Innovation in Strom

Im Jahr 2020 sollten eine Million Elektroautos auf deutschen Straßen unterwegs sein. Dass das schwierig werden würde, zeichnete sich in den letzten Jahren immer stärker ab und wird nun durch eine Studie der Unternehmensberatung Bain & Company bestätigt: Statt der angestrebten 200 000 Elektroautos und Plug-in-Hybride lag der hiesige Bestand Ende 2015 nur bei etwa 50 000 Fahrzeugen, rund 75 % unter der Zielvorgabe der Politik. „Damit ist das ursprüngliche Ziel nicht mehr zu schaffen“, stellt Klaus Stricker, Leiter der Praxisgruppe Automobil bei Bain & Company, fest. Zahlen lassen sich häufig aber von zwei Seiten betrachten. So bestätigt Matthias Wissmann, Präsident des Verband der Automobilindustrie (VDA), 2015 zwar das derzeit noch überschaubare Marktvolumen der E-Autos, verweist aber auf die hohen Zuwachsraten: 2014 wurden über 13 000 Elektro-Pkw und Plug-in-Hybride zugelassen, eine Steigerung von 70 %. Ein Instrument, das die Elektromobilität weiter nach vorne bringen könne, wäre laut Wissmann die 50-Prozent-Abschreibung im ersten Jahr auf gewerbliche Elektrofahrzeuge. Solche Kaufanreize werden derzeit immer wieder diskutiert, sie hätten schließlich auch Norwegens E-Auto-Anteil auf ein Drittel katapultiert. Dagegen hält Hartmut Rauen, stellvertretender Hauptgeschäftsführer des Verbands Deutscher Maschinen und Anlagenbau (VDMA), eine Förderung am Ende der Kette für den falschen Ansatz. Er sieht eine intensivere Forschungsförderung als wesentlich wichtiger an: „Fördergelder können auf diese Weise eine noch größere Wirkung entfalten, vor allem in Bezug auf die Innovationskraft kleiner und mittelständischer Unternehmen“, sagt Rauen.

Aber schon jetzt passiert einiges in den Labors und Werkstätten. Ein Kernbereich ist dabei der Akku, dennseine Kapazität und damit die Reichweite ist die Achillesferse der aktuell am Markt etablierten E-Autos. Hier wollen die Wissenschaftler am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden Württemberg (ZSW) nachbessern. Sie haben ein neues Kathodenmaterial für Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, das eine bis zu 40 % höhere Energiedichte als bisherige Materialien erreichen soll. Kostengünstiger sei das Material außerdem, es verzichtet auf das teure und seltene Kobalt und nutzt weniger Nickel. Für die künftige Material- und Zellfertigung sucht das ZSW jetzt Entwicklungspartner. Auch der Technologiekonzern 3M will eine ähnliche Leistungssteigerung aus Lithium-Ionen-Batterien herauskitzeln. Hier geht es um den anderen Pol: Ein neuer Anodenwerkstoff werde bereits erfolgreich in der Vorserienproduktion von Akkus für Mobilfunktelefone und Laptops eingesetzt. Automotive OEMs sollen voraussichtlich ab 2020 serienmäßig Fahrzeuge damit ausstatten können. Ebenso ambitioniert geben sich die drei Projektpartner Thyssen Krupp, die IAV GmbH und das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS). Sie entwickeln mit Embatt ein Konzept und darauf abgestimmte Fertigungstechniken für planar aufgebaute, Lithium-basierte Hochleistungsbatterien, die direkt im Chassis des Fahrzeugs integriert werden. „Dadurch sind deutlich kompaktere Energiespeicherlösungen mit Energiedichten von 450 Wattstunden pro Liter und somit Reichweiten von bis zu 1000 Kilometern realisierbar“, erläutert Wolfgang Reimann, Bereichsleiter E-Traktion der IAV GmbH.

