07.05.2018

Mehr Batteriekapazität, bitte!

Warum das Wettrüsten bei den elektrochemischen Speichern gut ist

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Die elektrische Kompaktklasse erlebt gerade ein Batterie-Wettrennen. Dank mehr Speicherkapazität wächst aber nicht nur die Reichweite. Die einzelnen Zellen werden bei steigender Leistung weniger belastet. Den eigentlichen Gewinn aber hat die Infrastruktur. Eine Überlegung von Christoph M. Schwarzer.

* * *

Die Batteriekapazitäten wachsen wie die Gebote auf einer Auktion: Wer bietet mehr? Es ist keine zwei Jahre her, als Hyundai in Amsterdam den Ioniq electric zur ersten Ausfahrt präsentierte. Mit 28 statt der im Volkswagen e-Golf üblichen 24 Kilowattstunden (kWh). Der Wolfsburger musste 2017 nachlegen: 36 kWh. Und der Weltverkaufsmeister Nissan Leaf liegt heute bei 40 statt der ursprünglichen 24 und später 30 kWh. Auch diese Größe wird binnen Jahresfrist Makulatur sein, denn Nissan wird eine Version mit gut 60 kWh vorstellen. Die Kompaktklasse steht exemplarisch für das Wettrüsten bei den elektrochemischen Speichern. Spätestens 2020 werden hier 50 kWh die neue Mitte und das Mindestmaß sein. Eine Entwicklung, die Vor- und Nachteile hat, aber grundsätzlich gut und richtig ist: Denn mit steigender Batteriekapazität können mehr Anwendungsprofile abgedeckt werden – und die Infrastruktur wird intelligenter genutzt.

Vielleicht war es eine Form des Schönredens, die erste Generation der Batterie-elektrischen Autos als völlig ausreichend darzustellen: Die meisten Fahrten wären ohnehin nur kurz, hieß es, und wer fleißig zwischenlade, könne all Entfernungen abbilden. Bei ehrlicher Betrachtung war jedoch offensichtlich, dass die von den Besitzern als Provokation empfundene Bezeichnung als Zweitwagen schlicht zutreffend war.

Dass mit mehr Kilowattstunden weitere Strecken gefahren werden können, ist eine banale Erkenntnis. Der Nutzen einer größeren Batteriekapazität ist allerdings viel umfassender.

Mehr Kapazität = mehr Leistung, weniger Zellbelastung

Hierzu ist es sinnvoll, sich nochmal an den Aufbau eines Batteriesystems zu erinnern: Es ist die Summe vieler einzelner Zellen. Jede Zelle hat eine eigene Spannung, Kapazität und Leistung. Mehr Zellen haben also eine höhere Leistung für den E-Motor als Abfallprodukt. Das lässt sich schön beim Volkswagen e-Golf nachvollziehen, der mit dem Akku-Upgrade von 85 kW auf 100 kW erstarkte und entsprechend schneller beschleunigt. Beim Nissan Leaf – aktuell mit 110 kW zu haben – wird die abrufbare Spitzenleistung mit der in Kürze erwarteten optionalen Batterie auf 150 kW steigen.

Wenn eine Batterie mehr Leistung abgeben kann, kann sie zugleich auch mehr aufnehmen: Beim Laden und bei der Rekuperation, die also formal vehementer ist und der Verschleiß der Scheibenbremsen in der Folge noch geringer.

Gleichzeitig gilt, dass die Hersteller bei der Auslegung des Batteriesystems auf der sicheren Seite bleiben. Übersetzt: Wenn mehr Zellen zur Verfügung stehen, müssen diese seltener ausgereizt werden. Bei konservativer Ausgestaltung durch zum Beispiel ein kleineres Ladefenster wird die Lebensdauer wachsen.

Den eigentlichen Gewinn aber hat die Infrastruktur.

Mehr Autos in kürzerer Zeit an der DC-Ladesäule

Denn mit dem Plus bei der Batteriekapazität steigt automatisch die potenzielle Ladeleistung. 50 kW maximale Gleichstrom-Ladeleistung, die darüber hinaus nur vorübergehend erreichbar sind, werden schon bald als nicht mehr akzeptabel gelten. Auf Basis der üblichen rund 400 Volt Spannung dürften in der Kompaktklasse zeitnah circa 70 bis 100 kW drin sein. Und in die Zukunft gedacht wird mit einer höheren Spannungsebene und noch mehr Kapazität eine Zahl von 200 kW keine Illusion sein – wohlgemerkt nicht in einem luxuriösen Porsche Mission E, sondern bei den Durchschnittsautos.

