Stehen wir an der Schwelle zu einer Energierevolution?
In diesem Artikel stellen wir vier neue Batterie- und Ladetechnologien vor, die den Übergang zu E-Fahrzeugen beschleunigen und die Abhängigkeit der E-Mobilität von fossilen Brennstoffen verringern. Doch zunächst werfen wir einen Blick auf die aktuellen Hürden der Elektromobilität.
Die beiden Hauptengpässe für die Masseneinführung von Elektrofahrzeugen sind die Herstellung von Batteriezellen sowie die erfolgreiche Errichtung öffentlicher Ladestationen. Die Verbraucher ziehen es vor, mit dem Kauf eines Elektroautos zu warten, bis die Technologie ausgereift ist. Die Hersteller neigen dazu, erst dann in die Technologie zu investieren, wenn sie die Nachfrage der Verbraucher spüren. Dies wird als "Henne-Ei-Problem" bezeichnet und ist auch in der Welt der Elektrofahrzeuge zu beobachten.
Laut Graham Anderson, Experte für Industrie und Rohstoffe:
"Wenn wir unsere Emissionsziele auch nur annähernd erreichen und die Entwicklung von E-Fahrzeugen maximieren wollen, brauchen wir erhebliche Investitionen sowohl in die Fertigungskapazitäten als auch in die Rohstofflieferketten - und zwar bald."
Generell verbessern sich die Batteriespannung und die Batteriedichte mit der Zeit, was dem Henne-Ei-Problem entgegenwirkt. Einige Wissenschaftler und Forschungsunternehmen hoffen jedoch auf einen Durchbruch, der die Engpässe bei den Elektrofahrzeugen beseitigt und eine schnelle Masseneinführung ermöglicht. Ist dies überhaupt möglich? Wie sieht die Zukunft der Batterien und der Ladetechnologie aus? Wie können wir diese Engpässe beseitigen, bevor ein großer Durchbruch gelingt?
1. Ultra-schnelle Ladelösungen
Es gibt im Wesentlichen drei Arten von Ladegeschwindigkeiten:
- AC-Ladelösungen oder Laden über Nacht: 3 kWh - 7 kWh (hauptsächlich zu Hause)
- Schnellladegeräte: 7 - 22 kWh (hauptsächlich an Geschäftsstandorten und auf Parkplätzen)
- Ultraschnelle Ladelösungen: 50 bis 350 kWh+ (hauptsächlich für die Schnellladung von E-Fahrzeugen und größeren Nutzfahrzeugen)
Warum ist die Ladegeschwindigkeit so wichtig? Nun, es geht um unsere Engpässe. Die Ladegeschwindigkeit, die das Laden bequemer macht und die Reichweitenangst deutlich verringert, wird als Hauptfaktor genannt, der eine breite Akzeptanz von E-Fahrzeugen behindert. Laut Mer Energy:
"Für ein typisches Elektrofahrzeug mit einer Batteriegröße von 62 kWh und einer Reichweite von 300-400 km würde eine 15-minütige Ladung an einer 150 kW-Ladesäule eine Erhöhung der Reichweite 200 km ergeben.
Wenn man bedenkt, dass die meisten E-Fahrer unterwegs anhalten müssen, um etwas zu essen, eine Pause zu machen und sich die Beine zu vertreten, sind 15 Minuten für die meisten Menschen mehr als akzeptabel. Die Realität des Ladens unterwegs ist derzeit noch nicht so schnell. Aber das wird sich bald ändern.
2. Vehicle-to-grid/ V2G (Fahrzeug-Netz)
Die Vehicle-to-Grid-Technologie gibt es also schon, aber sie steht bei den meisten Verbrauchern und Unternehmen sicher nicht ganz oben auf der Liste. Die Ladegeräte sind in den meisten Fällen zu sperrig und zu teuer. Aber das ändert sich aktuell. Die Preise sinken ebenso wie die Größe der Geräte, und die Kunden fragen immer häufiger nach zukunftsweisenden Ladelösungen.
Was genau ist V2G? Mit diesen Ladegeräten können Elektrofahrzeuge viel mehr sein als nur Transportmittel. Mit dieser Technologie können die Batterien von Elektrofahrzeugen Energie speichern und diese bei Bedarf wieder an das Stromnetz abgeben. Zum Beispiel, wenn die Nachfrage im Netz hoch ist oder wenn es zu Stromausfällen aufgrund von ungünstigen Wetterbedingungen oder Infrastrukturproblemen kommt. Nach Angaben von Virta Global:
"Bis 2030 wird es weltweit 140 bis 240 Millionen Elektrofahrzeuge geben. Das bedeutet, dass wir mindestens 140 Millionen kleine Energiespeicher auf Rädern mit einer Speicherkapazität von insgesamt 7 TWh haben werden."
Diese Technologie zum Netzausgleich wird in den Ladegeräten der Zukunft allgegenwärtig sein. Verbraucher und Unternehmen erwarten, dass sie in nicht allzu ferner Zukunft zur Standardausstattung gehören wird.
3. Mobile Ladegeräte und Technologie zum Austausch von Batterien
Eine potenziell bahnbrechende Technologie ist die des Batteriewechsels. Sie fahren rein und nur drei Minuten später wird automatisch eine voll geladene, neue Batterie eingesetzt und Ihre alte herausgenommen, die wieder aufgeladen wird. Das scheint ideal zu sein.