Auch Bosch zeigte auf der IAA 2015 erstmals eine neue Batterietechnologie für Elektroautos, die bereits in fünf Jahren serienreif sein soll. Verantwortlich dafür ist das Start-up Seeo, welches Bosch gekauft hat. Technisch wurde die bisher branchenweit eingesetzte feuergefährliche Elektrolyt-Flüssigkeit durch feste Polymere ersetzt, was die neuen Zellen wesentlich sicherer machen soll. Mit den neuen Festkörperzellen soll die Energiedichte bis 2020 mehr als verdoppelt werden und die Kosten deutlich sinken. Diesen Trend sieht auch die oben genannte Bain-Analyse, wonach Li-Ionen-Batteriesysteme bis zum Jahr 2018 auf unter 150 Euro/kWh fallen werden. Zum Vergleich: 2009 kostete eine Kilowattstunde Akkukapazität noch etwa 600 Euro, heute liegt man schon bei etwa 250 Euro/kWh.

Noch in der Grundlagenforschung befinden sich die Nachfolger der aktuell bewährten Technik: Lithium-Schwefel-Akkus sollen das zwei- bis dreifache an Leistung bringen, mit verwertbaren Ergebnissen rechnet man aber erst 2020, im Markt wären sie damit frühestens im Jahr 2025. Die Lithium-Luft-Technik verspricht sogar ein sieben- bis zehnfaches Verbesserungspotenzial, handfeste Ergebnisse erwarten die Forscher aber frühestens 2030.

Ein wunder Punkt der Akkus ist ihre Alterung. Bisher war darüber nur wenig bekannt, Wissenschaftler der Technischen Universität München wollen die Ursachen nun ein Stück weit verstanden haben: Das aktive Lithium in der Zelle wird durch Nebenreaktionen nach und nach verbraucht und steht damit nicht mehr zur Verfügung. Der Prozess ist stark temperaturabhängig: Bei 25 ºC sei die Wirkung noch relativ gering, werde ab 60 ºC aber recht hoch. Beim Laden und Entladen der Zellen bei erhöhter Ladespannung kommt es außerdem zu einem starken Anwachsen des Zellwiderstandes. Die auf der Anode abgeschiedenen Übergangsmetalle erhöhen die Leitfähigkeit der Passivierungsschicht für Elektronen und zersetzen so den Elektrolyten verstärkt. Laut TU München fanden die Batteriehersteller nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum bereits gute Verhältnisse von Elektrodenmaterial und Lithiummenge. „Mit den von uns gewonnenen Erkenntnissen lassen sich nun die Einzelprozesse gezielt weiter verbessern“, ergänzt Irmgard Buchberger, Doktorandin am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie der TU München.

Was die aktuellen Forschungsprojekte gemeinsam zeigen: Es wird vorerst beim Rohstoff Lithium bleiben. Da dieser aber nicht wie Öl oder Gold an der Börse gehandelt wird, ist eine Preisentwicklung von außen nur schwer abzulesen. Die Käufer verhandeln hier direkt mit den Minen, ausgehandelte Konditionen dringen dabei nur selten nach außen. Nach Daten der Deutschen Rohstoffagentur (Dera) hat sich der Lithium-Preis seit der Jahrtausendwende auf etwa 6000 US-Dollar pro Tonne verdreifacht. Schon ohne die derzeit noch im Bau befindliche Akku-Megafabrik von Elan Musk (Tesla) kann die Nachfrage nicht gedeckt werden. Die schwärzesten Vorhersagen sehen die verfügbaren Quellen bis 2050 versiegen. Bereits 2009 warnte das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI), dass nicht nur Lithium betroffen sein könnte, auch Kobalt, Kupfer, Indium oder Neodym könnten problematisch werden.