Jobmarkt für Elektromobilität

Wahrscheinlich arbeiten die Hersteller für die meisten Fahrzeugklassen darum an flüssigkeitsgekühlten Batteriesystemen. Diese können hohe Ladeleistungen über einen längeren Zeitraum halten. In der Folge wären nicht nur Phänomene wie #Rapidgate beim Nissan Leaf Vergangenheit. Relevanter ist, dass die kommende Zellchemie mit höherem Nickel- und geringerem Kobaltanteil thermisch kritischer ist und kontrollierter temperiert werden muss.

Höhere Ladeleistungen als Ergebnis gestiegener Batteriekapazitäten schlagen sich in kürzeren Standzeiten an DC-Säulen nieder. In der gleichen Zeit kann also mehr Strom verkauft werden – die Auslastung wächst, der Fahrzeugumsatz auch, und für die Betreiber nähert sich der Tag, an dem die DC-Standorte einen Business Case haben. Außerdem muss die Zahl der DC-Ladepunkte nicht ins Unendliche steigen.

Netzdienliches AC-Laden muss kommen

Dieser Faktor ist genauso wesentlich wie die gleichzeitige Entlastung im AC-Bereich. Wenn der Autofahrer keine Sorge haben muss, am nächsten Tag genug Reichweite zu haben, kann in Zukunft konsequent netzdienlich geladen werden. Auf ein paar Kilowattstunden kommt es nicht an. Leider steht die Branche der Elektromobilität hier noch am Anfang. Die Vision ist dennoch offensichtlich: Für weite Strecken wird immer schneller DC geladen. Für alle anderen muss das AC-Laden immer mehr der realen Stromproduktion angepasst werden. Beides ist leichter möglich, wenn die Batteriekapazität steigt.

Die Vorteile für Praxistauglichkeit und Infrastruktur wiegen schwer.

Nachteile gibt es trotzdem. Denn eine sehr große Zahl von Pkw und Nutzfahrzeugen mit deutlich größeren Batterien erzeugt einen enormen Materialbedarf. Die Weiterverwertungs- und Recyclingsysteme sind bisher lediglich im Aufbau und noch nicht etabliert. Das muss sich mittelfristig ändern, und hier ist auch der Gesetzgeber gefragt.

Welches Format in welchem Fahrzeugsegment?

Die Hersteller wiederum müssen genau abwägen, welche Größenordnung richtig ist. Ein Smart EQ Fortwo etwa wird weiterhin mit relativ wenig Kilowattstunden durch die Ballungsräume kommen. Ein Volkswagen I.D. dagegen wird von vielen Kunden mit den Erwartungen an ein Standardauto verglichen werden – wie viel darf die Zelle dann kosten?

Aus Ressourcensicht lässt sich das Wachstum der Batteriekapazitäten durchaus kritisch bewerten. Wer jedoch glaubt, durch freiwillige Selbstbeschränkung und Bescheidenheit beim Käufer punkten zu können, irrt sich. Das Mehr wird kommen.




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14 Kommentare zu “Mehr Batteriekapazität, bitte!

  1. Ich muss den anderen Kommentatoren widersprechen. Es ist absolut Weltfremd, Zurückhaltung von Konsumenten und Herstellern zu fordern.
    Man sehe sich nur den Verbrennermarkt an. Welcher Autokäufer – auch in der Kompaktklasse – braucht denn wie oft seine volle Motorleistung?
    Beim PKW geht es eben auch sehr viel um Convenience und zumdem ist es ein hochemotionales Produkt.
    Ein guter Indikator dafür wird vielleicht der e.go life sein, man wird sehen, wie oft welche Ausstattung sich verkauft.

  2. Alternator gut zum Stromladen und auch bei der Meinung bei diesem Thema.Bis auf seine Fehlinfo bezüglich Wasserstoff.Der wird nie auf einen grünen Zweig kommen wegen zu schlechtem Wirkungsgrad und zu grossem Bauaufwand in einem PKW. Dies weiss Toyota und MB bestens. Der Mirai ist viel zu teuer und MB hat den F-Zell praktisch nur noch als Augenwischerei in der Hinterhand. Tayota hält ihn nur noch um ein paar ganz fanatische Kunden nicht zu verlieren. Transport und Abfüllung dieser hochverdichteten Stahlflaschen ist aufwendig und gefährlich. Obwohl dieses System so sauber wäre wie E Mobilität aus der Batterie, hat es aus preislichen Gründen nicht mehr Chancen als der Gasbetrieb der im Fernen Osten bei den Taxifahrern gang und gebe ist. Beim Auftanken halte ich mich aber stets vom Auto entfernt………

  3. Die meisten Autonutzer werden 80% ihrer Strecken unter 100 km fahren. Dazu reicht eine 25 kWh Batterie völlig aus. Wegen der verbleibenden 20% eine 80 kWh Batterie einzubauen erscheint mir nicht vernünftig. Kosten, großer Bauraum und Masse sowie hoher Ressourcenbedarf sprechen dagegen.
    Warum keinen Rangeextender für die mittlere Fahrleistung auf großen Strecken? Idealer Weise als 25 kW Brennstoffzelle!
    Damit werden neben den großen Batterien auch die Superlader mit all ihren Problemen vermieden. Das Tanken geht wie gewohnt schnell und Wasserstoff ist ein interessanter Baustein in der Energiewende.

