Batteriewechselsysteme für Elektromobilität

I Inhaltsverzeichnis

Eigenständigkeitserklärung

I Inhaltsverzeichnis

II Einleitung

III Hauptteil
1 Grundlagen
2 Das Konzept
2.1 Anbringung am Fahrzeug
2.2 Batterielager und Ladestation
2.3 Wechselmechanik
2.4 Die Batterie
2.4.1 Lithium-Ionen-Batterie
2.4.2 Lithium-Metall-Polymer-Batterie
2.4.3 Zink-Luft-Batterie
2.4.4 Zebra-Batterie
3 Der Markt
3.1 Nachfrage
3.1.1 Deutschland
3.1.2 Europa
3.1.3 Welt
3.2 Angebot
3.2.1 Alternative Antriebe
3.2.2 Vorhandene Systeme
3.2.2.1 Better Place
3.2.2.2 Kitto’s E-Mobilität
3.2.2.3 Carbike
3.2.2.4 Sonstige
3.2.3 Kommende Systeme
4 Ausblick
5 Zusammenfassung

IV Quellen

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

V Anhang

Telefoninterview mit Jürgen Krohn

II Einleitung

„Die Reichweite mit einer Batterieladung ist ein entscheidender Faktor für die Akzeptanz von Elektroautos. Nur ca. 10 % der Teilnehmer würden sich mit einer Strecke bis 100 km zufrieden geben. Jeder Fünfte will 200 km weit kommen. Die meisten (31,6 %) erwarten sogar 500 km Fahrt ohne lästige Ladepause.“ (Quelle: ADAC[1] )

Elektroautos sind die Hoffnungsträger für die Ära nach dem Öl. Doch der ADAC benennt das große Problem, das der flächendeckenden Einführung im Wege steht: Die Batterie. Entweder ist sie zu teuer und zu schwer, oder ihr geht nach kürzester Zeit die Ladung aus. 60 bis 160km Reichweite sind typisch. Zu wenig, finden zumindest die Befragten des ADAC.

Die Lösung: Ein Batteriewechselsystem. Ist eine Batterie entladen, wird sie gegen eine volle ausgetauscht. So schnell und so einfach wie Tanken. Aber welche Anforderungen muss eine Technologie erfüllen, damit sie für den langfristigen Einsatz geeignet ist? Wie können alle Bedürfnisse des Marktes erfüllt werden? Welche Lösungen sind bereits entwickelt worden - und haben Erfolg?

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, welche Komponenten ein Batteriewechselsystem ausmacht, und welche Parameter es berücksichtigen muss, um sich durchzusetzen. Der Markt wird von seiner Nachfrage- wie von seiner Angebotsseite beleuchtet, und es werden die Rahmenbedingungen analysiert, mit denen neue Technologien dieses Bereichs aktuell konfrontiert werden.

III Hauptteil

1 Grundlagen

Um von fossilen Brennstoffen dauerhaft unabhängig zu werden, müssen alternative Antriebsformen gefunden und ausgebaut werden. Zwei mobile Energiespeicher erwiesen sich bislang als vielversprechend: Wasserstoff bzw. dessen chemische Derivate - Schlagwort „Brennstoffzelle“ - und Elektrizität, mobil dank neuen Batteriearten mit hoher Energiedichte. Da Wasserstoff flüchtig ist - was Ende 2009 dazu führte, dass BMW seine Forschung in diesem Bereich einstellte[2] - präsentierte Audi nach drei Jahren Forschung „e-Gas“, aus elektrolytisch gewonnenem Wasserstoff synthetisiertes Methan, künstliches Erdgas[3]. Die technische Umsetzbarkeit wird sich zeigen, 2013 sollen die ersten e-Gas-Audis auf die Straße[4].

