So mancher entscheidet sich nur deshalb gegen den Kauf eines Elektromobils, weil er mehr Reichweite benötigt als die zurzeit verwendeten Akkus hergeben. Dieses Problem will PHOTON jetzt lösen: mit einem Prototyp des CityEl. Neue Akkutechnologie auf Lithiumbasis soll es möglich machen, über den bisherigen Standard hinaus elektrisch zu fahren.

 Soweit die Räder tragen: Ein CityEl Fact Four mit der für dieses Fahrzeug sagenhaften Reichweite von 300 Kilometern.
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Jeder Besitzer eines Elektroautos hat schon vor der Frage gestanden, ob er eine geplante Fahrt tatsächlich mit seinem Elektroauto unternimmt – oder lieber doch mit der herkömmlichen Benzinkutsche. Ist das Ziel weit entfernt und fehlen unterwegs Nachlademöglichkeiten, bleibt das ökologische Mobil meist in der Garage. Manch einer verzichtet aus diesem Grunde sogar auf den Kauf eines solch umweltfreundlichen Pkw, obwohl er die Nutzung von Elektroautos im solaren Netzverbund prinzipiell befürwortet. Kein Wunder also, dass die Hersteller von E-Mobilen unisono der Meinung sind, dass sie viel mehr produzieren könnten, wäre nur die Nachfrage größer. 
PHOTON hat sich dieses Problems angenommen und lässt derzeit einen Prototyp des Elektroautos der Zukunft bauen: Ein CityEl Fact Four der Firma CityCom wird mit einem Lithiumakku der Firma Air-Energy ausgerüstet. Trotz des anschließend geringeren Fahrzeuggewichts wird die Reichweite nach dem Umbau dramatisch größer sein: Angestrebt sind sagenhafte 300 Kilometer statt der bislang üblichen 50 bis 80 Kilometer. Und das bei verbessertem Beschleunigungsvermögen und größerer Höchstgeschwindigkeit. Dabei wird das technisch Mögliche noch nicht einmal annähernd ausgenutzt: Bei gleichem Akkugewicht wie beim Standardmodell wären sogar 450 Kilometer machbar. Allerdings wären hierzu weitere mechanische Umbauten notwendig. Der fahrtaugliche Prototyp wird erstmals auf der im Juni stattfindenden Messe Intersolar in Freiburg vorgestellt.

Grundsätzlich ist die Reichweite eines Elektroautos von zwei Faktoren abhängig: dem Verbrauch auf einer vorgegebenen Wegstrecke und der im Akkumulator mitgeführten Energiemenge. Beim Verbrauch sind moderne Elektromobile heute schon Energiesparweltmeister. So benötigt ein einsitziges Fahrzeug des Typs CityEl Fact Four nur etwa vier Kilowattstunden auf 100 Kilometern. Umgerechnet auf herkömmlichen Treibstoff entspricht diese Energiemenge nicht einmal einem halben Liter Benzin. Das Problem der verhältnismäßig geringen Reichweite von derzeit 50 bis 80 Kilometern liegt also im Akku begründet: Ein Bleiakku kann pro Kilogramm Masse gerade einmal eine Energiemenge von etwa 30 Wattstunden speichern. Oder anders ausgedrückt: Um eine Kilowattstunde (1.000 Wattstunden) Energie zu speichern muss ein Bleiakku über 30 Kilo wiegen. Dabei ist dieser Wert noch optimistisch gerechnet. Berücksichtigt man, dass ein Bleiakku, soll er eine hohe Anzahl Lade- und Entladezyklen erleben, tunlichst nicht vollständig entladen werden darf, wird dieser Wert noch schlechter. 

Ein weiteres, bislang wenig beachtetes Problem ist das Entladetempo. Ein Akku ist kein Benzintank aus dem man einfach die Energiemenge herausholen kann, die man zuvor hineingesteckt hat. Mit zunehmender Entladeleistung fällt die tatsächlich aus einem Akku entnehmbare Energiemenge: Der so genannte Entladewirkungsgrad sinkt. Verantwortlich für diesen unangenehmen Effekt ist der innere elektrische Widerstand eines Akkus. Dieser Widerstand führt bei einer Stromentnahme immer dazu, dass ein Teil des entnommenen Stroms den Akku aufheizt. Unangenehmerweise ist dieser Effekt umso größer, je höher die Entladestromstärke ist. Und er verstärkt sich mit zunehmender Stromstärke: Eine Verdopplung des Entladestroms vervierfacht die thermischen Verluste. Hierbei kann der Akku so heiß werden, dass er am Ende aus Sicherheitsgründen abgeschaltet werden muss und das Elektroauto liegen bleibt. Insbesondere an heißen Sommertagen, wenn die »Kühlluft« für den Akku schon fast auf dem Niveau von dessen Betriebstemperatur liegt, ist eine wirkungsvolle Kühlung nicht mehr möglich. 

