Netzintegration in der Elektromobilität. Ladestrategien und Ladesicherheit für den Elektroverkehr der Zukunft

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Elektromobilität
2.1 Allgemeine Übersicht des Elektrofahrzeugs
2.2 Elektroauto Typen
2.2.1 Unterschiedliche Typen von Elektroautos
2.2.2 Das reine Elektroauto (BEV)
2.2.3 Range Extender (REEV)
2.2.4 Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV)
2.3 Elektrofahrzeuge im Alltag
2.4 Konstruktion von Elektrofahrzeugen
2.4.1 Bauweise von Elektrofahrzeugen
2.4.2 Grund zur Auswahl eines Elektrofahrzeugs

3 Energiequelle bei der Elektromobilität
3.1 Batterien
3.2 End of life einer Batterie
3.3 Batterie für Elektrofahrzeuge
3.3.1 Lithium-Ionen-Batterie
3.3.2 Integration der Lithium-Batterie in die Elektrofahrzeuge
3.4 Aufbau eines Batteriesystems
3.5 Vorschriften für die Entwicklung alternativer Akku Typen für Elektroautos
3.5.1 Neue Stoffe zur Ersetzung von Kobalt in Autobatterien
3.5.2 Feststoffbatterie

4 Ladekonzepte
4.1 Konduktives Laden
4.2 Induktives Laden
4.3 Batteriewechsel
4.4 Bidirektionale Ladung
4.5 Ladestrategien
4.5.1 Direkte Ladestrategie
4.5.2 Indirekte Ladestrategie
4.5.3 Autonome Ladestrategie

5 Erhaltung der Energie einer Batterie
5.1 Erhaltungsladung
5.2 Voll- und Ausgleichsladung
5.3 Ladeverfahren
5.4 Ladevorgang der Elektrofahrzeuge
5.5 Ladestabilität und Ladesicherheit einer Batterie
5.5.1 Passives Balancing
5.5.2 Aktives Balancing
5.5.3 Single Winding Transformator
5.5.4 Multi Winding Transformator
5.5.5 Multiple Transformator

6 Ladestationen oder Ladesäulen für Elektroautos
6.1 Ladestromtypen (Wechsel oder Gleichstrom)
6.2 Wechselstromladen
6.3 Gleichstromladen
6.4 Ladespannung und Leistung
6.5 Ladekabel für Elektrofahrzeuge
6.5.1 Kabelquerschnitt
6.6 Ladeanschluss Typen
6.7 Lademanagement für Elektrofahrzeuge
6.8 Netzanschluss von Ladeeinrichtungen > 4,6 kVA

7 Netz
7.1 Netzstruktur in Deutschland
7.2 Lastprofile des Netzes
7.3 Netzqualität
7.3.1 Transienten
7.3.2 Oberschwingungen
7.3.3 Zwischenharmonische
7.3.4 Spannungsschwankungen
7.3.5 Spannungseinbrüche
7.3.6 Flicker
7.3.7 Unsymmetrie
7.3.8 Die wichtigsten Normen zur Netzqualität
7.4 Netz Integration eines Elektrofahrzeugs
7.5 Einfluss des Schneller Laden auf das Netz
7.6 Leistungsbelastung

8 Elektrofahrzeuge und Netzstabilität

9 Netzanschluss

10 Normen über Netzintegration der Elektromobilität
10.1 Normen

11 BelastungdesNetzesdurchElektromobilität
11.1 Einfluss des Ladens von Elektrofahrzeugen auf das Netz
11.2 Oberschwingungsströme durch E-Mobile
11.3 Oberschwingungsströme im Neutralleiter
11.4 Einfluss der Elektroautos auf die Übertragungsleistung

12 Maßnahmen zur Verbesserung der Netzintegration von Elektromobilität
12.1 Bidirektionale Ladung
12.2 Lokale Spannungsregelung
12.3 Globale Spannungsregelung

13 Zusammenfassung

14 Abkürzungen Verzeichnis

15 Literaturverzeichnis

1 Einleitung

Um das Phänomen des Klimawandels zu stoppen, wurde von der EU die CO2-Verordnung verabschiedet, damit Autohersteller der Europäischen Union ab dem Jahr 2020 dafür sorgen müssen, den CO2-Ausstoß ihrer Neuwagenflotten auf durchschnittlich 95g/km zu reduzieren. Dieser Wert korrespondiert mit einem 4,1 Liter Benzin- oder 3,6 Liter Dieselverbrauch pro 100 km Fahrt. Nach dem KBA (Kraftfahrtbundesamt) lag in Deutschland dieser Durchschnittswert noch bei 141,8 g /km im Jahr 2012. Dass diese Werte noch so hoch liegen bedeutet, dass selbst mit optimierten Verbrennungsmotoren die neuen festgelegten Grenzen nicht zu erreichen sind. Aus diesem Grund kommt das Konzept der Elektromobilität zum Einsatz, denn Elektrofahrzeuge weisen keinen auf und sind deshalb eine ideale Option um den mathematischen Durchschnittswert zu senken ¹. Die Elektromobilität ist ein wesentlicher Baustein zur zukünftigen Ausrichtung des Personen- und Güterverkehrs. Die globale Verkehrsleistung steigt nach aller Vorausschau an. Einige Studien sagen sogar einer Verdopplung des weltweiten Fahrzeugbestands bis 2030 vorher. Dies ist eng mit einer Verknappung der fossilen Energiequellen verbunden, namentlich das Erdöl, und dadurch steigende Kraftstoffpreise. Die Notwendigkeit einer Reform der Verkehrssysteme ist auf ambitionierte Klimaschutzziele zurückzuführen, die durch extensive Studien z.B. vom Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) oder der International Energy Agency (IEA) unterstrichen wurden. In Deutschland ist bis 2050 eine Senkung der Treibhausgasemission (THG-Emissionen) um 80% gegenüber 1990 zu erreichen. Dies ist im Kontext des Energiekonzepts einer formulierten Zielsetzung der Bundesregierung.

Das Ziel ist, die Endenergienachfrage aus dem Verkehr gegenüber 2005 um 40 % zu reduzieren, mit einer ausschließlichen Optimierung von konventionellen Pkw ist dies nicht zu erreichen ². Aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen sowie wachsenden Kraftstoffpreisen, wegen Klimawandel und Umweltschutz ist das Interesse an der Elektromobilität in den letzten Jahren konstant gewachsen. Deshalb haben Hybrid- und Elektrofahrzeuge mehr Aufmerksamkeit und eine starke Präsenz bei der Suche nach Lösungen in der Gesellschaft geweckt.

