Baterije

In der folgenden Tabelle wird verglichen, welchen Treibstoffvorrat ein Auto bei unterschiedlichen Antriebsarten laden und transportieren muss, um ohne Nachtanken etwa 400 km weit zu fahren. Dafür benötigt man etwa 50 kWh Antriebsenergie (siehe Kraftstoffverbrauch). Es fließen Schätz- und Mittelwerte ein, daher sind alle Zahlenwerte nur als Richtwerte zu betrachten.

Treibstoff Energiedichte
(kWh/kg)
Antriebskomponente mittlerer
Wirkungsgrad
tank-to-wheel
Gesamtmasse des
Energiespeichers in kg
für 50 kWh nutzbare
Energie
Strom aus Bleiakkumulator 0,03 Elektromotor
mit Nutzbremse
ca. 65–80 %[242][243][244] 1350
Strom aus
Lithium-Ionen-Akkumulator
0,13 Elektromotor
mit Nutzbremse
ca. 65–80 %[242][243][244] 311
Dieselkraftstoff 11,8 Dieselmotor
mit Getriebe
25–30 %[243] 18 (+5 Tankbehälter)
Superbenzin 11,1 Ottomotor
mit Getriebe
21–24 %[243] 29 (+5 Tankbehälter)
Flüssiger Wasserstoff 33,3 Wasserstoffspeicherung
Brennstoffzelle PAFC
Elektromotor
40–50 %[244] 4,1 (+Tankbehälter)
Druckwasserstoff 700 bar 29,2[Anmerkung 1] Wasserstoffspeicherung
Brennstoffzelle PEMFC
Elektromotor
60 %[253] 3 (+125[254] Tankbehälter)

Anmerkungen:

  • Die Energiedichte bei Benzin, Diesel und Wasserstoff ist als unterer Heizwert angegeben.
  • Bei Akkus ist die Masse des Behälters im Wert der Energiedichte bereits enthalten, nicht jedoch die Verkabelung, Stützstrukturen, Kühlkörper, Heizelemente und Überwachungselektronik; bei Diesel, Benzin und Wasserstoff müssen der Tank und ggf. Nebenaggregate addiert werden. Durch das geringere Gewicht der Elektromotoren, den Wegfall eines Schaltgetriebes, der Auspuffanlage und ggf. der Startbatterie ergeben sich beim Elektrofahrzeug weitere Gewichtseinsparungen, die hier nicht berücksichtigt sind.

Akkumulatoren

Akkuzellen des Nissan Leaf

Zylindrische Zelle (18650) vor dem Zusammenbau. Einige Tausend davon bilden den Akku des Tesla Model S (s. Gigafactory).

Akkuzellen im Heck eines Batteriebusses

Lithium oder Blei oder Nickel

In der Vergangenheit nutzten die meisten Elektroautos Akkumulatortypen, wie Blei- oder Nickel-Cadmium-Akkus, die lediglich für einen Betrieb von etwa einer Stunde mit Höchstgeschwindigkeit reichten oder mit denen mit einer Ladung 40 bis 130 Kilometer zurückgelegt werden konnten. Bleiakkumulatoren, besonders wenn sie auf hohe Zyklenfestigkeit ausgelegt sind, haben eine geringe Energiedichte – sie sind sehr schwer für den gebotenen Energieinhalt. Auch begrenzt die häufig geringere Zyklenfestigkeit und Lebensdauer ihren Einsatz, sodass sie bei neueren Entwicklungen praktisch nicht mehr eingesetzt werden. Sie werden nach wie vor in kleineren Elektrofahrzeugen und in der Industrie verwendet, etwa in Flurfördergeräten (Gabelstapler).

Reichweiten von 300 km bis 500 km und mehr sind mit Akkumulatoren auf Lithiumbasis (zum Beispiel Lithium-Ionen-, Lithium-Eisenphosphat- und Lithium-Polymer-Akkumulatoren) möglich und werden auch realisiert (etwa bei Tesla Model S, Tesla Model X, Chevrolet Bolt, Renault ZOE). Diese Akkumulatorentypen haben eine vergleichsweise hohe gewichtsbezogene Energiedichte. Auch Hochtemperaturakkus werden eingesetzt, beispielsweise die Zebra-Batterie. Bei einigen Fahrzeugen, die zuvor Blei- oder Nickel-Cadmium-Akkumulatoren fuhren, wurden diese gegen Lithium-Ionen-Akkumulatoren ausgetauscht. So konnte ein Vielfaches der ursprünglichen Reichweite erzielt werden.

Bei NiCd-, NiMH-, und Bleiakkusätzen müssen nur Teilblöcke aus mehreren Zellen überwacht werden. Lithium-Akkumulatoren brauchen komplexe elektronische Batteriemanagementsysteme (BMS), Schutzschaltungen und Balancer, weil sie bei Überladung und Tiefentladung schnell ausfallen. Damit beim Defekt einer einzelnen Zelle nicht das gesamte Akkusystem erneuert werden muss, kann dieses für den Einzelzellentausch ausgelegt sein.

