Elektromobilität

Biokraftstoff, Wasserstoff oder Batterie statt Tank: Die Suche nach dem geeigneten Energielieferanten für unsere Autos

Immer mehr Fahrzeuge mit alternativen Antrieben machen sich auf dem Markt breit, die Hersteller locken mit verschiedensten Mobilitätskonzepten. Woran die Forscher derzeit mit Hochtouren arbeiten und wie komplex die Beschaffung des Materials für Fahrzeug-Akkus eigentlich ist, lesen Sie hier.

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Akkus zeichnet eine hohe Energiedichte, eine hohe Anzahl an Ladezyklen und das Fehlen eines „Memory-Effekts“ aus.

Es gibt es zwei Optionen, den Energiebedarf unserer Gesellschaft zu decken: Wir greifen auf flüssige oder gasförmige Kraftstoffe aus möglichst regenerativen Quellen zurück oder wir setzen – statt auf Benzin und Diesel – auf die Möglichkeit der Energiespeicherung mittels Batterien. Wenn es um flüssige Kraftstoffe geht, dann sehen die Forscher in Biokraftstoffen Potenzial für die Zukunft. Sie sollen eine Alternative zu typischen fossilen Energieträgern sein.

Voraussetzung ist, dass sie nicht nur kostengünstig, sondern auch nachhaltig sind, denn der Anbau von Energiepflanzen beansprucht große Ackerflächen, für die Wälder gerodet werden müssen. Ein Argument gegen Biokraftstoffe ist häufig auch, dass sie in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehen. Ackerland zur Produktion von Energieträgern zu nutzen ist in der Tat problematisch. Das soll sich aber ändern.

„Für die Biokraftstoffe der zweiten Generation wird praktisch die vollständige Pflanze verwendet, man kann sogar Reststoffe wie Rinde, Stroh oder Lignin verwenden“, erklärt Anna Mauerhofer, Forscherin am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften der TU Wien. Wasserstoff kann wiederum durch Elektrolyse erzeugt werden, jedoch muss dazu Öko-Strom verwendet werden, um den ökologischen Fußabdruck möglichst gering zu halten und einen verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad von lediglich 40 Prozent zu rechtfertigen.

Die Speicherung von Wasserstoff ist technisch aufwendig. Durch die hohe Diffusionsfähigkeit werden poröses Material und sogar Metalle durchschritten, wodurch es auch zu Materialversprödung kommen kann und sich der getankte Kraftstoff über die Dauer hinweg aus dem Tank sozusagen "verflüchtigt". Um dem etwa in Fahrzeugen entgegenzuwirken, benötigt es entsprechende Komponenten wie Schläuche und Dichtungen.

Hoher Wirkungsgrad, schwierige Beschaffung

Elektroautos wie Renault Zoe, Renault Twizy, Hyundai Ioniq, Kia e-Niro oder BMW i3 haben eines gemeinsam – sie benötigen Akkus zur Speicherung von Energie. Auch Plug-in-Hybride verfügen in der Regel über einen Elektromotor. Für die Herstellung brauchte es wiederum Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan, Graphit und Kupfer. Im Allgemeinen wird der Elektromobilität ein hohes Potenzial zugesprochen, wenn es um Antriebsformen der Zukunft geht. Dem Einsatz von Batterien wird ein relativ verlustfreier und hoher Wirkungsgrad von über 90 Prozent nachgesagt.

Deutschland ist bei fast allen diesen Rohstoffen auf Importe angewiesen. Allein die Nachfrage nach Lithium könnte sich laut Prognosen alleine bis 2025 verdreifachen, der Anteil der Elektrofahrzeugbatterien daran 80 Prozent betragen. Unter den Hauptabbauländern von Lithium befinden sich derzeit Australien, Chile und Argentinien. Die weltweit zweitgrößten Vorkommen sind in Bolivien beheimatet.

Die Materialkosten machen in etwa vierzig bis fünfzig Prozent der Kosten einer Lithium Ionenbatterie aus, rechnet Britta Bookhagen von der deutschen Bundesanstalt für Geowissenschaften vor. Der Trend geht hin zu nickelreichen Kathoden. Kobalt, ein Rohstoff, der unter stark gesundheitsgefährdenden Bedingungen im Kongo abgebaut wird, soll sukzessive ersetzt werden – so das Ziel. Zum Großteil kommt das Kobalt aus der demokratischen Republik Kongo. Anfang des Jahres wurden für eine Tonne Kobalt etwa 75.000 US-Dollar verlangt.

Beschaffungsrisiken, die der politischen Lage des afrikanischen Landes geschuldet sind sowie die hohe Energiedichte des Materials, steigern die Nachfrage. In Frage kämen neben der Verwendung von Nickel auch andere Übergangsmetalle wie Mangan oder Metalle wie Aluminium und Magnesium, die die Struktur der Kathode stabilisieren können und die Energiedichte erhöhen.

Allerdings dämpft Bookhagen die Euphorie: Die Kobaltfreie Kathode ist noch nicht so schnell in Sicht. Festkörperbatterien, sogenannte Solid-State-Batterien mit höheren Energiedichten, werden nicht vor 2025 im Massenmarkt erwartet. Lithium-Ionen-Batterien mit einer flüssigen Kathode aus Nickel, Kobalt und Lithium und einer Kohlenstoffanode werden bis 2025 den Pkw-Bereich dominieren.