Elektrisch angetriebene Autos sind bereits auf Deutschlands Straßen zu finden. Der Bestand reiner Elektromobile erhöhte sich 2010 auf 2307, was einem Zuwachs von 45,3% gegenüber dem Stand von 2009 entspricht[5]. Die Zahl der Hybridmodelle stieg gar auf 37265 PKW, ein Anstieg um fast 30%. Letztere vereinen die Sparsamkeit der Elektromobile in der Stadt mit der Reichweite der fossil angetriebenen Fahrzeuge. Denn die Reichweite ist das große Problem der Elektroautos. Die R8-Version von Audis „e-tron“ schafft es auf knapp 250km - und die Batterie alleine wiegt schon 470kg[6]. Das Gesamtgewicht des Fahrzeugs, rund 1600kg, ist nur durch teuren Leichtbau zu erreichen. Die Verkleidung besteht fast gänzlich aus Kohlefaserverbund. Die A1-Variante hat eine rein elektrische Reichweite von 50km, die mithilfe eines Generators um 200km vergrößert werden kann. Für eine Strecke quer durch Deutschland sind also einige Tankstopps nötig.

Und diese Tankstopps dauern lange. Zwar sprechen einige Pressemeldungen von nur 15 oder 20 Minuten, aber dies sind meist Laborwerte, die in wissenschaftlichen Instituten erreicht wurden. Bislang bringt eine Stunde Aufladezeit im besten Falle genug Ladung für 50km[7]. Leistungsstarke Ladesäulen, wie jüngst von Siemens vorgestellt, halbieren die Ladezeit[8], senken aber auch die Lebensdauer der Batterie, wenn diese nicht ebenfalls speziell präpariert ist. In Anbetracht dieser Ladezeiten muss ein Weg gefunden werden, um die Batterie, welche die Energie für den Betrieb des Fahrzeugs liefert, auszuwechseln, mittels eines vernetzten und standardisierten Batteriewechselsystems.

2 Das Konzept

Das Prinzip ist nicht neu. Für Gabelstapler und Elektro-Gabelhubwagen gibt es seit Jahren Batteriewechselsysteme, welche von den Betrieben installiert werden können, um die maximale Verfügbarkeit des Lager-Fuhrparks sicherzustellen. Der Batteriewechsel für PKW läuft nach dem gleichen Prinzip ab, schematisch Dargestellt in Abbildung 1.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Materialfluss-Diagramm (Quelle: Eigene Grafik)

Die einzelnen Stationen sollen im Folgenden detailliert beleuchtet werden.

2.1 Anbringung am Fahrzeug

Während viele deutsche Hersteller sich gegen eine Standardisierung der Batteriebefestigung sträuben - VDA-Chef Wissmann sprach gar von einer „gesichtslosen Mobilitätskultur“[9] - und Batterien lieber fest ins Fahrzeug integrieren, hat die 2007 in Kalifornien gegründete und sich in Privateigentum befindliche Firma Better Place gemeinsam mit Renault-Nissan ein System entwickelt, welches sich als wettbewerbsfähig erwiesen hat. Details zu politischen Gesichtspunkten sollen im Kapitel 3: „ Der Markt “ erörtert werden, im Folgenden zunächst technische Betrachtungen.

Abbildung 2: Der Batteriewechsel bei Better Place (Quelle: Better Place)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Anbringung der Batterie erfolgt bei Better Place von unten. Zur Befestigung gibt die Firma keine Details preis.

Während beim Nissan Leaf - Details zur Markteinführung in Kapitel 3.2: „ Markt “ - „ Angebot “ - die Batterie flach am Unterboden angebracht ist, ist sie beim Renault Fluence Z.E. im Format eines Reisekoffers hinter den Rücksitzen angebracht. Sie ist etwa so groß wie zwei größere Koffer[10] und der Grund, warum die Konstrukteure das Fahrzeug um 15cm verlängert haben. Der

Kofferraum büßt dadurch den größten Teil seines Volumens ein. Der Wechsel wird wie beim Nissan von unten vorgenommen[11].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Die Batterie ist beim Renault hinter den Sitzen. (Quelle: www.greenmotor.co.uk)