Es wäre daher wünschenswert, die Akkukapazität auch aus diesem Grunde zu erhöhen. Bei den heute üblichen Kapazitäten in Elektroautos, die in der Regel nur etwa eine Stunde Fahrzeit bei Höchstgeschwindigkeit zulassen, wäre der Effekt verblüffend: Eine Verdopplung der Akkukapazität würde die Reichweite trotz des höheren Gewichts und des damit verbundenen höheren Verbrauchs nicht nur verdoppeln, sondern nochmals um etwa zehn bis 20 Prozent steigern. 

Größere Akkus – viel größere Reichweite
Aber warum die Akkukapazität nur verdoppeln, warum nicht verdreifachen oder vervielfachen? Die Belastung des Akkus wäre sehr gering, der Entladewirkungsgrad sehr hoch und die Reichweite immens. Der Pferdefuß ist das Gewicht. Der Akkublock in einem CityEl wiegt etwa 120 Kilogramm. Ihn zu vervierfachen bedeutete, rund eine halbe Tonne Bleiakkus im Fahrzeug zu verstauen. Das funktioniert mit dem bestehenden Fahrzeugkonzept nicht. Gesucht wird daher ein Akku, der bezogen auf die gespeicherte Energiemenge sehr viel leichter ist. 

Zunächst wurde mit Nickel-Cadmium-Akkus experimentiert, wie sie heute beispielsweise im Twike eingesetzt werden. Mit rund 40 bis 50 Wattstunden pro Kilogramm sind sie deutlich besser als Bleiakkus. Sie haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Zum einen sind sie erheblich teurer als Bleiakkus. Außerdem mögen sie Teilentladungen, wie sie beim Betrieb in einem Elektrofahrzeug üblich sind, leider gar nicht. Wird ein Nickel-Cadmium-Akku mehrfach nur teilentladen, tritt der so genannte Memoryeffekt auf: Der Akku kann dann auch künftig, obwohl voll geladen, nur noch einen Teil seiner ursprünglichen Kapazität abgeben. Und schließlich soll ein Elektroauto doch umweltfreundlich sein. Da passt ein hochgiftiges Schwermetall wie Cadmium nicht ins Konzept. 

Die Weiterentwicklung des Nickel-Cadmium-Akkus war der Nickel-Metallhydrid-Akku. Er kam mit 60 bis 70 Wattstunden schon auf mehr als die doppelte Energiedichte als der konventionelle Bleiakku. Das giftige Cadmium war verschwunden und mit ihm auch der Memoryeffekt. Leider sind diese Akkus nicht sonderlich preiswert. Wirklich problematisch für den Einsatz beim Elektrofahrzeug ist aber eine andere Eigenschaft dieses Akkutyps: die ungenügende Leistungsdichte. Sie besagt, wie viel Kilowatt Leistung ein Akku gegebener Masse abgeben kann. Dieser Wert ist in der Regel zu gering, um ein Elektromobil mit starker Überlastbarkeit des Elektromotors und somit zwar gutem Beschleunigungsvermögen, aber auch großem kurzzeitigen Leistungshunger, zufrieden stellend mit Leistung zu versorgen. 
Grundsätzlich kann man dieses Problem auf zwei Arten lösen. Zum einen mit einem weiteren Energiespeicher, zum Beispiel Kondensatoren, die jedoch zusätzlich Geld kosten. Oder man greift auf das eingangs erwähnte Prinzip eines sehr großen Akkus zurück. Dann steigt nicht nur der Entladewirkungsgrad sondern auch die dem Akku entnehmbare Leistung. Allein, es mangelt leider an der Verfügbarkeit hochkapazitiver Nickel-Metallhydrid-Akkus. 

Lithium als Lösung
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 Testaufbau eines Akkublocks bei der Firma Air-Energy, der
 demnächst ein Sportboot über den Starnberger See flitzen
 lassen wird: 300 Kilogramm »leicht«, 40 Kilowattstunden
 Energiegehalt und beeindruckende 200 Kilowatt elektrische
 Leistung.
Als vorläufig letzte Station der Entwicklungsgeschichte der Akkutechnologie ist der Lithiumakku anzusehen. Er hat mit über 100 Wattstunden pro Kilogramm die höchste Energiedichte aller verfügbaren Akkus. Einzelne Hochleistungsexemplare kommen heute schon auf über 190 Wattstunden pro Kilogramm, zu allerdings horrenden Preisen. Der im PHOTON-Prototyp eingesetzte Akku hat eine spezifische Energiedichte von 123 Wattstunden pro Kilogramm. Und diese Akkutechnologie hat noch viel Zukunftspotenzial: Je nach Elektrolyt und Elektrodenmaterial liegen die theoretischen Energiedichten jenseits der Grenze von 1.000 Wattstunden pro Kilogramm. Hier gibt es noch einen weiten Raum für Weiterentwicklung. 