Die Elektromobilität wird auch durch die Bundesregierung gefördert mit dem Zweck, dass eine Million Elektrofahrzeuge bis 2020 sich auf deutschen Straßen befinden sollten. Dies stellt die hohe Wichtigkeit der Elektromobilität für ein zukunftsfähiges Mobilitätskonzept dar. Damit die Elektromobilität erfolgreich sein kann, benötigt man zuverlässige, beständige und effiziente Akkumulatorenum die Energie zu speichern. Lithium-Ionen Batterien sind für diese Aufgabe die geeigneten Energiespeicherelemente aufgrund ihrer Besonderheiten wie zum Beispiel: hohe Energie- und Leistungsdichte, geringe Selbstentladung, schnelles Laden und lange Lebensdauer. Trotz der zahlreichen Vorteile dieser Technologie sind die hohen Kosten von Lithium-Ionen Batteriesystemen ein ernst zu nehmender Nachteil, denn die Kosten eines Batteriepacks alleine betragen mehr als 81 % der globalen Kosten des Antriebsstrangs eines Elektrofahrzeugs. ³.

In der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen der Elektromobilität erläutert und Ladestrategien, die bei Elektrofahrzeugen adaptiert werden sollten um eine höhere Ladesicherheit zu garantieren, erörtert, außerdem wird auch beleuchtet, wie Elektromobilität das Stromnetz unsere Städte beeinflussen könnte, falls viele Elektrofahrzeuge gleichzeitig an das Netz angeschlossen würden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1: Darstellung eines Elektrofahrzeugs ⁴.

2 Elektromobilität

Elektromobilität als elektrisch angetriebener Individualverkehr ist ein altes Phänomen, denn bereits in den 1990er Jahren wurden in Deutschland unzählbare Untersuchungen durchgeführt, wie batteriebetriebene Pkw realisiert werden können, ohne dass es jedoch zu einer breiten Kommerzialisierung kam. Die Situation ist heute aus einer Reihe von Gründen anders, und das Marktsegment für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge erscheint für die kommenden Jahre im Bereich der Elektromobilität sehr aussichtsreich ².

Mit Elektromobilität ist gemeint, dass Personen- und Güterverkehr mit durch elektrische Energie angetriebene Fahrzeuge transportiert werden. Bei Elektrofahrzeugen denkt man unmittelbar auch an Eisenbahnen. Außerdem zählen zur Elektromobilität nicht nur Elektroautos und Eisenbahnen, sondern auch Elektrofahrzeuge wie Elektrofahrräder und -motorräder, Elektrobusse sowie Elektroroller. Diese Fahrzeuge sind mit durchzugsstarken Motoren eingerichtet, wie herkömmliche Fahrzeuge fantastisch ausgestattet und können heute nicht nur die meisten Alltagsfahrten abdecken, sondern auch hohe Reichweiten erreichen. Neben den gewöhnlichen Elektrofahrzeugen wird heute auch der sogenannte Plug-In-Hybrid angeboten, der sowohl mit fossilem Kraftstoff betrieben werden kann als auch mit Akku (Batterie). Diese Plug-in-Hybriden besitzen zusätzlich einen Verbrennungsmotor. Hybride Fahrzeuge sind in der Lage, Kurzstrecken bis 50 km mit elektrischer Energie zu fahren. Allerdings wird für größere Strecken dann Kraftstoff eingesetzt ⁶.

2.1 Allgemeine Übersicht des Elektrofahrzeugs

Es ist immer versucht worden, seit der Erfindung des Automobils Elektromotoren in den Kraftfahrzeugen als Antrieb einzusetzen. Durchgesetzt hat sich von diesen technologischen Entwicklungen die Akkutechnik. In den letzten Jahren wurden mit Elektromotoren eingerichtete Fahrzeuge alltagstaugliche Konkurrenz zu den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. 1882 wurde von Werner von Siemens der elektrische Kutschenwagen in die deutsche Hauptstadt Berlin gebracht. Außerdem wurde in Paris auf der Weltausstellung im Jahr 1900 der Weltöffentlichkeit das Elektroauto „Lohner-Porsche“, das in Wien von Ferdinand Porsche entwickelt wurde, vorgestellt. Trotz diesen Fortschritten im Bereich der Elektromobilität wurden Benzinmotoren immer bevorzugt und weiter eingesetzt, da ihre Reichweite offensichtlich größer war als die von elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Der Wendepunkt war die Erfindung des Li-Ionen-Akkus. Die Firma Sony war 1991 die erst Firma, die Li-Ionen-Akkus in Videokameras einsetzte und diese sind heute in Smartphones, Tablets, Notebooks, usw. nicht mehr wegzudenken.

Es ist festzustellen, dass dieser Akku (Lithium-Akku) eine Menge von Vorteilen vereint, nämlich: er besitzt eine hohe Speicherdichte, eine sehr geringe Selbstentladung und er hat darüber hinaus keinen Memory Effekt.

Dagegen ist der höhere Preis bei diesem Batterietypen ein ernst zu nehmender Nachteil. Aber ein Einsatz ist in vielen genannten Mobilen durch diese Vorteile gerechtfertigt. In den vergangenen Jahren wurden nun diese Art Akkus so zu größeren Paketen zusammengesetzt, dass die elektrische Leistung ebenso wie die Kapazität für den Einsatz in Kraftfahrzeugen erlaubt wurde.

Außer der Firma Sony war die Firma TESLA eine der ersten, die diese Technik im Auto einsetzte ⁶. Das untenstehende Bild 2 zeigt einige der ersten Elektroautos.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2: Damalige Elektroautos, Modelle ⁸.

2.2 Elektroauto Typen

2.2.1 Unterschiedliche Typen von Elektroautos

Wenn man von Elektroautos spricht, geht es in Allgemeinen um Fahrzeuge, die zum Fahren eine elektrische Energiequelle benötigen. Diese Elektroautos sind auch in drei verschiedene Modelle zu unterscheiden entsprechend ihres Fahrverhaltens. Man unterscheidet hier das reine Elektroauto, den Range Extender und den Plug-in-Hybrid ⁹.

2.2.2 Das reine Elektroauto (BEV)

Das reine Elektroauto (BVE) besitzt ausschließlich einen Elektromotor, der bei der Fahrt durch die mitgeführte Energie Quelle (Akku) versorgt wird. Um diese Energie Quelle aufzuladen, benötigt man das Stromnetz.