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Abbildung 4: Der Batteriewechsel erfolgt wie beim Nissan an der Unterseite (Quelle: www.hybrid- elektrofahrzeuge.de)

Grundsätzlich ist eine Einbringung der Batterie seitlich, von hinten oder von unten denkbar. Zu beachten ist jedoch die rasche Abfertigung der Fahrzeuge - dies schließt eine Befestigung von der Hinterseite, oder gar auf Höhe von Kofferraum oder Motorhaube, von vornherein aus - und der Aspekt des Fahrzeugdesigns. Ein rund 100mm hoher Ausbruch an der Unterseite der Fahrzeugverkleidung ist weder praktisch noch ästhetisch. Die Anbringung von der Unterseite her ist demnach überlegen, und auch andere Erfinder von Batteriewechselsystemen entschieden sich für diesen Weg[12].

Um an der Unterseite genug Platz zu finden, ohne den Schwerpunkt zu sehr nach vorne oder nach hinten zu verlagern und so unnötig die Reifen und deren Aufhängung zu belasten, muss die Batterie hinreichen flach sein. Ein wichtiger Vorteil der an der Unterseite angebrachten, flachen Batterie: Der Schwerpunkt des Fahrzeugs liegt sehr tief. Nachteil: mangelnde Verwindungssteifigkeit bei der Handhabung.

Wichtige Parameter sind vor allem die Art der Befestigung und die Spannbreite an beweglichen Teilen an der Fahrzeugunterseite. Denn besonders die Unterseite von Kraftfahrzeugen ist einer widrigen Umgebung ausgesetzt: Frost und Hitze - beides nicht gerade vorteilhaft für ein chemisches System, wie die Batterie eines ist - sowie Nässe und Trockenheit. Neben der Witterung spielen auch umherfliegender Rollsplitt und Schmutz eine Rolle. Hiervor muss die Batterie nach Möglichkeit geschützt werden. Eine stabile Außenhaut ist daher ratsam - sofern noch hinreichend Wärme abgeführt werden kann, um eine Überhitzung zu vermeiden. Es bleibt aber festzuhalten, dass die Art der Befestigung auch bei Verunreinigung noch lösbar sein muss.

Des Weiteren muss die Befestigung den Vibrationen stand halten, welche beim Fahren unweigerlich entstehen. Eine exakte, eindeutige und robuste Positionierung ist daher notwendig. Ein zentrales Thema ist dazu die Unfallsicherheit: Bei einem Crash darf die Batterie - und prinzipiell auch ihr Kühlsystem - nicht beschädigt werden. Mehrere Brände beim Lufttransport von Lithium-Ionen-Batterien haben gezeigt, dass die Module nicht feuerfest und teils sogar selbstentzündlich sind.

Als Befestigungshilfsmittel wären beispielsweise Haken, Elektromagnete, Bolzen oder Schrauben denkbar, auch eine Schubfach-Variante lässt sich in Betracht ziehen. Jedoch wäre ein Schubfach nur seitlich zu realisieren, was der Gestaltungsfreiheit der Automobilhersteller widerstrebt. Elektromagnete sind bei einem Ausfall der Fahrzeugelektronik nicht hinreichend sicher. Für eine Anbringung von unten böte sich eine Kombination aus Führungsbolzen und elektrisch verstellbaren Haken (soweit resistent gegen Schmutz) oder Stellschrauben an. Bei der konkreten Auslegung ist jedoch großer Wert auf das Verhalten bei Unfällen zu legen.

2.2 Batterielager und Ladestation

Zwischen den Einsätzen im Automobil muss die Batterie geladen und auf eventuelle Probleme überprüft werden. In älteren Studien wird auf die Überprüfung verzichtet[12], für einen flächendeckenden Einsatz ist sie jedoch unverzichtbar. Beispielsweise könnte mittels geeigneter Ladeelektronik die Aufladedauer und Kapazität überprüft und mit batteriespezifischen, gespeicherten Werten verglichen werden.

