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Donnerstag, 17. Juni 2021

Machen Elektroautos Sinn

Kreis Holzminden (02.02.2021). Mobilität ist ein hohes Gut. Wir fahren mit dem Auto zur Arbeit, besuchen Freunde oder fahren zum Supermarkt. Lebensmittel, Güter, Maschinen werden mit Autos zum Bestimmungsort transportiert. Auf der einen Seite ermöglicht uns der Individualverkehr ein früher ungeahntes Maß an persönlicher Freiheit. Unser Wohlstand und unsere gesamte Lebensweise würden ohne Verkehr zusammenbrechen. Auf der anderen Seite befördert die mit dem Autofahren verbundene Freisetzung von Kohlendioxid den Klimawandel.

Mittlerweile bestehen aus wissenschaftlicher Sicht keine ernstzunehmenden Zweifel mehr, dass der Klimawandel real und menschengemacht ist. Als eine Maßnahme sollen daher die Autos mit Verbrennungsmotor, die Benzin, Diesel oder Erdgas als Treibstoff einsetzen, durch Autos mit Akkumulatoren oder Wasserstoff-Brennstoffzellen ersetzt werden. So plant der VW-Konzern, bis 2025 ein Viertel des Absatzes an Autos als Elektrofahrzeuge zu verkaufen. In den kommenden fünf Jahren will der Konzern 73 Milliarden Euro in die Zukunftsthemen Elektromobilität, Hybridtechnik und Digitalisierung investieren (TAH vom 14. November 2020). Die Bundesregierung fördert zudem den Wandel zu Elektroautos großzügig mit bis zu 6.000 Euro pro Fahrzeug.

Die Strahlung der Sonne versorgt uns mit einem zuverlässigen und umweltfreundlichen Strom von Energie, den wir über Photovoltaik, Wind, Wärme und Biogas nutzen können. Die Sonnenenergie wird dabei in Elektrizität umgewandelt. Aktuell werden 53 Prozent des Stroms in Deutschland umweltfreundlich hergestellt. Das Hauptproblem der Energiewende ist allerdings die Tatsache, dass der Strom nur sehr unregelmäßig anfällt und sich nur in geringem Umfang speichern lässt. Daher soll mit regenerativ erzeugtem Strom, der nicht sofort verbraucht werden kann, per Elektrolyse Wasserstoff aus Wasser hergestellt werden. Wasserstoff kann man speichern, transportieren und bei Bedarf wieder zurück in Strom verwandeln oder mit anderen Stoffen zu nützlichen Verbindungen reagieren lassen (siehe auch TAH-Exklusiv vom 17. August 2020).

Bei einer Elektrolyse wird durch elektrischen Strom eine chemische Umwandlung bewirkt. Durch den Stromfluss wird das Wasser in seine Bestandteile, Wasserstoff und Sauerstoff, zerlegt, die an den beiden Elektroden als Gas ausperlen.

Der Wasserstoff ist dann klimafreundlich („grün“), wenn der Strom aus regenerativen Quellen wie Sonne, Wind oder Biomasse stammt. Die Apparate zur Wasserspaltung nennt man Elektrolyseure. Sie sind Stand der Technik und werden auch für andere chemische Umwandlungen verwendet.

In einer Brennstoffzelle läuft der umgekehrte Prozess zur Elektrolyse ab. Durch Zugabe von Wasserstoff und Sauerstoff beziehungsweise. Luft in einen Elektrolyten (leitfähige Flüssigkeit) mit einer teildurchlässigen Membran wird Strom erzeugt, der dann einen Elektromotor und damit ein Auto antreiben kann.

An der mit Platin beschichteten Anode spalten sich die Wasserstoffatome in Protonen und Elektronen auf. Die Protonen (Wasserstoffkerne) wandern durch die nur für sie durchlässige Membran zur Kathodenseite, wo sie mit den Sauerstoffatomen zu Wasser reagieren. Die abgespaltenen Elektronen des Wasserstoffes müssen den äußeren Weg über den Verbraucher nehmen. Hier leisten sie Arbeit, indem sie beispielsweise einen Motor antreiben. Bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht Wärme, die abgeführt werden muss. Die pro Zelle generierte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 V, praktisch in der Größenordnung von 1 V. Zum Antrieb eines leistungsfähigen Motors braucht man aber viel höhere Spannungen. Es werden deshalb einige hundert Zellen zu sogenannten Stacks in Reihe geschaltet. Da man den Wasserstoff in einem Drucktank mitnehmen kann, entspricht die Reichweite von Elektroautos mit Brennstoffzelle denen der heutigen Autos mit Verbrennungsmotor. Auch das Tanken geht fix, nur der sicherheitstechnische Aufwand ist wesentlich höher. Die Technik ist zwar aufwendig, jedoch beherrschbar.