Neben der gern gesehenen hohen Energiedichte haben Lithiumakkus aber auch einige teils gravierende Nachteile. So ist die Leistungsdichte zumindest bei den auf größtmöglichen Energiegehalt getrimmten Modellen eher bescheiden. Dies ist, wie schon erwähnt, normalerweise ein Ausschlusskriterium für das Akkusystem eines Elektrofahrzeugs. Doch erlaubt die extrem hohe Energiedichte extrem hochkapazitive Akkus bei moderatem Gewicht. Und derartige Akkus haben auch genügend Leistungsreserven für den Elektromobilbetrieb. Ein Vergleich mit dem normalerweise im CityEl Fact Four verwendeten Bleiakku (siehe Kasten Seite 76) macht dies deutlich. 

Ein weiterer Nachteil ist paradoxerweise eng mit seinem größten Vorteil, der hohen Energiedichte, verknüpft. Denn wo extrem viel Energie auf engstem Raum vorhanden ist, kann auch viel Energie in kurzer Zeit unkontrolliert freigesetzt werden. Bei Lithiumakkus bestehen hier vor allem Sicherheitsrisiken bei einem Überschreiten der zulässigen Zellspannung von – je nach Hersteller und Modell – etwa 4,2 Volt pro Einzelzelle. Oberhalb dieser Spannung treten ungewollte chemische Reaktionen, die im günstigsten Fall die Zelle einfach unbrauchbar machen. Im ungünstigen Fall wird darin metallisches Lithium freigesetzt, das mit anderen Substanzen in der Zelle heftige chemische Reaktionen hervorruft. 

Zwar wird die Zelle nicht, wie oft behauptet, explodieren, denn dazu fehlt ihr der druckfeste Mantel, der den Aufbau eines für eine Explosion notwendigen inneren Drucks überhaupt zulässt. Es kann allerdings zu einem heftigen Feuer kommen. Und Lithiumbrände lassen sich mit herkömmlichen Methoden nicht löschen, im Gegenteil: Jeder Tropfen Wasser oder auch nur Wasserreste in Schaumlöschern verstärken das Feuer, da Lithium als extrem reaktives chemisches Element dem Wasser den Sauerstoff zum Zwecke der eigenen Oxidation gleichsam entreißt. Übrig bleibt zu allem Überfluss reiner Wasserstoff, der seinerseits wieder mit dem Luftsauerstoff in einer extrem hitzeentwickelnden Weise verbrennt. Es muss daher auf jeden Fall verhindert werden, dass Lithiumzellen jemals überladen werden. Hierzu werden elektronische Schaltungen eingesetzt, die jede Zelle einzeln überwachen und bei Überschreiten der zulässigen Werte die weitere Ladung der Zelle verhindern. 

Gemeinhin gelten Lithiumakkus als sündhaft teuer. Und in der Regel stimmt das auch. Pro Kilowattstunde kommt man auf einige Tausend Euro. Bei einem Akkusystem mit mehr als zehn Kilowattstunden wie bei unserem Prototyp kämen somit schnell sogar mehrere Zehntausend Euro nur für den Akku zusammen. Dieser Preis übersteigt unzumutbar den des Fahrzeugs. Wie aber kommt es zu diesen exorbitanten Summen? Das Akkumaterial, Lithiumsalze, etwas Cobalt oder Mangan, Kohlenstoff, ein paar organische Lösungsmittel – die Grundstoffe sind eher preiswert. Sicher, die Entwicklungskosten waren immens und sind auch heute noch nicht verdient. Diese Kosten werden jedoch auf zunehmend größere Stückzahlen umgelegt. 