Die Umweltfreundlichkeit der Lithiumtechnologie ist allerdings, wie der ARD-Dokumentarfilm Rettet das E-Auto die Umwelt? nachwies, zumindest umstritten. Bei der Erzeugung des Rohstoffs Lithium werden durch Raubbau am Grundwasser zum Beispiel ganze Landstriche Südargentiniens in die Wüstenbildung getrieben und Zehntausenden einheimischer indigener Bevölkerung ihre basalen Lebensgrundlagen geraubt.[255]

Akku-Kapazität

Die Akkumulatorenkapazität ist eine der wichtigsten bestimmenden Größen für die Nutzbarkeit und Wirtschaftlichkeit von Elektroautos. Es lassen sich zwei gegenläufige Strategien für Akkumulatorengröße ausmachen.

  • Steigerung der Akkumulatorengröße: Dadurch wird eine sehr große Reichweite ohne Zwischenaufladung möglich und die Lebensdauer der Batterie verlängert sich. Der Akku wird sowohl in seiner Kapazität als auch in der Leistungsentnahme weniger belastet und kann Zyklenzahlen erreichen, die der Lebensdauer des gesamten Fahrzeugs entsprechen. Hingegen steigen Fahrzeuggewicht und Investitionskosten stark an. Vor allem Letzteres lässt sich teilweise über Einsparungseffekte aus der Serienfertigung und technischen Weiterentwicklung ausgleichen. Große Akkus für Elektroautos speichern derzeit (2018) eine Energie um die 100 kWh, was bei einem Fahrzeug-Verbrauch von 15 kWh bis 25 kWh pro 100 km für etwa 500 km Reichweite ausreicht. Beispiele sind Tesla Model S, Tesla Model X, NIO ES8, Jaguar I-Pace, Audi e-tron. Dagegen haben Batteriebusse auch Kapazitäten von mehr als 600 kWh, um so Reichweiten von etwa 600 km zu erreichen.[256]
  • Nutzung einer vergleichsweise geringen Akkugröße: Vorteile sind das reduzierte Fahrzeuggewicht und auch sehr viel geringere Anschaffungskosten. Dieses Konzept setzt jedoch eine engmaschige leistungsfähige Ladeinfrastruktur zum Beispiel auf Parkplätzen voraus (s. Stromtankstelle). Die Akkus selbst werden im Betrieb stark belastet und verschleißen somit schneller. Beispiele hierfür sind der Streetscooter, Renault Twizy, e.GO Life.

Temperaturabhängigkeit von Akkusystemen

Allen Akkusystemen ist gemein, dass sich bei tieferen Temperaturen (unterhalb ca. 10 °C) die Leistungsabgabe verringert, da die Beweglichkeit der Ladungsträger abnimmt. Einige Akkumulatorensysteme (NiMh, Lithium-Polymer) können unterhalb von ca. −20 °C einfrieren. Die entnehmbare Kapazität wird von der Temperatur jedoch kaum beeinflusst, wenn die geringere Strombelastbarkeit technisch berücksichtigt wird, in dem das BMS die Leistungsabgabe und den Motorstrom begrenzt. Durch die inneren Verluste erwärmt sich die Traktionsbatterie im Betrieb. Hohe Temperaturen hingegen (oberhalb ca. 30 °C) begünstigen durch die Beweglichkeit der Ladungsträger zwar die Leistungsabgabe, sind aber ungünstig für die inneren Verluste und die kalendarische Alterung. Um derartige Einschränkungen zu vermeiden, temperieren einige Hersteller ihre Akkusysteme. Dies kann eine Heizung für kalte Jahreszeiten beinhalten, aber auch eine Kühlung. Oft kommen elektrische Heizmatten und Luftkühlungen zum Einsatz. Einige Hersteller nutzen auch Flüssigkeiten als Heiz- bzw. Kühlmedium.[257]

Eine Ausnahme sind Hochtemperatursysteme (zum Beispiel Zebra-Batterie), die zwar von äußeren Temperaturen unabhängig sind, jedoch zusätzlich Energie für ihre Temperaturerhaltung benötigen.

Haltbarkeit der Akkusysteme

Hotzenblitz-Traktionsbatterie (180 V) aus 56 einzelnen Zellen Thunder Sky LPF60AH, Batteriemanagementsystem-Modul für jede Einzelzelle und Busverkabelung

Grundsätzlich werden bei der Alterung zwei verschiedene Aspekte unterschieden. Die Kalendarische Alterung beschreibt die Kapazitätsabnahme (Degradation) auch ohne Nutzung, beschleunigt oft durch ungünstige Temperaturen. Die Zyklenhaltbarkeit hingegen ist abhängig von der Anzahl der Lade- und Entladezyklen bis zum Eintreten einer definierten Kapazitätsverringerung gegenüber der Ausgangskapazität. Auch Ladeverfahren und Ladestromstärken und natürlich der Akkutyp selbst sind Einflussgrößen.

Neue Modelle von Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind schnellladefähig ausgelegt. Dabei ist eine Aufladung mit Ladeleistungen über 1 C gemeint, was Ladezeiten von weniger als einer Stunde erlaubt. Für moderne Akkusysteme spezifizieren die Hersteller meist eine Normalladung von 0,5 C bis 1 C (eine 100-Ah-Zelle[258] kann mit Strömen von 50–100 A normal geladen werden).