Des Weiteren muss erkannt werden, welche Aufladegeschwindigkeit die Batterie unterstützt, und dementsprechend die benötigte Leistung zur Verfügung gestellt werden. Bereits jetzt tummeln sich unterschiedlichste Batterietypen auf Europas Straßen: Während kleine Fahrzeuge wie elektrisch angetriebene Zweiräder mittels üblicher 230V-Haushaltsstecker bei 16 Ampère mit maximal 3,7kW geladen werden, präsentierte Siemens jüngst eine Ladesäule, die mit einer dreiphasigen Wechselspannung bei 32 Ampère auf 22kW kommt[8]. Theoretisch sind auch wesentlich größere Ströme möglich, jedoch ziehen diese in zunehmendem Maße eine Alterung der Batterie nach sich. Es ist anzunehmen, dass je nach Ladegeschwindigkeit nach 1000 - 4000 Ladezyklen eine Verringerung der Ladekapazität um 20% zu verzeichnen ist [[13], [14]].

Die benötigte Lagerkapazität hängt neben der Ladezeit vor allem davon ab, ob Batterien nur einer oder verschiedener Kapazitäten vorrätig gehalten werden sollen. Auch im zweiten Fall sollte die Anzahl verfügbarer Größen aber auf ein halbes Duzend zu beschränken sein.

Es folgt eine hypothetische Berechnung der durchschnittlichen Lagerkapazität einer Batterieaustauschstation ausschließlich für PKW.

Annahmen:

- Durchschnittliche Batteriekapazität von 24kWh[15], Reichweite 160km [16]
- Wechsel nach 85% Entladung
- Durchschnittliche Wegstrecke von 11.450 km pro Annum je Führerscheininhaber[17] (Umfrage des Ifak Instituts), 60 Millionen Führerscheininhaber in Deutschland
- 800 Stationen (von den 16.404 Tankstellen in Deutschland sind rund 340 an Autobahnen[18], der Batteriewechsel betrifft vorrangig Langstrecken, wie auch Überlandfahrten). Voraussetzung ist auch hier die Durchsetzung eines landesweiten einheitlichen Standards.
- Ladeleistung von 22kW[8]
- 50% der PKW-Kilometer werden elektrisch bereitgestellt, davon 20% mittels Batteriewechsel
- 20% der rund 40 Millionen deutschen PKW verfügen über eine auswechselbare Batterie

Nach einfachen Berechnungen folgen daraus diese Ergebnisse:

- Das Aufladen einer Batterie dauert durchschnittlich 0,93h
- Pro Jahr und Station erfolgen durchschnittlich 631.434 Batteriewechsel,
das sind stündlich im Schnitt 72 - so viele aufgeladene Batterien muss
jede Station bereitstellen können (zu Stoßzeiten ein Vielfaches davon)
- Somit sind zu jedem Zeitpunkt durchschnittlich 67 Batterien in jeder Station
- Unter Vernachlässigung der Stoßzeiten (Æ Vervielfachung des Bedarfs)
und der Auswechselzeit (1 - 5 Minuten) müssen lediglich 0,67% mehr
Batterien im System sein, als sich in den Fahrzeugen befinden.