Aber durch die sogenannte Rekuperation, nämlich die Bremsenergie, wird die Batterie auch während der Fahrt wiederaufgeladen. Da die englische Bezeichnung dieser Fahrzeuge „Battery Electric Vehicle“ ist, werden diese Elektroauto Modelle auf Deutsch auch BEV genannt ⁹.

2.2.3 Range Extender (REEV)

Die Range Extender Modelle haben einen Elektroantrieb und zusätzlich einen Verbrennungsmotor. Das Ziel dieser Kombination von Elektromotor und Verbrennungsmotoren ist eine Verlängerung der Reichweite, denn die Li-Ionen-Batterien von reinen Elektroautos haben bislang noch limitierte Reichweiten. Aus diesem Grund sind diese Modelle als „Range Extender Electric Vehicle (REEV)“ bekannt, auf Deutsch werden sie auch „Reichweitenverlängerer“ genannt.

Wegen der Batterietechnik, die bislang noch sehr teuer ist, bieten einige Autokonzerne dieses Modell an. Der Verbrennungsmotor dient hier nicht dazu, die Fahrzeuge anzutreiben, sondern ist dafür zuständig, Strom zum Aufladen der Batterie zu erzeugen, was diese Auto Typen auch von Hybrid-Autos unterscheidet.

Wenn die Energie der Batterie während der Fahrt zu niedrig wird, kommt der Range Extender automatisch zum Einsatz und sorgt durch den Ladestrom dafür, dass der Batteriestatus konstant bleibt. Dadurch kann man das Liegenbleiben des Autos wegen leerer Batterie vermeiden ⁹.

2.2.4 Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV)

Hybride Fahrzeuge sind eine Vereinigung in einem Fahrzeug von Elektroantrieb und konventionellem Antrieb, die alle beide dafür sorgen müssen, dass das Auto so weit wie möglich fährt. Deshalb werden sie als „Hybrid Electric Vehicle" (HEV), Hybrid Fahrzeuge genannt. Wie oben beschrieben, besitzen diese Auto Modelle einen Elektromotor und einen Verbrennungsmotor. Der ausgesprochene Vorteil der Hybrid Fahrzeuge liegt darin, dass man damit kleine Strecken mit Elektroantrieb fahren und mit dem herkömmlichen Antrieb längere Strecken zurücklegen kann.

Es ist aber zu hoffen, dass mit den Entwicklungsfortschritten, die in der Akku-Technik in der Zukunft zu erwarten sind, die Reichweite der elektrischen Anteile immer größer wird.

Die Batterieaufladung in Hybrid Fahrzeugen wird von Rekuperation und Verbrennungsmotor übernommen, aber wenn das Laden der Batterie auch von einer externen Quelle, wie dem Stromnetz übernommen wird, spricht man nicht nur von Hybrid Fahrzeugen (HEV), sondern von „Plug-In-Hybrid Electric Vehicle“ (PHEV). Das untenstehende Bild zeigt eine Darstellung von verschiedenen Elektroauto Typen ⁹.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3: Elektrofahrzeug Typen

Tabelle 1: Typen von Elektrofahrzeugen ¹⁰.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3 Elektrofahrzeuge im Alltag

Elektrofahrzeuge sind heutzutage überall dort, wo Personen und Güter bewegt werden, anzutreffen, sowohl in der Zweiräderwelt als auch in der Vierräderwelt. Bei den Zweirädern sind Fahrräder wie Pedelecs, schnelle Pedelecs und E-Bikes zu nennen. E-Bikes haben fast die gleichen Eigenschaften wie ein Elektromofa und können mit elektrischer Energie gefahren werden und das sogar, ohne dass man auf die Pedale treten muss. Falls sie eine Höchstgeschwindigkeit von 20 km pro Stunde haben und eine maximale Leistung von 500W werden sie als Kleinkraftrad bezeichnet.

Früher waren solche Fahrzeuge sogar als Leicht-Mofa bekannt. Die Reichweite von Elektrorädern beträgt zwischen 50 und 100 km. Eine andere Sorte von Elektrofahrzeugen wird Segway genannt. Bei diesem Fahrmittel steht der Fahrer auf einer zwischen den Antriebsrädern eingerichteten Stelle. Ein Gleichstrommotor treibt die Räder an. Die Lenkung des Fahrzeugs ist durch Neigung entweder nach links oder nach rechts mit der Lenkstange und Gewichtsverlagerung des Fahrers möglich. Segways sind in der Lage, eine maximale Geschwindigkeit von 20km/h zu erreichen, sie sind oft mit einer Akkukapazität von 5,8Ah eingerichtet bei einer Versorgungsspannung von 73,6 V. Damit erreichen sie eine Reichweite von 25 bis 39 km. Elektro-Scooter und Motorräder sind auch heute in der Elektromobilität zu finden, diese haben allerdings im Vergleich zu Elektrofahrrädern eine höhere Fahrleistung. Das Motorrad BMW C Evolution zum Beispiel kann bis zu 100km (Herstellerangabe) Reichweite erreichen, bei einer maximalen Geschwindigkeit von 120 km/h. Diese entspricht einer Nennleistung von 11kW bzw. einer Spitzenleistung von 35kW.

In der Vierräder Kategorie sind folgende Fahrzeuge zu unterscheiden: Elektrotaxis: es wurde in Berlin nach einer Studie behauptet, dass der Einsatz von Elektrotaxis in der Stadt möglich ist, falls Ladeinfrastrukturen aufgebaut werden. Es lassen sich allerdings nur Elektroautos als Taxis einsetzen, die blitzschnell geladen werden können. Darüber hinaus muss eine alternative Lösung für die Heizung gefunden werden, um in den kalten Jahreszeiten die Reichweite der Batterie des Autos nicht zu beeinflussen. Elektrobusse sind ein hervorragender Beitrag für die öffentlichen Kurzstrecken im Nahverkehr. Somit können Personen in der Stadt und deren Umgebung emissionsfrei und mit weniger Lärm befördert werden. Apriori sind bei den Elektrobussen die Plug-In-Hybride bevorzugt, weil große Strecken mit Dieselantrieb befahren werden können. Der elektrische Antrieb kommt vorwiegend bei kurzen Strecken, Ein- und Abfahren und emissionsempfindlichen Zonen zum Einsatz.

Beim Fahren erzeugt der Dieselmotor Strom, um die Batterie des Fahrzeuges aufzuladen.