  4. Vomer und Stefan haben vollkommen Recht !
    Wirtschaftlichere Antriebsstränge mit gemässigter Kraftentfaltung ergeben mehr Reichweite und geringeren KW Bedarf/100Km, als Kisten die in 5 Sekunden auf 100 sind.Die Energiewende sucht jetzt schleunigst Brauchbares für den Massenmarkt und nicht Boliden für die oberen 10 000.
    Die jungen Startuper werden denen zeigen wies geht…………

  5. Ich halte von den steigenden Kapazitäten auch nicht viel, denn die Automobilhersteller laufen Gefahr den gleichen Fehler wieder zu machen:
    Das Auto ist sauber, also ist der Energieverbrauch zweitrangig.
    Der Jaguar I-Pace ist dafür ein gutes Beispiel:
    90 kWh (!) Batterie, vergleichsweise hoher cw-Wert von 0,29, dabei nur 480 km Reichweite bzw. 21,2 kWh/100 km, und das im WLTP Zyklus!

    Nicht die Akkukapazität ist für die Reichweite entscheident, sondern vor allem der Strombedarf pro km.
    Mehr als 60 kWh Kapazität sollten es daher in der Kompakt/Mittelklasse nicht sein, in der Oberklasse sollte die Grenze bei 100 kWh gezogen werden…zumindest solange man weiterhin auf problematische Ressourcen angewiesen ist.
    Bevor also diese Grenzen überschritten werden, sollten zuerst alle anderen Effizienzmaßnahmen maximal ausgeschöpft werden, um den Stromverbrauch pro km zu senken (z. B. effizienter Motor/Antriebsstrang, niedriger cw-Wert, Wärmepumpen, Temperaturmanagement, LED, Verlustvermeidung, Bereifung etc.).

    • ich verstehe ihren Ansatz und sehe es ähnlich wie damals bei den Heimcomputern:
      Man musste mit dem verfügbaren RAM das System voll ausrzeizen.

      Wenn wir inflationär mit der Batteriekapazität umgehen, wird man nur langsame Entwicklungen im Bereich der Effektivität – also dem maximalen Ergebnis aus minimalen Einsatz – sehen

  6. Meine Prognose für die durchschnittliche Batteriekapazität bei Neuwagen in 10 Jahren: ca. 110 kWh
    Zusammengesetzt aus ca. 10 Mio Autos für autonomes Carsharing mit ca. 70 kWh Akku (ausreichend für einen Tag Betrieb und 10 Jahre Lebensdauer) und ca. 10 Mio Besitzautos mit ca. 150 kWh Akku (ausreichend für die 1000km-am-Stück-Fraktion). Und im Interesse unserer Umwelt sollten die Besitzautokäufer für ihre zurückgelegten km ca. 5mal so viel zahlen wie die Mobility-on-demand-Nutzer.

  7. Zweitwagen wird hier etwas negativ dargestellt. Das Problem bisher ist nur der Preis. Dazu habe ich bereits vor 4 Jahren den E-Up mit seinem Benzinbruder verglichen. Anschaffungspreis Benziner ~11.000€, für den elektrischen wollte (und will) der VW-Konzern ~25.000€ haben. Wenn man mal davon ausgeht, dass ein elektrischer Antriebsstrang nicht mehr kostet als einer mit Verbrennungsmotor (und das sollte bei Serienproduktion in vernünftiger Stückzahl so sein) und zudem noch die Batteriepreise von Tesla vor 4 Jahren nimmt, dann dürfte der E-Up nur 15.000€ kosten. Diese Mehrkosten würde er nach 70.000 km wieder hereingespielt haben. Und damit wäre das Kundeninteresse wohl enorm – es gäbe keinen Grund mehr, den Zweitwagen nichtelektrisch zu nehmen. Damit wären aber bereits rund 25% des Marktes elektrisch – aber das will man wohl bei VW gar nicht; soll ja frühestens 2025 so weit sein.