 Der Akku unseres Experimentalfahrzeugs
Der im PHOTON-Prototyp eingesetzte Lithiumakku besteht aus 14 Zellen mit einer Kapazität von je 200 Amperestunden. Die Nennspannung jeder Zelle beträgt 3,7 Volt, die Ladeschlussspannung 4,2 Volt und die Entladeschlussspannung 2,7 Volt. Die Höchstspannung beträgt somit im vollgeladenen Zustand 58,8 Volt und im entladenen Zustand 37,8 Volt. 
Der Energiegehalt des Akkublocks beträgt zehn Kilowattstunden. Der Akkublock kann mit einer Leistung von zehn Kilowatt sowohl geladen als auch entladen werden. Der Motor des CityEl Fact Four benötigt jedoch selbst bei starker Beschleunigung nur rund die Hälfte dieser Leistung. Für eine Ladung mit zehn Kilowatt würde ein Drehstromanschluss benötigt. Aus Gründen der Praktikabilität wurde in unserem Prototyp auf diese Ladeleistung verzichtet. Statt dessen kommt ein 50-Ampere-Ladegerät zum Einsatz, das an einer herkömmlichen Steckdose betrieben werden kann. 
Insgesamt ist die Spannungslage somit etliche Volt höher als beim konventionellen Bleiakku. Dadurch steigt auch die Leistung des Elektromotors merklich. Das Beschleunigungsvermögen erhöht sich. Gleichzeitig ist unser Akkublock mit knapp 80 Kilogramm aber auch rund 40 Kilogramm leichter als der Originalakku. Dies ist ein weiterer Effekt, der zu einer höheren Beschleunigung führt. Der gesamte Akku konnte in einem leicht modifizierten Akkutrog eines ansonsten dem Serienmodell des CityEl Fact Four entsprechenden Fahrzeugs eingesetzt werden. Vor allem wurde der Akkutrog tiefer gehängt, um mehr lichte Höhe zu erhalten. So bleibt genügend Spielraum, Zellüberwachung und Messelektronik oberhalb der Zellen im Akkuraum unterzubringen. pw

Herstellers des CityEl Fact Four: www.cityel.com
Herstellers unseres Lithiumakkus: www.airenergy.de
Die Kosten bleiben im Rahmen
 Der Hauptgrund der hohen Preise dürfte das Käuferverhalten sein: Ein herkömmlicher Kunde nimmt sie nicht krumm, ja, bemerkt sie womöglich kaum. Wenn ein Handyhersteller Akkus mit winzigen Kapazitäten von ein paar Wattstunden in sein Gerät einbaut, erscheinen die Kosten dafür gering. Und auch die 50 Wattstunden eines Akkus für Notebooks fallen im Vergleich zu den sonstigen Herstellungskosten nicht ins Gewicht.
 
Anders sieht es hingegen bei Elektromobilen aus: Die 10.000 Wattstunden Energiegehalt des Akkus unseres Prototyps entsprechen etwa 5.000 Handyakkus oder 200 Notebookakkus. Nur wenige Hersteller von Lithiumakkus bedienen derzeit den preissensiblen Markt der Elektroautos. Und noch weniger haben sich ausschließlich darauf konzentriert. Der Hersteller der Zellen des Akkublocks in unserem Prototyp, die Firma ThunderSky aus China, in Deutschland vertreten durch Air-Energy, ist ein solcher Hersteller. ThunderSky stellt Lithiumzellen mit einer Nominalspannung von 3,7 Volt und einer Kapazität von 1.000 Amperestunden (!) her. Die von uns verwendeten Zellen haben eine Kapazität von 200 Amperestunden (Ah) und kosten rund 350 Euro. Der Akkublock des Prototyps mit 14 Zellen kostet somit nur rund 5.000 Euro. Dies ist etwas mehr als die Hälfte des Fahrzeugpreises ohne Akku.

Dieser Preis ist nur etwa ein Zehntel dessen, was Hersteller von Lithiumakkus sonst verlangen. Hinzu kommen noch Kosten für die Akkuüberwachung von zurzeit etwa 1.500 bis 2.000 Euro. Diese Kosten mögen verglichen mit einem Bleiakku hoch erscheinen. Doch ist zu bedenken: Mit Bleiakkus beträgt die Reichweite allenfalls 50 bis 80 Kilometer. Bei 300 Ladezyklen ist oft schon die Lebensdauer erreicht. Nach 15.000 bis 24.000 Kilometern ist also Schluss und ein neuer Akku muss her.

Die mindestens 300 Ladezyklen des Lithiumakkus hingegen ergeben mit einer Reichweite von 300 Kilometern eine Lebensdauer von fast 100.000 Kilometern. Während der Nutzungsdauer eines CityEl wird also nie wieder ein neuer Akku fällig. Im Vergleich dazu muss für eine Reichweite von 100.000 Kilometern beim herkömmlichen CityEl Fact Four der Akku während eines Autolebens vier bis fünf Mal gewechselt werden. Dies verursacht Kosten bis zu 4.500 Euro.
Die tatsächlichen Mehrkosten sind relativ zur Lebensdauer und möglichen Fahrstrecke also eher gering. Dafür hat man den Luxus, so lange fahren zu können, bis einem sprichwörtlich der Hintern weh tut.

Philippe Welter