Was die Transporte von Gütern angeht, hat die Deutsche Post DHL in Kollaboration mit der Firma Street-Scooter GmbH für Paketzustellungen Elektrofahrzeuge auf Anforderung des Bundesumweltministeriums der Bundesrepublik Deutschland entwickelt. Das Ziel ist, die CO2 Emission jährlich um 500 Tonnen zu reduzieren. Einige Modelle dieser Zustellungsfahrzeuge sind unter anderem: Renault Kangoo Z.E, Daimler Vito E-Cell, Street-Scooter und Iveco Daily Electric. Alle diese Fahrzeuge wiegen 3,5 – 5,0 Tonnen. Elektro-LKWs zählen zu diesen besonderen Fahrzeugen und erfüllen den gleichen Zweck. Die Elektrokraftfahrzeuge der Firma E-Force ONE AG bieten eine größere Transportfläche für die Güter. Diese Elektro-LKWs wurden hergestellt, um einen besseren und zuverlässigen Transport der Güter in nahen und entfernten Regionen zu gewährleisten. In Kooperation mit dem Großhändler Lidl-Schweiz wurde für diesen besonderen Transport ein Elektro-LKW-Modell extra entwickelt, um die Lebensmittel zu transportieren. Hiermit kann ein Lebensmittel-Transport ohne CO2-Austoß und ohne erheblichen Lärm erfolgen ¹⁰.

2.4 Konstruktion von Elektrofahrzeugen

2.4.1 Bauweise von Elektrofahrzeugen

Im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren ist die Bauweise von Kraftfahrzeugen mit Elektromotoren sehr einfach. So ist ihre Antriebsanlage einfach und ohne Katalysator aufgebaut, von dem der Wirkungsgrad abhängt. Außerdem müssen Elektrofahrzeuge ähnliche Erwartungen wie die Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren erfüllen. Hierfür sind bei der Herstellung Parameter wie beispielsweise Reichweite, Flexibilität, Fahrkomfort und Wirtschaftlichkeit dieser Elektroantrieb-Fahrzeuge einzuhalten, um die gleichen Bedingungen wie Benzin- oder Dieselfahrzeuge zu erfüllen ¹².

Die Abbildung 4 spiegelt die verschiedenen Eigenschaften dieser Elektrofahrzeuge.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4: Eigenschaften eines Standardelektroautos ¹².

Die untenstehende Abbildung stellt die Grundkonfiguration eines Elektrowagens dar. Die hierfür benötigte Energie dieser Elektrofahrzeuge wird von chemischen Batterien (Lithium-Batterie) produziert. Hierbei übernimmt die Leistungselektronik die Steuerung der Leistung und der Frequenz, je nachdem mit welcher Geschwindigkeit das Fahrzeug betrieben wird. Hierbei können Drehzahl und Drehmoment des Elektromotors bestimmt werden ¹⁴.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 5: Allgemeine Darstellung eines Elektroautos ¹⁴.

2.4.2 Grund zur Auswahl eines Elektrofahrzeugs

Der tatsächliche Wirkungsgrad bei Elektromotoren ist unter technischen Bedingungen 3 bis 4 Mal besser als der von Kraftstoff angetriebenen Motoren, denn bei den Verbrennungsmotoren wird nur ein Viertel der zur Verfügung stehenden Leistung an den Antriebsstrang weitergeleitet. Dies bedeutet, dass für eine Kilowatt-Leistung ca. 260 W an den Antrieb übergeben werden, während bei Elektromotoren für 1 Kilowatt-Leistung 880 – 960 W übertragen werden.

Dies weist darauf hin, dass die Elektromotoren einen kleineren Aufbau haben als Verbrennungsmotoren mit gleicher Leistung. Durch einen kleinen Motor ist ein kleines Gewicht vorgesehen, was in den Elektrofahrzeugen mit den heutigen noch sehr schweren Batterien ausgeglichen werden kann, da Batterien heute noch sehr schwer sind. Deshalb sind Elektrofahrzeuge generell schwerer als ähnliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Das zusätzliche Gewicht erfordert von dem Elektromotor zusätzliche Leistung, um die Fahreigenschaften der Elektrofahrzeuge mit denen der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren gleichen Typs auf gleiches Niveau zu bringen ¹⁶.

2.4.2.1 Vorteile des Elektroantriebs

Die in einem Elektrofahrzeug vorhandenen Elektromotoren sind die Energiewandler von elektrischer zu mechanischer Energie. Die Umwandlung verläuft mit geringem Energieverlust.

Die Elektromotoren verfügen über die Kapazität, 90% der erhaltenen elektrischen Energie in mechanische Energie umzuwandeln, während herkömmliche Verbrennungsmotoren nur in einem begrenzten Drehmoment oder Drehzahl maximal 40% der erhaltenen Energie in mechanische Energie umwandeln können. Diese Energieumwandlung von 40% erfolgt ausschließlich, wenn das Fahrzeug in Betrieb ist. Außerdem ermöglichen Elektromotoren beim Bremsen mittels Elektroinstallationen die Umschaltung zum Generatorbetrieb. Beim Bremsen des Fahrzeuges wird eine Bremsenergie erzeugt, die zur Aufladung der Batterie dient. Wenn die durch Elektromotoren gewonnene Energie zu seiner bereits vorhandenen Energie (Umwandlungskapazität von 90%) hinzusummiert wird, kann der geringere Energiekonsum des Elektrofahrzeugs festgestellt werden. Herkömmliche Motoren verfügen nicht über diese Kapazität der zusätzlichen Energiegewinnung nicht. Darüber hinaus haben Elektromotoren im Vergleich zu den herkömmlichen Motoren einen relativ unkomplizierten Aufbau und eine höhere Nutzungsdauer. Elektroautos haben eine gute Reputation als Umwelt- freundliche Fahrzeuge, denn sie emittieren weder beim Fahren noch im Stand Schadstoffe in die Atmosphäre. Deshalb werden sie als „Zero Emission Vehicle (ZEV)“ bezeichnet. Entsprechend des von der CARB-Gesetzgebung des US-amerikanischen Bundesstaates Kalifornien angelegten Abgasstandard. Diese sogenannte Organisation CARB (California Air Resources Board) ist wegen ihres sehr strengen Luftreinhaltungsgesetzes bekannt. Mit Elektroantrieben hat man die Vorteile, dass man damit ab den ersten Umdrehungen schon ein starkes Drehmoment hat und einen höheren Drehzahlbereich erreichen kann. Ein herkömmlicher Schaltbetrieb ist nicht für besondere Eigenschaften vorgesehen. Nur ein Untersetzungsgetriebe, das einstufig ist, ist für die Drehzahlanpassung geeignet. Daraus folgt, dass die Fahrt über den kompletten Geschwindigkeitsbereich ruhig und entspannend wird. Dank seines hohen Drehmoments erlaubt ein Elektromotor, dass sich das Fahrzeug schon bei niedriger Drehzahl mit hohen Tempos aus dem Stand anfährt. Aus diesem Grund identifizieren sich Elektrofahrzeuge durch ihr Potenzial, eine dynamische Fahrweise anzubieten. Was die Geräusche während der Fahrt angeht, produzieren Elektrofahrzeuge im Vergleich zu Verbrennungsmotoren sehr wenig Lärm. Und dieser führt dazu, dass sogar beim Fahren mit höherem Tempo im Fahrzeug eine ruhige und angenehme Geräuschkulisse gefühlt wird. Außerdem sind Elektrofahrzeuge sehr einfach aufzubauen und leichter zu regeln. Es ist auch zu bemerken, dass bei gleicher Leistung Elektromotoren leichter und kleiner als herkömmliche Verbrennungsmotoren sind und generell keine Wartung benötigen. Die elektrische Regelung von Elektromotoren ist einfacher und Elektrofahrzeuge lassen sich von Vorwärts- in Rückwärtsbewegung durch elektronische Wege schalten anstatt mit Schaltgetriebe ¹⁷.