Auch der Aufwand unter der Motorhaube ist nicht unerheblich.

Aus dem Wasserstoff muss zuerst Strom gewonnen werden, der dann den Elektromotor antreibt. Eine Batterie, einen massiven Druckspeichertank und eine intelligente Elektronik braucht das Auto auch.

In Akkumulatoren wird elektrische Energie als chemische Energie gespeichert. Dies gelingt zurzeit am besten mit Lithium-Ionen-Akkus. Sie können vergleichsweise relativ viel elektrische Energie speichern; sie haben keinen Memoryeffekt, das heißt, sie brauchen keinen speziellen Ladezyklus: sie sind empfindlich gegen Über- und Tiefentladung; sie halten für 500 bis 1.000 Ladezyklen; eine Zelle hat eine Betriebsspannung von 3,6 V.

Heutige Akkus speichern etwa 180 Wh pro kg Akkugewicht. Das bedeutet, dass ein Akku mit einem Gewicht von einem Kilogramm ein Gerät mit einer Leistungsaufnahme von 180 W für die Dauer von einer Stunde betreiben kann.

Im Elektroauto sind viele Einzelzellen zu Paketen zusammengeschaltet. Je nach Leistungsanforderung verschiedener Autotypen bieten sie dann eine Betriebsspannung von 400 V (VW ID.3) bis 800 V (Porsche Taycan). Zum Antrieb des Elektromotors wird die Gleichspannung des Akkus mit einem Wechselrichter in Drehstrom umgewandelt. Der Drehstrom treibt einen Synchron-Elektromotor an, dessen Drehzahl von der variablen Frequenz des Wechselstromes abhängt. Die Leistungselektronik des Autos passt die Frequenz und die dem Akku entnommene Leistung an die gewünschten Fahrbedingungen des Autos an. Die Akkus sind schwer, der Akku im Tesla Model 3 wiegt knapp 500 kg, der im VW ID.3 je nach Modell und Reichweite zwischen 300 und 500 kg. Bei einem Gesamtgewicht von 1.500 kg ist das schon ein erheblicher Anteil.

Die Kapazität beträgt zwischen 40 und 100 kWh. Je nach Gewicht und Fahrweise sind damit etwa 200 bis 500 km Reichweite möglich. Mit zunehmendem Alter sinkt die Kapazität auf etwa 80 Prozent des Ausgangswertes. Schonendes Aufladen und Betrieb bei mittlerem Ladezustand verlängern die Lebensdauer. Das lohnt sich, denn der Akku ist das teuerste Teil im Auto, er kostet je nach Größe zwischen 5.000 und 20.000 Euro.

Ganz unproblematisch sind die Herstellung und auch die Entsorgung nicht. Für die Elektroden werden Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt und Graphit benötigt. 60 Prozent des benötigten Kobalts stammen aus der Demokratischen Republik Kongo und werden dort unter teils fragwürdigen Bedingungen gewonnen. Die Entwicklung zu besseren Akkus ist allerdings so dynamisch, dass man hoffen kann, in Zukunft mit weniger oder anderen Rohstoffen auskommen zu können. Auch die Preise sind in stetem Sinkflug begriffen, gleichzeitig nimmt die Reichweite zu. Ausgemusterte Akkus aus E-Autos können zudem auch noch ein zweites Leben als Stromspeicher in Häusern haben. Der über Photovoltaik gewonnene Strom vom eigenen Dach wird im Keller gespeichert und selbst verbraucht. Mit einer Restkapazität von 50 kWh kann sich ein durchschnittlicher Haushalt immerhin für etwa fünf Tage mit Strom versorgen.