Aber brauchen wir in 30 Jahren überhaupt noch Lithium? Gut möglich, dass bis zum Engpass schon völlig andere Materialien zur Speicherung von elektrischer Energie aktuell sind und Lithium so verpönt sein wird wie Blei heute. Erste Lichtblicke zeigen hier Forscher der ETH Zürich mit einem Akku auf Magnesium-Pyrit-Basis, der ähnliche Leistungscharakteristika wie die Lithium-Ionen-Zelle aufweisen soll. Die Bestandteile des neuartigen Akkus kommen in der Natur häufig vor, eine günstige Herstellung sei daher wahrscheinlich.

Einen ähnlichen Forschungsschub verzeichnet die E-Motorenbranche, die Elektromobilität wirkt hier als starker Treiber. Dass dabei auch völlig neue Spieler auf den Platz laufen, dürfte seit Tesla niemanden mehr überraschen. Neue Trends ließen unachtsame Konzerne anderer Branchen – beispielsweise Kodak oder Nokia – quasi über Nacht obsolet werden. Ähnlich könnte es nun auch in der Automobilwelt laufen. Einer der Neulinge ist die Firma Compact Dynamics aus Starnberg, sie hat ein E-Motorenkonzept entworfen, das auf der bereits 1895 patentierten Transversalflussmaschine beruht. Der permanenterregte dreiphasige E-Motor ist einfach aufgebaut und kann durch simple Größenänderung auf andere Leistungsklassen skaliert werden. Die Maschinen sind auf 48-V- und Hochvoltanwendung anpassbar. Hierbei wird im Wesentlichen nur auf eine andere Wicklung und Leistungselektronik gesetzt, die Aktivkomponenten für beide Anwendungen sind baugleich, was zu Kostenvorteilen führt. Man habe den Transversalfluss als Basis für die sogenannte Dynax-Technologie weiterentwickelt, womit bisher nicht erreichte Leistungsdichten nun möglich würden. Bei einer Spannung von unter 60 V erreiche man 25 kW und mehr bei Drehzahlen von bis zu 10 000 min-1. Das volle Drehmoment liegt dabei bereits ab Drehzahl 1 an. Mit der Tangentialwicklung sei es laut Compact Dynamics möglich, das eingesetzte Kupfer zu 100 % drehmomentbildend zu verwenden, da kein zusätzlicher Platz für Wickelköpfe notwendig ist.

„Aktuell stellt der Dynax in der 48-V-Anwendung den technischen Benchmark für Motoren dieser Größe mit einer Peakleistung von mehr als 25 kW (bei 58V Zwischenkreisspannung) – eine Leistungsklasse, bei der herkömmliche Asynchronmotoren nicht mehr eingesetzt werden können“, erklärt Projektleiter Oliver Schwab.

Durch die E-Mobilität ergeben sich für die Automotive-Branche völlig neue Möglichkeiten. So wird etwa am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen ein luftgekühlter Radnabenmotor entwickelt. Diese Technik soll Kosten und Energieverbrauch von E-Mobilen durch den Wegfall des klassischen mechanischen Antriebsstranges senken (also von Kupplung, Getriebe, Differentialen und Antriebswellen). Zugleich vergrößert dies das Platzangebot und ermöglicht aktive Fahrsicherheitskonzepte durch unabhängige Drehmomenteinstellung an jedem angetriebenen Rad. „In den letzten 50 Jahren hat sich immer wieder gezeigt: Wenn irgendwo Mechanik wegfällt und dafür Elektronik kommt, wird es billiger“, so Projektleiter Hermann Pleteit.