2.4.2.2 Nachteile des Elektroantriebs

Trotz zahlreicher Vorteile hat Elektroantrieb auch Nachteile. Elektrofahrzeuge kosten wesentlich mehr als herkömmliche Fahrzeuge, denn die Li-Ionen-Batterie erfordert einen besonders hohen Preis, während die Leistungselektronik fast genauso viel wie beim Verbrennungsmotor kostet. Im Jahr 2014 zum Beispiel kostete eine 20 kWh-Batterie noch mehr als zehntausend Euro. Es ist aber zu bedenken, dass diese hohen Preisen mit der Zeit kleiner werden und die Akkus bis zum Jahr 2020 nur noch die Hälfte der heutigen Preise kosten. Es sollten aber nicht nur die Anschaffungskosten betrachtet werden, wenn man bei Elektrofahrzeugen eine Preisanalyse machen möchte, sondern auch ihr niedrigerer Energieverbrauch und ihre leichtere Bauweise. Als weitere Nachteile des Elektroantriebs zählen die eingeschränkte Reichweite des Elektroautos und die Ladezeit, die eher lang ist. Die heute auf dem Markt zu findenden Batteriekapazitäten erreichen theoretisch eine Reichweite von 150 bis 200 km, aber diese Werte können in der Praxis wegen vieler anderer Faktoren, wie zum Beispiel Einschalten einer Klimaanlage oder der Fahrzeugheizung, deutlich sinken.

Wegen dieses Reichweiteverlustes ist die Batterie des Fahrzeugs während der Fahrt nachzuladen und diese Ladezeit ist oft für viele Fahrzeugführer unerträglich, deswegen wird an öffentlichen Ladestationen das Laden mit hoher Leistung bevorzugt, sodass die Batterien schneller voll sein können, damit die Fahrt so schnell wie möglich fortgesetzt werden kann. Aber durch diese Ladestrategie verkürzt sich auch die Lebensdauer der Li-Ionen-Batterie ¹⁷.

3 Energiequelle bei der Elektromobilität

3.1 Batterien

Die Batterie ist bei Elektrofahrzeugen heutzutage das Haupt- und teuerste Bauteil. Diese definieren das Gewicht der Fahrzeuge, außerdem sind sie bei der Bestimmung der Kapazität und Reichweite des Fahrzeugs sehr bedeutend. Zur Einsetzung in Elektrofahrzeugen bieten Li-Ionen-Batterien die geeigneten Eigenschaften. Diese erlauben die Erzeugung von hohen Strömen und parallel die Nutzung der maximal verfügbaren Leistung. Li-Ionen-Batterien, die in den Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, werden entweder als Hochenergie-Batterien oder Hochleistungsbatterie bezeichnet. In Hybridautos werden eher Batterien mit hoher Leistungsdichte begünstigt, bei normalen Elektroautos dagegen kommen Batterien mit hoher Energiedichte in Frage. Eine Vergleichsmöglichkeit von Hochenergie - und Hochleistungs- Lithium-Ionen-Zellen für Elektro-Hybridautos bietet die folgende Tabelle ¹⁸.

Tabelle 2: Übersicht zur Leistung von Hochenergie und Hochleistungs-Lithium-Ionen-Zellen für Elektro- und Hybridfahrzeuge ¹⁸.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 6: Prinzipieller Aufbau eines elektrochemischen Speichers ¹⁸.

Die Hauptrolle einer Batterie oder eines Akkumulators kann man beschreiben, indem das Gesamtsystem erst in Speicher und Wandler-Module geteilt wird. Das Laden oder Entladen eines chemischen Speichers ist von einem chemisch-elektrischen Umsetzer übernommen. Außer Sekundärzellen oder Akkumulatoren, die wieder aufladbar sind, werden alle anderen Zellentypen, die nicht wieder aufladbar sind, als Primärzellen betrachtet ¹⁸.

3.2 End of life einer Batterie

Das technische Lebensende einer Batterie wird als End of life (EoL) bezeichnet. Das Lebensende ist bei den Li-Ionen-Zelle-Batterien nicht so schnell erreicht, außer wenn ein Außenfaktor die Batterie beeinflusst und diese mechanisch demoliert. Deswegen spricht man bei den LI-Ionen-Batterien von End of life, sobald die von der Batterie produzierte Leistung nicht mehr ausreichend ist um diese noch einzusetzen. Dies bezieht sich normalerweise auf eine Restkapazität von 60% bis 80% im Vergleich zur Anfangskapazität. Bei dem deutschen Batteriegesetz oder der EU-Richtlinie 2006/66/EG (Europäische Union 2006) ist aber ein genaues Limit der EOL-Werte nicht definiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 7: Kapazitätsverlust einer beispielhaften Li-Ionen-Zelle, nach Jossen & Weydanz (2006) ²¹.