Nimmt man an, dass zu Stoßzeiten die zehnfache Menge an Energie bereitgestellt werden muss, deckt sich diese Berechnung mit den Berechnungen, die auch von der deutschen Carbike GmbH angestellt wurden, und nach denen 5 - 10% zusätzliche Batterien benötigt werden[19].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Batterielagersystem in der Batteriewechselstation für Tokyos Elektrotaxi-Projekt (Quelle: Better Place)

2.3 Wechselmechanik

Die Wechselmechanik ist der Mittler zwischen der KFZ-Anbringung und dem Lagersystem. Bevor die entleerte Batterie gelöst und entfernt wird, muss der Unterboden eventuell gewaschen und von Schmutz befreit werden. Für die exakte Positionierung der Batterie ist außerdem ein Ausrichten des Schlittens unter dem Fahrzeug notwendig. Besonders im Bereich der Flurförderzeuge wurden in den letzten 10 Jahren zahlreiche Patente bezüglich des Ablaufs von Batteriewechseln veröffentlicht. Diese zielen meist darauf ab, den Vorgang zu beschleunigen und zu vereinfachen, gerade im Sinne der Handhabung.

Bei Better Place geschieht der Wechsel vollautomatisch. Es kann daher nur eine Batteriegeometrie gegriffen und gehandhabt werden, die Regelungstechnik für die Positionierung des Schlittens ist aufwändig und teuer, dafür wird das Fehlerpotenzial Mensch auf ein Minimum reduziert.

Beim Wechsel von Hand, wie bei mit Batteriewechselsystem ausgestatteten Gabelstaplern oder Bastler-Elektrofahrzeugen, bietet deutlich mehr Flexibilität und ist wesentlich kostengünstiger. Es muss jedoch auf solide Anschlüsse geachtet werden, da diese ohnehin nicht auf häufiges Koppeln und Entkoppeln ausgelegt sind. Es ist zu hoffen, dass die von der EU subventionierte laufende Forschung für die Bereitstellung von Standards sorgt, die diesem Faktor Rechnung tragen. Im Sinne des marktwirtschaftlichen Wettbewerbs zum Wohle der Verbraucher scheint eine flexible Lösung wie der manuelle Wechsel zukunftsweisend. Ein komfortables Handling kann durch Handgriffe am Batteriemodul und evtl. ergonomischen Hilfsmitteln an der Lagerstation erreicht werden. Im Bereich der Flurförderzeuge gibt es diesbezüglich zahlreiche Patente, es ist wahrscheinlich dass der Bereich der elektrischen PKW eine ähnliche Entwicklung erfahren wird.

In Abbildung 6 und 7 ist der Batteriewechsel beim System von Better Place dargestellt. Es ist erkennbar, dass der horizontale Transport mittels Riementrieb und auf Schienen erfolgt, der vertikale Transport mittels eines Hubtischs.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Die Plattform fährt unter das Fahrzeug (Quelle: Better Place)

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Abbildung 7: Die Batterie wird in das Fahrzeug gehoben (Quelle: Better Place)

2.4 Die Batterie

Die Batterie stellt noch die größte Herausforderung bei der serienfertigen Herstellung von Elektroautos dar. Wichtige Kriterien sind eine hohe Energiedichte, Voraussetzung für eine ausreichende Reichweite, sowie eine hohe Leistungsdichte, Voraussetzung für gute Fahrleistungen. Außerdem muss die Batterie bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen zufriedenstellend arbeiten, und darf kein Sicherheitsrisiko darstellen.

2.4.1 Lithium-Ionen-Batterie

Die Lithium-Ionen-Batterie, die derzeit am häufigsten verbaut wird, erfüllt die meisten der Kriterien recht zufriedenstellend, lediglich in Bezug auf die Sicherheit gibt es noch Probleme. Lithium-Ionen-Batterien haben eine hohe Zyklenfestigeit und großes Verbesserungspotenzial, und werden schon jetzt in Mobiltelefonen und anderen Elektrogeräten verbaut. Bei einem Kurzschluss besteht jedoch Explosionsgefahr. Die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien ist noch recht teuer. Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien beträgt momentan etwa 0,12 - 0,20 kWh/kg (vgl. Diesel: 11,9 kWh/kg). Die großen Hersteller streben Reichweiten von maximal 400 km an[20].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Batterie des Nissan Leaf. (Quelle: www.treehugger.com; Nissan)

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