Lediglich bei 0,01 Prozent des Modells Nissan Leaf, (3 von 33.000 in Europa verkauften Exemplaren), musste die Batterie ausgetauscht werden.[259]

Eine Studie[260][261] von Plug in America unter 126 Fahrern des Tesla Roadsters (entspricht etwa 5 % der verkauften Fahrzeuge) bezüglich der Lebensdauer der Akkus ergab, dass nach 100.000 Meilen = 160.000 km bei den Akkus noch eine Restkapazität von 80 bis 85 Prozent vorhanden war. Der geringe Verschleiß wird unter anderem auf die Temperaturregulation zwischen 18 °C und 25 °C sowie auf den standardmäßig flachen Ladezyklus (zwischen 90 % und 10 % anstatt den vollen 100 % und 0 %) zurückgeführt.

Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren erreichen nach Herstellerangaben mehr als 5000 Zyklen bei jeweiliger Entladetiefe von 70 %.[262] Bei 300 Ladezyklen pro Jahr, also etwa ein Ladevorgang pro Tag, liegt dies in der Größenordnung, die für ein durchschnittliches Autoleben ausreicht, zumal selten die volle Kapazität ausgenutzt wird und flache Ladezyklen allgemein zu einer längeren Lebensdauer führen. Diese Batterietypen wurden vor allem in China subventioniert und eingesetzt. Aufgrund der viel niedrigeren spezifischen Energiedichte, werden heutzutage eher NMC Akkus (Lithium Nickel Mangan Cobaltoxid) eingesetzt, die dann aber nicht mehr die hohe Zyklenfestigkeit aufweisen.[66]

Bezüglich der Akku-Haltbarkeit gibt zum Beispiel Tesla (für das Model S) acht Jahre Garantie mit unbegrenzter Laufleistung für seine 85-kWh-Akkus.[263] Andere Hersteller versuchen über Akkumietsysteme dem Fahrzeughalter das Risiko eines Akkudefekts oder übermäßigen Verschleißes abzunehmen. Citroën (C-Zero),[264] Peugeot (Ion) und BMW (i3 für 70 % Restkapazität)[265] geben acht Jahre bzw. 100.000 km Garantie.

Batteriemanagementsysteme (BMS)

Für die Akkumulatoren werden Batteriemanagementsysteme (BMS) verwendet, die die „Lade- und Entladesteuerung, Temperaturüberwachung, Reichweitenabschätzung und Diagnose“[266] übernehmen. Die Haltbarkeit hängt wesentlich von den Einsatzbedingungen und der Einhaltung der Betriebsgrenzen ab. Batteriemanagementsysteme inklusive Temperaturmanagement verhindern die schädliche und eventuell sicherheitskritische Überladung oder Tiefentladung der Akkuzellen und kritische Temperaturzustände. Die Überwachung jeder einzelnen Zelle, erlaubt es zu reagieren, bevor es zu einem Ausfall oder der Schädigung weitere Zellen kommt. Statusinformation können für Wartungszwecke auch abgespeichert und im Fehlerfall entsprechende Meldungen an den Fahrer ausgegeben werden.

Kondensatoren

Capabus beim Aufladen in der Haltestelle auf der Expo 2010 in Shanghai

Es gibt seit einigen Jahren Versuche, Kondensatoren und Akkumulatoren zu kombinieren.[267] Der Kondensator übernimmt hierbei die Spitzenlast und schont damit den Akkumulator. Der MAN Lion’s City wird in einer Hybridversion in einer Kleinserie produziert, bei der Kondensatoren eingesetzt werden. In Shanghai/China fahren hingegen experimentelle Busse, die Superkondensatoren als einzigen Speicher für Antriebsenergie verwenden und an den Haltestellen aufladen.[268][269] Doppelschicht-Kondensatoren sind als Energiespeicher dem Akkumulator zwar insbesondere in der Leistungsdichte und praktisch allen Kennwerten außer der Energiedichte weit überlegen. Sie erreichen nur etwa 5 Wh/kg und sind damit etwa um den Faktor zwanzig schlechter als Akkumulatoren. Kondensatoren haben jedoch kaum eine Beschränkung beim Lade- und Entladestrom. Dies ist vor allem beim Nutzbremsen und Anfahren ein Vorteil. Der Wirkungsgrad eines Kondensators beträgt nahezu einhundert Prozent, da keine chemische Umwandlung stattfindet, jedoch gibt es eine ständige Selbstentladung, die typischerweise höher als die von Akkumulatoren ist. Es gibt keine Beschränkung der Anzahl der Ladezyklen. Wegen des anderen Spannungsverlaufes eines Kondensators (exponentielle Entladung bis 0 V) können Akkumulatoren jedoch nicht einfach gegen Kondensatoren getauscht werden – andere Fahrtregler für stark variable und niedrige elektrische Spannungen sind notwendig, da sonst nur ein kleiner Teil der gespeicherten Energie genutzt werden kann.