Wie das obere Bild 7 zeigt, erfolgt der Kapazitätsverlust einer Batterie in drei verschiedenen Phasen, in denen jede einen unterschiedlichen Alterungsprozess nachweist. Auf die Phase 2, während der die Batterie in ihrer normalen Anwendungsphase beendet ist, folgt die Phase 3. Diese charakterisiert sich mit einer schnelleren Entladung der Batterie. Diese dritte Phase ist entweder annähernd linear oder wird zu einem schlagartigen Versagen beschleunigt. Dieses schnellere Versagen hängt hauptsächlich davon ab, dass Lithium sich auf der negativen Elektrode lagert. In Automobilindustrien ist 80% die unterste Grenze zur Bezeichnung des Lebensendes der Batterie. Aber in der stationären Domäne ist die Grenze von 70% oft angemessen. Diese Absenkung der Grenze um 10%, nämlich von 80% auf 70%, löst eine Verdopplung des Zelleninnenwiderstands aus, diese Situation ist problemlos. Besonders bei kleinen Strömen, die nur bei stationärer Darstellung betrachtet werden ²¹.

3.3 Batterie für Elektrofahrzeuge

In Elektrofahrzeugen ist nur die Einsetzung von Batterien, die wieder aufgeladen werden können, sinnvoll. Ob Batterien für Elektroautos sind oder nicht werden sie als Akkumulatoren bezeichnet. Wie weit ein Hybrid oder Elektrofahrzeug kommen kann, hängt weitgehend von seiner Batterie ab. Somit sind Batterien als elektrochemische Energiespeicher eines der entscheidenden Bauteile eines Elektrofahrzeugs, deshalb haben sie einen großen Einfluss auf die Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen. Grob stellt man fest, dass die Batterie das Energiespeichervermögen bestimmt und dadurch die Reichweite definiert, die von dem Elektrofahrzeug erreicht wird. Die Batterie ist eigentlich das Interface zwischen der Ladesäule und dem Fahrzeug, deshalb ist sie irgendwie die kritische Komponente in Elektrofahrzeugen. So stellen heutzutage einsatzbereite Lithium-Ionen-Batterien mit Kosten bis zu 1.500 EUR/kWh einen bedeutenden Kostenfaktor dar. Addiert wird dazu der Negativeinfluss des Schnellladens auf die Lebensdauer der Batterie. Es werden momentan aussichtsreiche Alternativbatterien zu Lithium Batterien entwickelt, wie zum Beispiel: die Lithium-Titanat- Batterie oder die ZEBRA-Batterie, die aber bis jetzt nur in kleinen Stückzahlen produziert werden, denn ihre hohen Kosten und die fehlende Praxiserfahrung limitiert ihren Einsatz in allen Elektrofahrzeugen. Bei den Hybridfahrzeugen wird dagegen bislang immer noch die Nickel-Metallhybrid-Batterie eingesetzt und bei den Elektrofahrzeugen erfolgt nur noch der Einsatz von herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkumulatoren.

Zu jedem Elektrofahrzeug gehört ein Batterietyp. Man unterscheidet in reine Elektrofahrzeuge (BEV), Plug-In-Hybride (PHEV) und reine Hybridfahrzeuge (HEV). Die Anforderungen jedes Elektroautotyps werden den technischen Parametern der entsprechenden Batterie angepasst. Wichtig sind hier die Energie, die Leistung und die Größe ebenso wie das Gewicht der Batterie. Additional dazu muss die Batterie eine passende Lebensdauer nachweisen und die Sicherheitsanforderungen erfüllen. Alle diese Akteure und auch die Kosten tragen zur Auswahl einer Batterie für das Fahrzeug bei ²³.

3.3.1 Lithium-Ionen-Batterie

Lithium-Batterien werden als Sekundärzellen Akkumulatoren bezeichnet. Sie sind aber elektrochemische Energiespeicher, so wird die elektrische Energie beim Aufladen der Batterie in chemische Energie umgewandelt. Im Gegensatz dazu wird beim Entladen die chemische Energie in elektrische Energie verwandelt. Der volle Laden und dann Entladen Prozess einer Batterie wird als Zyklus bezeichnet. Wie lange eine Batterie funktionsfähig bleiben kann, hängt streng davon ab, wie hoch die Anzahl ihrer Zyklen ist, das bedeutet in den meisten Fällen, dass, wenn die Anzahl der Zyklen gegeben ist, die Lebensdauer der Batterie erreicht ist. Diese Zyklen variieren bis 1000 entsprechend dem Typ, der Einsetzung und der Behandlungsweise der Batterie. In vielen Anwendungsbereichen sind bereits die Lithium-Batterien als elektrische Energiespeicherungseinheiten eingesetzt und der Elektromobilitätsbereich ist keine Ausnahme ²⁴.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 8: Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle beim Entladevorgang ²⁴.

Die Verwendung von Li-Metall ist für wieder aufladbare Batterien, nämlich Sekundärzellen, nicht geeignet, weil beim Wiederaufladen die Gefahr besteht, dass sich Lithium-Dendrite formen. Diese Dendriten-Bildung kann dann die Durchbohrung des Separators und parallel dazu einen Kurzschluss der Zelle verursachen. Außerdem kann es dazu führen, dass die Herausbildung von Dendriten zur Verminderung der elektrochemisch anwendbaren Quantität an Lithiumladungen führt, denn metallisches Lithium kann sich von der Elektrode trennen, was zum Kapazitätsverlust führen würde.

Im Gegensatz zu metallischem Lithium werden dann eher die sogenannten Wirtsmaterialien eingesetzt, die in der Lage sind, Lithium-Ionen aufzunehmen. So bewegen sich während der Ladephase Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode hin durch Elektrolyte und Separatoren und lagern sich dort. Auf der anderen Seite werden Elektronen herausgelöst und diese fließen von der Anode, die negativ geladen ist, über eine äußere elektrische Anbindung (Last) zur positiv geladenen Kathode. Aus diesem Grund findet an dieser ein Reduktionsprozess statt und Elektronen werden aufgenommen. Dadurch, dass der Strom fließt, ist die Last mit elektrischer Energie versorgt. Der Transport der Lithium-Ionen wird hier von dem Elektrolyten übernommen, außerdem dient der Elektrolyt als Vermittler zwischen den Reaktionen an den Elektroden. Ansonsten muss er sich aktuell in dem definierten Spannungsbereich stabil verhalten sowie eine hervorragende Funktionsfähigkeit über einen breiten Temperaturbereich (von -40 °C bis +80 °C) übernehmen. Im Bereich von Lithium-Ionen-Batterien sind drei Typen von Elektrolyten zu unterscheiden, wie man in der nachfolgenden Tabelle feststellen kann ²⁴.

