäßigen Stromzufluss und können nicht schnell mal be- und entladen werden.
Überhaupt sollte man mit der Elektromobilität bei den Bussen anfangen, sagt Andreas Gutsch, Experte für elektrische Energiespeicher und Antriebe am Karlsruher Institut für Technologie: »Es ist nicht nachvollziehbar, bei Kleinstwagen zu beginnen, die nur vier Liter auf 100 Kilometer verbrauchen, wenn ein Stadtbus über 50 Liter Einsparpotenzial bietet und im Jahr mehr Kilometer zurücklegt als manches Stadtauto im gesamten Lebenszyklus«, sagte er im Interview mit den »VDI-Nachrichten«. Immerhin gibt es schon in einem guten Dutzend deutscher Städte Versuche mit Elektro- oder Hybridbussen. Wie überall bei den Erneuerbaren ist das Problem, dass vor der Ersparnis hohe Investitionen stehen. Rund 100 000 Euro mehr als ein Dieselbus kostet ein Elektrobus heute noch.
Ist also eigentlich Wasserstoff und nicht Strom das Antriebsmittel der Zukunft? Zur Energiewende passt er ja gut. Denn bei einem Überangebot von Strom könnte Wasserstoff per Elektrolyse aus Wasser gewonnen und in Brennstoffzellen direkt in Strom umgewandelt werden. Sowohl für Wasserstoff als auch für Strom müsste ein neues Tankstellennetz geschaffen werden. Die Kosten für den Umbau der Infrastruktur würden aber nur zwei bis drei Prozent der Anschaffungskosten aller neuen Fahrzeuge ausmachen, hat Felix Creutzig vom Mercator Research Institute on Global Commons and Climate Change berechnet. Auch bei Brennstoffzellen gibt es immer wieder Durchbrüche im Labor. So ist es Forschern von General Electric gelungen, den bisher besten Katalysator Platin durch Edelstahl zu ersetzen. Damit könnte der Preis von Brennstoffzellen stark fallen.
Noch einen anderen Hoffnungsträger gibt es: die Superkondensatoren. Sie können Strom zwar nur für kurze Zeit speichern, dafür aber sehr schnell laden und entladen. Bereits heute werden sie in Autos und Bussen eingesetzt, um Bremsenergie aufzufangen, die sonst verloren ginge. Künftig könnten Superkondensatoren sogar aus Zigarettenkippen hergestellt werden. Koreanische Forscher jedenfalls haben gebrauchte Filter genutzt, um »hochperformante« Kondensatoren herzustellen. Ob das mehr als ein Gag ist, bleibt abzuwarten.
Einzig im Flugverkehr wird man in absehbarer Zeit keinen Ersatz für fossile Brennstoffe finden, sagt Gernot Klepper vom Institut für Weltwirtschaft: »Dort gibt es praktisch keine Alternativen.« Höchstens flüssiger Wasserstoff käme als Treibstoff in Frage. Dafür bräuchte es neue Turbinen und riskante Investitionen über einen langen Zeitraum. Im Stadtverkehr aber gebe es durch neue Mobilitätskonzepte gute Chancen, Emissionen zu verringern, sagte Klepper.
Wie schnell sie sich durchsetzen, wird stark von den Verkehrsteilnehmern abhängen. »Die psychologischen Hürden für eine Energiewende im Verkehr sind ebenso groß wie die strukturellen Hemmnisse«, schreibt die Agentur für Erneuerbare Energien. Jederzeit dorthin fahren zu können, wohin man möchte, wird attraktiv bleiben. Doch auch bei der Elektromobilität kann es kein Wachstum ohne Ende geben. Lithium gibt es zwar in Hülle und Fülle. Bei manchen Seltenerdmetallen wie Dysprosium oder Terbium für die Magnete in den Elektromotoren gibt es jedoch nur wenige erschlossene Vorkommen - hauptsächlich in China. Ein »Weiter so« wird auch bei sauberen Technologien an Grenzen stoßen. Ressourcenverbrauch und Wirtschaftswachstum zu entkoppeln, bleibt eine Aufgabe, die noch viel größer ist als die Erforschung besserer Batterien.
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