Ein großes Manko für Wasserstoff/Brennstoffzellen-Autos ist die noch fehlende Infrastruktur. Es gibt aktuell weder ausreichend Kapazitäten zur Erzeugung von grünem Wasserstoff noch eine auch nur annähernd ausreichende Anzahl von Tankstellen. Ein Kilogramm Wasserstoff kostet 9,50 Euro. Für 100 km braucht man aber nur 0,7 kg, also knapp 7 Euro. Allerdings ist die Anschaffung von Autos mit Brennstoffzelle sehr teuer.

Im Gegensatz zum Wasserstofffahrzeug ist ein wesentlicher Teil der Infrastruktur für Voll-Stromer schon vorhanden. Die meisten Elektroautos mit Akku werden zu Hause oder während der Arbeit geladen. Wer daher nur Kurzstrecken in seinem näheren Umfeld fährt, benötigt nur einen Ladepunkt in der eigenen Garage oder auf dem Firmenparkplatz. Das Ladenetz für längere Fahrten ist erst im Aufbau begriffen. Es gibt aber schon so viele Tankstellen, dass auch längere Strecken mit entsprechender Planung möglich sind. 

Die Betriebskosten sind günstig. Für 100 km benötigt man etwa 20 kWh. Aktuell kostet die kWh zu Hause um die 30 Cent, so dass Verbrauchskosten von 6 Euro pro 100 km entstehen. An der Autobahn zahlt man deutlich mehr, allerdings werden die Marktkräfte hier sicher zu einer Bereinigung von Auswüchsen (bis 70 Ct/kWh) führen. Auch die Kosten für die Lithium-Ionen-Akkus selbst werden wahrscheinlich noch deutlich sinken.

Bis die regenerativ erzeugte Energie von Sonne, Wind oder Biogas am Autoreifen ankommt, muss noch ein großes Rad gedreht werden. Nacheinander muss eine ganze Kette von einzelnen Prozessen durchlaufen werden.

Für das Elektroauto mit Brennstoffzelle ist diese Prozesskette sehr lang: Grüner Strom – Elektrolyse zu grünem Wasserstoff – Wasserstofftransport – Tanken –  Brennstoffzelle – Strom – Motor – Bewegung. Für ein Elektroauto mit Akku ist diese kürzer: Grüner Strom – Leitungstransport – Aufladen – Entladen – Motor – Bewegung.

Bei jeder Energieumwandlung gibt es Verluste, die durch einen Wirkungsgrad charakterisiert werden. Je geringer der Wirkungsgrad ist, desto höher sind diese Verluste. Bei einem Auto mit Brennstoffzelle wird Strom in Wasserstoff und dieser im Fahrzeug wieder zu Strom zurückverwandelt. Diese beiden Umwandlungen haben einen schlechten Wirkungsgrad. Bei einem Auto mit Akku wird Strom nur im Akku gespeichert und wieder entnommen, beide Prozesse haben einen guten Wirkungsgrad. Insgesamt landet das Auto mit Akku bei einem Wirkungsgrad von 60 Prozent, das Auto mit Brennstoffzelle bei 20 Prozent. Elektroautos mit Lithium-Ionen-Akkus nutzen also den grünen Strom wesentlich besser aus. Für die gleiche Strecke benötigt das Wasserstoffauto rund dreimal mehr regenerativen Strom und ist zudem auch noch in der Anschaffung  deutlich teurer. Es verwundert daher nicht, dass die Mehrheit der Autohersteller auf das Elektroauto mit Akku setzen.

Die schlechte Energiebilanz des Brennstoffzellenautos wird auch nicht durch die Vorteile wie höhere Reichweite und kurze Tankzeit ausgeglichen. Im laufenden Betrieb nutzen Elektroautos Strom, der heute zu 53 Prozent aus regenerativen Quellen stammt. Die restlichen 47 Prozent stammen aus Kraftwerken, die Strom aus fossilen Quellen oder Atomstrom nutzen, dessen Produktion in Deutschland im Jahr 2022 auslaufen wird. Berücksichtigt man noch die Herstellung des Autos, bei der auch CO2 freigesetzt wird, so ergibt sich im Vergleich zu Verbrennern ein Vorteil trotz der CO2-aufwändigen Batterie. Experten des ADAC haben ausgerechnet, dass ein „Stromer“ einen „Verbrenner“ nach 50.000 bis 100.000 km Fahrleistung in der Umweltbilanz überholt hat. Das ist schon ein deutlicher Fortschritt, insbesondere da sich der Anteil aus Grünstrom laufend erhöhen wird.