Tabelle 3: Elektrolyten Typen von Lithium-Ionen-Batterien 24.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.3.2 Integration der Lithium-Batterie in die Elektrofahrzeuge

Der fundamentale elektronische Baustein eines Elektrofahrzeugs ist das Batteriemanagementsystem (BMS), das beim Be- und Entladen den Ladestatus (State of Charge (SOC)) der Zell- und Systemebene steuert und überwacht, außerdem spielt es eine Rolle an der Schnittstelle zwischen Fahrzeug- und Batterie-Kommunikation. Die Regelung von Strom, Spannung und Temperaturen von Zellen und des Gesamtsystems wird durch den Einsatz von Sensoren, die dabei diese Größen messen und dann zur Regelung weiterleiten, durchgeführt.

Dadurch kann das Batteriemanagementsystem als ein zentraler Bestandteil zur Sicherheit betrachtet werden. Außerdem trägt es zur Protokollierung von Fehlern bei und wird zum Ein- und Ausschalten des Systems benötigt. Das Batteriemanagementsystem ist darüber hinaus auch dafür zuständig, durch die sogenannte Balancing-Funktion die Nutzleistung des Systems zu optimieren. Ausgehend von der Tatsache, dass jede Zelle ihre eigenen Ungleichmäßigkeiten und Schwankungen hat, nämlich durch ihre Kapazität und ihren Innenwiderstand, führt das Zusammenschalten von mehreren Zellen dazu, dass Zellen sich unterschiedlich laden und entladen und diese Phänomene können bei einzelnen Zellen eine Tief- oder Überladung verursachen und hierdurch die Lebensdauer und die gesamte Funktion des Systems stark beeinflussen.

Dieser Prozess wird durch das Zellen-Ballancing (Zellen-Ausgleichung) verhindert, die produzierte Leistung verbessert und parallel dazu wird die Lebensdauer erhöht. Der Ausdruck „State of Health“ (SOH) beschreibt die Restkapazität, was die noch zu nutzbare Leistung angeht. Das Batteriemanagementsystem hat als weitere Aufgabe die Optimierung des Thermomanagements, denn die Temperatur hat einen sehr großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und die Alterung der Zellen.

Hohe Temperaturen sind die Ursache, dass Materialien sich schnell degradieren und dies führt beispielsweise zu einer rapiden Alterung der Batterie. Niedrige Temperaturen sind ebenso wie hohe ein Hindernis für den Stromfluss, denn die Leitfähigkeit im Elektrolyten wird dadurch kleiner. Deshalb wird das System im Winter bei niedrigen Temperaturen zum Beispiel erwärmt und im Sommer bei hohen Temperaturen abgekühlt, um die Normalbetriebsumgebung zu schaffen und dadurch die Lebensdauer, die Leistungsabgabe, die Reichweite sowie den Gesamtstromverbrauch zu optimieren. Beide Funktionen sind in der Lage, je nach Einsatzbereichen, erheblichen Einfluss auf den Gesamtstromverbrauch und hierdurch auf die elektrische Reichweite des Elektrofahrzeugs zu haben. Die Kühlungsaufgabe wird hier von Luft, Wasser oder anderen Kühlflüssigkeiten übernommen. Die aktiven und passiven Komponenten der Fahrzeugbatterie, die zum Teil empfindlich sind, werden vom Gehäuse und dem Kühlsystem von den negativen Umwelteinflüssen wie Wasser, Staub und Schmutz abgeschirmt. Bei den Elektrofahrzeugen sind die Batterien meistens auf dem Bodenbereich des Fahrzeugs untergebracht, denn dieser ist in der Lage, extremen Einflüssen wie Steinschlägen und Spritzwasser zu widerstehen.

Deshalb sind seine hervorragende mechanische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit sehr notwendig. Trotz sicherem Gehäuse müssen addierte Systeme für interne und externe Befestigungen dazukommen, um die mechanischen und thermischen Belastungen bei dem Akkusystem im Griff zu haben ²⁴.

3.4 Aufbau eines Batteriesystems

Ein Batteriesystem ist normalweise eine Zusammensetzung von mehreren Modulen und eine Zusammenschaltung von einzelnen Batteriezellen. Die Elektroden Anode und Kathode sind die Kernteile einer Batteriezelle, außerdem hat man auch als wichtige Teile den Separator, den Elektrolyt und das Zellgehäuse. Diese Elektroden, die sogenannten Stromsammler, stammen aus einer übereinander gelagerten dünnen Metallfolie, die mit Elektrodenfilm realisiert wird.

Bei den Lithium-Ionen-Zellen weist die Aluminiumfolie der Kathode eine mit dem auf Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden basierende Elektrodenfilm Beschichtung auf. Die Anode-Elektrode dagegen ist eine Kupferfolie, die durch Elektrodenfilm mit einem grafithaltigen Material bedeckt wird. Die Elektrodenfilme, die eine poröse Struktur aufweisen, stammen aus einer Kombination von Aktivmaterialien (größter Teil) und entweder aus Leitkohlenstoffen oder Polymeren (kleinste Teile).

Die Anode und Kathode sind dadurch elektrisch voneinander getrennt, dass man zwischen sie einen Separator (eine semipermeable Membran) einsetzt. Separatoren stammen oft aus mikroporösen Kunststoffmaterialien, nämlich Polyethylen, additional dazu sind sie mit Partikeln aus Keramik stabilisiert. Die als Lithium-Ionen-Leiter dienenden Elektrolyten durchtränken die Poren in den Elektroden und im Separator. Bei Elektrolyten ist zuerst der Weg von organischen Carbonaten wie zum Beispiel Ethylencarbonat bevorzugt. Außerdem kommt ein Leitsalz, nämlich das sogenannte Lithiumhexafluorphosphat, zum Einsatz. Direkt nachdem sie aufgebaut sind, sind die Li-Ionen-Zellen auf dem Entladungszustand. Hiermit ist gemeint, dass auf Kathodenaktivmaterial alle disponiblen Stellen völlig schon von Lithium-Ionen besetzt sind. Sobald die Zelle geladen ist, werden sich alle Lithium-Ionen von der Elektrode Kathode ausgelöst und sich über Elektrolyte auf die Anode Elektrode angelagert haben. Diesen Prozess nennt man auch Interkalation. Damit die Ladungen ausgeglichen werden können, wandern Elektronen, die von der Kathode ausgelöst werden, über Stromquellen zur Anode. Der Entladen-Prozess ist genau die umgekehrte Situation vom oben definierten, denn hier wandern Elektronen und Lithium-Ionen nicht von Kathode zu Anode, sondern von der Anode zur Kathode. Dieser Effekt von hin und her Wandern der Lithium-Ionen von Elektrode zu Elektrode wird auch als Schaukelstuhlprinzip bezeichnet ²⁷.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 9: Aufbau eines Batteriesystems ²⁴.

