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

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.

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.

Doch es gibt Unsicherheitsfaktoren, welche die Versorgungssicherheit der benötigten Rohstoffe auf die Probe stellen. Dazu zählt die geologische Verfügbarkeit. Im Fall seltener Erden ist China der absolute Marktführer, sowohl im Bergbau wie auch in der Weiterverarbeitung. Nicht ohne Grund sind asiatische Anbieter bei der Herstellung von Batterien derzeit führend und große, namhafte Automobilkonzerne aus Europa müssen für ihre Elektroautos dort einkaufen.

"China ist derzeit der bei weitem wichtigste Verkaufsmarkt für E-Mobilität", erklärt Bookhagen. Daher werden die Entwicklungen in China den globalen Markt auch stark lenken. In Sachen Kobalt kommt man an Afrika nicht vorbei. Doch neben geostrategischen Faktoren wie Länderkonzentrationen, gibt es auch geopolitische Faktoren, die die Versorgung empfindlich stören können – etwa Handelshemmnisse wie Quoten oder Zölle. Aber auch eine fehlende Transport- und Infrastruktur kann hinderlich sein.

Die Forschung sucht nach neuen Typen von aktivem Eletrodenmaterial, um die Batterien noch leistungsfähiger, langlebiger und damit auch besser nutzbar für Fahrzeuge zu machen. Dafür muss die Zyklenfestigkeit, also die Lebensdauer des Materialmix verbessert werden. Im Laufe mehrerer hundert Lade- und Entladezyklen verändert sich die Struktur der Kathode, so dass die Entladungstiefe der Batterie abnimmt und sie nicht mehr ihre ursprüngliche Kapazität erreicht. „Nanostrukturiertes Material für Lithium-Ionen-Akkus kann hier einen erfolgreichen Weg vorgeben“, betont Freddy Kleitz vom Institut für Anorganische Chemie an der Universität Wien.

Forscher der Fakultät für Chemie haben nun ein neues, sogenanntes nanostrukturiertes Material für die Anode von Lithium-Ionen-Akkus entwickelt, das den Batterien mehr Leistung und Lebensdauer verleihen soll. Das Material auf Basis eines halbporösen Mischmetalloxids in Kombination mit Graphen könnte einen Ansatz bieten, um die Batterien in Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugen besser nutzen zu können. Erste Test konnten zeigen, dass die Batteriekapazität mit bis zu über 3.000 reversiblen Ladezyklen sogar bei sehr hohen Strombelastungen von bis zu 1.280 Milliampere bespiellos war. „Heutige Lithium-Ionen-Akkus verlieren nach etwa 1.000 Ladezyklen an Leistungsfähigkeit“, verdeutlicht Institutsvorstand Kleitz den Unterschied.

Die Verwendung von Lithium-Ionen-Akkus für die Elektromobilität gilt aus Umweltsicht, zum Beispiel aufgrund ihrer rohstoffintensiven Produktion, als eher problematisch einzustufen. Kleine Akkus, die möglichst viel Energie speichern können, lange halten und nicht zu kostenintensiv in ihrer Herstellung könnten nicht nur Abhilfe schaffen, sondern auch eine starke Alternative zu Verbrennungsmotoren darstellen

"Batterierohstoffe sind aus geologischer Sicht nicht knapp. Temporäre Angebotsdefizite können jedoch den Einkauf und das Risikomanagement vor Herausforderungen stellen", betont Britta Bookhagen. Insbesondere der asiatische Markt verhält sich protektiv und monopolitisch. Das macht sich durch strategische Einkäufe, langfristige Abnahmeverträge und Expansion heimischer Weiterverarbeitungskapazitäten bemerkbar.