Je größer und schwerer ein Fahrzeug wird, desto größer, schwerer und auch teurer wird die Batterie. Ein Flugzeug könnte wegen des Akkugewichtes gar nicht mehr abheben. Auch für große Lkw und erst recht Schiffe sind Akkus weniger geeignet. Hier eröffnet allerdings die Chemie einen Ausweg. Wasserstoff kann mit dem schädlichen Kohlendioxid zur Reaktion gebracht werden. Man kann auf diese Weise synthetische Treibstoffe erzeugen. Das Kohlendioxid fällt beispielsweise in großen Mengen bei der Zementherstellung und in geringerem Umfang in Biogasanlagen an. Da der Wasserstoff aus grünem Strom erzeugt wird, nennt man den Prozess zu den so gewonnenen Treibstoffen „Power to Liquid, (PtL)“. Man kann auch viele andere Rohstoffe für die Chemieindustrie auf diese Weise gewinnen, die Prozesse heißen dann „Power to X, (PtX)“. Der Wirkungsgrad dieser Prozesse von etwa zehn Prozent ist allerdings erschreckend schlecht.

Zum jetzigen Zeitpunkt lässt sich nur schwer abschätzen, ob durch Skaleneffekte und technische Verbesserungen Schwerlast-, Schiffs- und Flugverkehr je wieder zu den heutigen Kosten möglich sein werden. Für den Schwerlastverkehr gibt es immerhin die Möglichkeit, teilweise auf die bereits weitgehend elektrifizierte Bahn auszuweichen. Auch der Lkw-Verkehr kann in Grenzen über Oberleitungen mit Strom versorgt werden. Zwei erste Versuchsstrecken auf der A1 und der A5 gibt es bereits. 

Dies ist beim Schiffsverkehr nicht möglich. Hier müssen entweder Wasserstoff in Drucktanks oder synthetische Treibstoffe an Bord mitgenommen werden. Die schlechten Wirkungsgrade müssen wir in Kauf nehmen. Ein Antrieb mit Akkus kommt nur für kurze Reichweiten wie bei Fähren auf Flüssen in Frage.

Ausblick

Trotz der begrenzten Reichweite und der erforderlichen Ladezeiten stellen Elektroautos, die mit Lithium-Ionen-Akkus angetrieben werden, auch heute schon eine gute Wahl dar. Mit dem Potenzial der deutschen Hersteller wird dem Vorreiter Tesla mit hoher Wahrscheinlichkeit Paroli geboten werden können.

Obwohl unser Strom aktuell nur zu gut 50 Prozent aus regenerativen Quellen stammt, reduzieren E-Autos die Emission von klimaschädlichem Kohlendioxid deutlich. Wegen des deutlich besseren Wirkungsgrades und der besseren Infrastruktur sind sie Autos mit Wasserstoff/Brennstoffzellen-Antrieb überlegen. Die Betriebskosten sind geringer als bei konventionellen Autos mit Verbrennungsmotor.

Die teilweise problematische Verwendung der Rohstoffe für die Akkus, zum Beispiel Kobalt, wird durch die technische Entwicklung abgemildert werden. Ebenso sind ein weiterer Anstieg der Reichweiten und ein Sinken der Preise zu erwarten.

Die Akku-Technik lässt sich allerdings wegen des hohen Gewichtes der Akkus nicht auf den Schwerlast-, den Schiffs- und den Flugverkehr übertragen. In diesen Fällen muss auf Wasserstoff/Brennstoffzellen-Antriebe oder synthetische Kraftstoffe (Power to X) gesetzt werden, wobei ein schlechter Wirkungsgrad in Kauf genommen werden muss.

Wir befinden uns erst am Anfang einer spannenden Entwicklung. Der eingeschlagene Weg ist weit, aber begehbar – wenn ausreichend grüner Strom zur Verfügung steht. Dann kann man auch mit schlechten Wirkungsgraden leben. Die Lösung für eine ausreichende Versorgung besteht in riesigen Solarparks in Nordafrika, wo mehr als ausreichend Sonnenenergie zur Verfügung steht. Dort erzeugter Strom und Wasserstoff werden dann nach Europa transportiert. Nicht zuletzt könnten diese Pläne auch zur Entwicklung und zum Wohlstand der Länder Nordafrikas beitragen. (Dr. Norbert Kalkert)

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