3.5 Vorschriften für die Entwicklung alternativer Akku Typen für Elektroautos

3.5.1 Neue Stoffe zur Ersetzung von Kobalt in Autobatterien

Die aktuell sehr beliebten Lithium-Ionen-Batterien werden in Kürze nicht mehr in der Lage sein, den Energiebedarf, wie es am Anfang gehofft wurde, zu erfüllen. Die Entwicklung dieser Energie hat ihren Sättigungspunkt schon erreicht und erlaubt kaum noch Verbesserung. Außerdem werden Rohstoffe, die zur Herstellung der Lithium-Ionen-Batterie angewendet werden, knapp. Deshalb stellen sich Wissenschaftler schon Fragen darüber, wie diese Verknappung der Rohstoffe zur Herstellung der Lithium-Ionen-Batterien überwunden werden kann. Aus Sicht der limitierten Fähigkeiten der aktuellen Lithium-Ionen-Batterien wird aktuell überlegt, welche Batterietechnik zukünftig in Elektromobilität oder als einfacher Zwischenspeicher eingesetzt werden kann. Seit mehreren Jahren hat Lithium die erste Stelle auf dem Markt besetzt, aber über alternative Batterien wird schon lange geforscht und gearbeitet. Um dieses Problem zu lösen, muss die aktuelle Technologie Probleme lösen, denn die alternativen Akkus müssen in der Lage sein, die heutigen Technologiemängel zu beseitigen. Auf diese Weise müssen sie als Autobatterien eine minimale Reichweite von 500 km erreichen und eine kurze (im Bereich von Minuten) Ladezeit nachweisen. Außerdem müssen sie lange in Betrieb bleiben können und eine höhere Ladezyklusanzahl auf die Waage legen können. Darüber hinaus müssen sie kostengünstig sein und eine bessere Bedienungssicherheit anbieten. Das Erreichen der Anforderung ist heute schon ein Muss, denn das Phänomen Elektromobilität ist heutzutage nicht mehr zu stoppen. Nach der Aussage der Internationalen Energieagentur ist zu erwarten, dass die Anzahl der Elektrofahrzeuge auf den Straßen der Welt von den jetzigen 2 Millionen auf 20 Millionen im Jahre 2020 steigt und auf 70 Millionen bis zum Jahre 2025. Die chinesische Regierung hat sich, was dieses Thema angeht, entschlossen, bis zum Jahre 2020 mindesten 12 Prozent der bislang im Land fahrenden herkömmlichen Autos durch Elektrofahrzeuge zu ersetzen. Diese zwölf Prozent entsprechen der phänomenalen Zahl von 30 Millionen Elektroautos, die auf die chinesischen Straßen gebracht werden. Außerdem haben andere Länder wie Indien und zahlreiche europäische Staaten eine feste Entscheidung getroffen, sich mit der Zeit von Fossil-Energie-Fahrzeugen zu trennen und nur noch Elektrofahrzeuge einzusetzen. Diese Revolution kann nicht von Lithium-Ionen- Batterien allein getragen werden. Seitdem die Erste Lithium-Ionen-Batterie von Sony im Jahre 1991 auf den Markt gebracht wurde, sind viele Kathoden heute nur noch aus Lithium-Kobaltoxid. Obwohl Kobaltoxid eine größere Speicherkapazität bereitstellt, liegt hier das größte Problem darin, dass die Verarbeitung von Kobalt zum größten Teil durch die Arbeit von Kindern in den Erzeugerländern erfolgt. Außerdem ist Kobalt giftig und teuer und der Preis wird immer weiter steigen. Aus diesem Grund bemüht sich die internationale Batterieforschung seit langem darum, eine neue Lithium-Ionen-Batterie Generation ohne Kobalt herzustellen. Heute kann behauptet werden, dass die Lithium-Ionen-Batterie ihre Grenze erreicht hat, denn seit 1991 ist die Kapazität mit drei multipliziert worden. Außerdem hat sich die Anzahl der Ladezyklen auch bis zu tausendfach vergrößert. Die Kosten einer Batterie sind dagegen durch zwanzig dividiert worden. Mit dem aktuellen Verbrauch an Kobalt wäre es kein Wunder, dass in den nächsten Jahrzehnten Kobalt auf Mangelware Position 1 geraten würde, denn der Verbrauch von Kobalt hat sich die letzten zwanzig Jahren verfünffacht, wegen seines Einsatzes in der Stahlindustrie. Deshalb versuchen Forscher schon lange, die Menge des Kobalts in Lithium-Ionen-Batterien zu senken oder mit anderen Metalltypen wie zum Beispiel Nickel oder Mangan zu tauschen. Außerdem forschen Wissenschaftler parallel nach Stoffen, welche die Lithium-Technologie in Zukunft ersetzen können. Aus diesem Grund könnten zukünftig Batterien aus unkritischen Materialien wie Natrium, Magnesium, Aluminium oder Kalzium hergestellt werden. Die Natrium-Ionen-Batterie (NIB) beispielsweise scheint eine bessere Option zur Ersetzung der aktuellen Lithium-Ionen-Batterie zu sein, mit aktuellen Fortschritten. Die Natrium-Ionen-Batterie sieht genauso aus wie eine Lithium-Ionen-Batterie, der Hauptunterschied liegt in der Ersetzung des Lithiums durch Natrium. Dadurch wird kein Kobalt mehr in die Batterie eingesetzt, sondern es kann durch anderes Material ersetzt werden, das weniger giftig und kostengünstiger als Kobalt ist. Obwohl Natrium-Ionen-Batterien ohne Kobalt aufgebaut sind, weisen sie trotzdem einen guten Wirkungsgrad auf und sind technisch ziemlich stabil. Natrium ist fast überall auf unserem Planeten vorhanden, denn man kann es im Kochsalz, in Meerwasser oder auch in unterirdischen Salzstöcken finden, außerdem ist es sehr nachhaltig.

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