Doch auch alteingesessene elektroaffine Hersteller kommen nun als Automotive-Zulieferer ins Spiel. So beispielsweise Siemens: der Konzern verfügt über mehr als 100 Jahre Erfahrung im E-Maschinenbau, hatte mit der Kfz-Branche aber bisher recht wenig zu tun. 2013 kaufte Siemens dann Kompetenz in entsprechender Leistungselektronik ein, indem man die Semikron-Tochter VePoint übernahm. Ein Jahr später eröffnete man in Bad Neustadt an der Saale eine Produktionslinie zur Herstellung von Elektromotoren für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Das erste dort vom Band laufende Produkt ist eine 60-kW-Synchronmaschine für einen elektrischen Hinterachsantrieb. 2015 wurde schließlich das Hauptquartier der neuen Geschäftseinheit eCar Powertrain Systems in Erlangen eingeweiht, wo nun Umrichter für den elektrischen Pkw-Antriebsstrang in Serie gefertigt werden. Zudem sind auf weiteren 1300 m² Prüfstände und Labore entstanden, wo man an kompletten Antriebssystemen sowie Ladetechnologien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge arbeitet.

Siemens stieß dabei auf ein Problem, das man bei Industriemotoren nicht kannte: Bisher war es den Kunden egal, dass ihre bei Siemens gekauften Motoren auch in Produkten ihrer Konkurrenten laufen – für einen Automotive-OEM ist dieser Gedanke aber unmöglich. Die Lösung ist simpel: Physisch werden die Motoren für verschiedene Automobilhersteller baugleich sein, die individuelle Charakteristik erhält jede E-Maschine durch die Steuerungssoftware. Der allgemeine Hype um Elektromobilität flacht aber langsam ab, wird abgelöst durch das Autonome Fahren. Die Ingenieure finden das eigentlich gut, so könne man endlich ungestört auf dem Boden der Tatsachen arbeiten und müsse nicht ständig versuchen, unrealistische Vorstellungen zu erfüllen.

Langfristig werden E-Mobility und Autonomes Fahren aber in einem Zug genannt werden. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) arbeitet derzeit an Elektroautos, die über eine intelligente Schnittstelle mit Ladestation und Parkhaus-Management kommunizieren und so selbständig und bedarfsgerecht zwischen induktiven Ladeplätzen sowie gewöhnlichen Stellplätzen wechseln. „Das Projekt ist derzeit in der Endphase, wir sind sehr optimistisch, was die Machbarkeit angeht. Voraussetzung ist aber die Schaffung der benötigten Infrastruktur“, sagt Teilprojektleiter Benjamin Maidel. Hierfür müssten die derzeit noch üblichen Ladekabel verschwinden und gegen Induktionssysteme ausgetauscht werden.

Der Chiphersteller Qualcomm hat sich hier bereits einige Gedanken gemacht: Das induktive Ladesystem Halo besteht aus einer kleinen Platte unter dem Auto und einer im Parkplatz. Im besten Fall sollen über 90 % Übertragungseffizienz erreicht werden. Ein kleines Navigations-Tool im Auto hilft dem Fahrer bei der Ausrichtung, wobei ein perfekter Volltreffer nicht unbedingt nötig ist. Radarsensoren erkennen, ob beispielsweise eine Katze oder metallische Gegenstände wie Münzen oder eine leere Getränkedose auf der Ladeplatte liegen, das Laden wird dann unterbrochen. Bei zu langer Unterbrechung wird der Fahrer auf seinem Handy informiert, dass das Auto eventuell nicht voll geladen werden kann. Halo lädt mit 85 kHz und bringt 3,6 bis 22 kW ans Fahrzeug. Durch eine besondere Anordnung der Induktionsschleifen soll die gesundheitlich nicht unumstrittene Hochfrequenz die Umrisse des Autos nicht überschreiten. Das System soll spätestens 2018 auf dem Markt kommen. In der Rennsportklasse Formel E zeigt Qualcomm am BMW i8 Safety Car, dass bereits die Prototypentechnologie mit 7,2 kW induktiv laden kann. Langfristig will Qualcomm ganze Straßen mit Halo ausrüsten und Fahrzeuge auch während der Fahrt laden. So könnte auch das Akkuproblem gelöst werden, denn durch großflächig verfügbare Ladeinfrastruktur könnten die Energiespeicher künftig kleiner ausfallen.