Warum hat es sich noch nicht durchgesetzt und wird es die Zukunft des Ladens sein? Einige Hersteller von Elektrofahrzeugen wie Nio in China scheinen das zu glauben, aber es gibt Hindernisse. Laut Jeremy Michalek,
"Da Batterien so teuer, sperrig und ressourcenintensiv sind, wäre der Aufbau riesiger Netze um Akkus zu tauschen, lagern, aufladen und warten, eine Verschwendung von Geld und Ressourcen und würde den CO2-Fußabdruck vergrößern. Viele überschüssige Batterien würden so herumliegen und auf Kunden warten. Letztendlich müssten die Kunden diese exorbitanten Kosten übernehmen. Die Befürworter des Batterietauschs haben dieses Problem erkannt und werben für die Möglichkeit, dass Batterien Strom in das Netz zurückspeisen.
Da die Herstellung von Batterien ein großes Hindernis darstellt, kann es sich die Welt nicht leisten, dass wertvolle Akkus ungenutzt herumliegen und nicht einsatzbereit sind.
Mobile Ladegeräte sind sicherlich nicht neu, aber ihr Einsatzbereich und ihre Nachfrage nehmen zu, da sich die Kurve der E-Fahrzeugnutzung nach oben bewegt. Mit mobilen Ladestationen sind keine strukturellen Veränderungen erforderlich, keine großen finanziellen Aufwendungen und keine Probleme mehr für Fahrzeugflotten - was eine der ersten Anwendungen mobiler Ladegeräte ist.
4. Batterietechnologie - Festkörper und Lithium-Schwefel
Wie wäre es mit Akkus, die in Sekundenschnelle aufgeladen werden, tagelang halten und über die Luft aufgeladen werden können, ohne dass Kabel erforderlich sind? Klingt idyllisch. Nun, es ist vielleicht gar nicht so weit weg. Laut der Harvard Gazette:
"Langlebige, schnell aufladbare Batterien sind für die Expansion des Marktes für Elektrofahrzeuge unerlässlich, aber die heutigen Lithium-Ionen-Batterien entsprechen nicht den Anforderungen - sie sind zu schwer, zu teuer und brauchen zu lange zum Aufladen.
Eine Lithium-Metall-Batterie gilt wegen ihrer hohen Kapazität und Energiedichte als der heilige Gral der Batteriechemie. Diese Batterietechnologie könnte die Lebensdauer von Elektrofahrzeugen auf die von benzinbetriebenen Autos erhöhen - 10 bis 15 Jahre - ohne dass die Batterie ausgetauscht werden muss.
Lithium-Schwefel-Batterien könnten auch die Lithium-Ionen-Batterie übertreffen. Die neue Batterietechnologie soll eine geringere Umweltbelastung als Lithium-Ionen-Batterien und niedrigere Herstellungskosten haben und gleichzeitig das Potenzial bieten, ein Fahrzeug über 1.000 km oder ein Smartphone fünf Tage lang mit Strom zu versorgen.
Anstatt teures Kobalt zu verwenden, das durch fragile globale Lieferketten gefährdet ist, nutzen sie Schwefel, einen billigen Rohstoff, der als Nebenprodukt in der Ölindustrie anfällt. Und ihre Kosten pro Energieeinheit können erhebliche Einsparungen ermöglichen. Es gibt jedoch einige Probleme mit dieser Art von Technologie. Das Hauptproblem besteht darin, dass die derzeitigen Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) nicht oft genug wieder aufgeladen werden können, bevor sie versagen, so dass sie kommerziell nicht rentabel sind. Das liegt an der internen Chemie: Beim Laden einer Li-S-Batterie bilden sich chemische Ablagerungen, die die Zelle zersetzen und ihre Lebensdauer verkürzen.
Ein weiterer potenzieller Durchbruch kommt vom NIMS, dem National Institute for Materials Science in Japan, das eine Lithium-Luft-Batterie entwickelt. Ihr Prototyp hat eine Energiedichte von über 500Wh/kg. Zum Vergleich: Lithium-Ionen-Batterien, die in Tesla-Fahrzeugen verwendet werden, haben eine Energiedichte von 260Wh/kg. Diese Art von Technologie könnte sogar bei der Weiterentwicklung von Elektroflugzeugen eingesetzt werden. Nach Angaben von NIMS:
"Lithium-Luft-Batterien haben das Potenzial, die ultimativen wiederaufladbaren Batterien zu sein: Sie sind leicht und haben eine hohe Kapazität, mit einer theoretischen Energiedichte, die um ein Vielfaches höher ist als die der derzeit verfügbaren Lithium-Ionen-Batterien".
Andere Technologien nutzen Energie aus WiFi, Schall, Natur und sogar Schweiß! Zum Beispiel könnte Schweiß genutzt werden, um Wearables beim Sport mit Energie zu versorgen. Die Möglichkeiten der Batterieladetechnik sind also endlos. Das Wichtigste für Verbraucher und Unternehmen ist, dass sie sicher, billig, zuverlässig und allgegenwärtig sind. Keine leichte Aufgabe. Aber kluge Köpfe arbeiten daran.
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