  8. Weniger Kapazität bitte, oder zumindest eine wählbare Kapazität und eine wählbare Ladegerätleistung! Wie beim Autoquartett überbieten sich die Hersteller derzeit mit Akkukapazität und Motorleistung. Mit größerem Akku wird meist auch mehr Motorleistung und mehr Beschleunigung angeboten. Die Zellbelasung sinkt also nur unwesentlich, die Probleme bei Nissan zeigen sich schon. Dagegen lassen sich derart große Akkus nicht mehr sinnvoll mit 2,4 oder 3,6 kW laden. Statt zwei Autos mit 24kWh zu liefern wird nur noch ein Auto mit 40+ kWh geliefert, mit Wartezeiten von über 12 Monaten. Zudem bieten nur wenige Hersteller wenigstens dreiphasiges Laden mit 11 kW an, was bei großen Akkus, die nicht jeden Tag geladen werden, nötig wäre.
    Mit 3,6 kW ließen sich tagsüber während der Arbeitszeit 160 km Reichweite nachladen, ebenso in der Nacht. Auch die Autos mit großen Akkus stehen über 22 Stunden am Tag nur irgendwo herum und könnten laden. Große Akkus und Hochleistungsladen werden nur an wenigen Tagen im Jahr (!!) gebraucht. Das Imponiergehabe mit großen Akkus, mehr Motorleistung und mehr Beschleunigung macht keinen Sinn, belastet die Netze, verkürzt die Akkulebensdauer und verzögert die Auslieferung in die breite Masse.

    • Die hohe Spitzenleistung belastet den Akku nur kurzfristig. Das ist kein großes Drama. Der große Vorteile ist, dass die Durchschnittsleistung etwa gleich bleibt und somit sich besser verteilt. Dadurch sinken die Verluste in der Batterie.
      Mehr Motorleistung hat noch einen Weiteren Vorteil: eine höherer Teillastwirkungsgrad. Im Gegensatz zu Verbrennern wird bei E-Maschinen der Teillastwirkungsgrad nämlich besser, je überdimensionierter die Maschine ist.
      Insgesammt wird also sowohl der Wirkungsgrad des Antriebs, als auch der Wirkungsgrad des Speichers besser. Die Netze werden also sogar entlastet.

      • Im Großen und Ganzen korrekt nur das mit dem Teillastwirkungsgrad möchte ich als E-Maschinenbauer etwas gerade rücken. Auslegungstechnisch sind die Motoren i.d.R. auf 75% Last optimiert (Industriemotoren). Der 50 und 100%_Lastpunkt weichen davon auch nur wenig ab. Der 25% Lastzustandspunkt ist dann gerade noch akzeptabel und darunter geht es dann in den „Keller“ (von dem Verbrenner aber noch träumen könnten). Das Dilemma der zu großen Überdimensionierung wäre aber letzten Endes das Gleiche wie beim Verbrenner. In der Stadt fahre ich mit 5-10kW umher, auf der Autobahn mit 20-60kW und habe aber eine 200kW Maschine installiert. Das tut in Bezug auf Erregung und Ausnutzung der Maschine wieder nicht sehr gut. Es ist halt für das Marketing und die Konstrukteure verfürerisch hier „aufzubohren“. Oder wie der Dichter weiß: „Mit vollen Hosen ist gut stinken…“

  9. Hätte es anders formuliert. Die Akkuabnutzung steigt zieml. mit dem C-Faktor, zumindest ab einem gewissen C-Faktor.
    C-Faktor = Ladeleistung * h / Kapazität
    Sprich 44kW Ladeleistung bei 22kWh Akku = 2C. Und das ist rel. viel für einen Akku.

    Beim Laden hätte man auch noch dazuschreiben können, dass die Schnellladung nur bis 70-80% geht weil sonst der Akku zu sehr geschädigt werden würde. Wenn man auf die restl. 30-20% verzichten kann, kann man entspr. schneller weiterfahren.

    notting

    • Batterien über 50 KW sind für die Luxusklasse und nicht für den Massenmarkt. Allein schon vom Preis her. Durch den Preis- und Gewichtsanstieg ab eimer bestimmten Grösse ist es vorteilhafter einen Hybrid zu bauen.Dies ist bei Toyota schon lange stand der Technik.Das sehr schnelle DC-Lade ist nicht besonders batteriefreundlich.Wenn ich mein Auto tagsüber bei bedecktem Himmel von der eigenen Fotovoltaikanlage lade ist langsames laden angesagt, sonst nimmt der SMART- Zähler noch teuren Tagstrom dazu.

Gefunden bei electrive.net
https://www.electrive.net/2018/05/07/mehr-batteriekapazitaet-bitte/
07.05.2018 20:29