Weitere Blogs von Eduard Heindl

Innovationsblog neue Ideen | Guide Stupid merkwürdige Sachen dokumentiert | Energiespeicher Bedeutung und Zukunft| Energy Age the big picture (engl.)

Sonntag, 29. Mai 2016

Problem Batterie und Autoindustrie

Lithium Ionen treiben die Zukunft an

Die Basisinnovation LiIon-Batterie, vorangetrieben von der Firma Sony, hat überraschend, aber das ist bei Innovationen üblich, die Entwicklung des Elektroautos ermöglicht. Davor gab es nur Akkumulatoren die extrem schwer, Bleiakkumulator, extrem giftig, Nickel Cadmium, oder aus anderen Gründen nicht für einen Energiespeicher im Auto geeignet waren. 
Dies hat dazu geführt, dass man lange in der Autoindustrie der Entwicklung von Batterien keine besondere Aufmerksamkeit gewidmet hat. Mit der erfolgreichen Entwicklung von Tesla hat sich das grundlegend geändert, daher will ich hier über die Bedeutung der Batterietechnik in der Autoindustrie berichten.

Die Wertschöpfung eines Autos (Heute)

Ein Auto besteht aus vier Komponenten: 
  1. Der Glider, das ist das Auto ohne Motor und Energiespeicher
  2. Motor mit Energiespeicher (Tank oder Batterie)
  3. Image (Zumeist durch Werbung aufgebaut)
  4. Die Energiemenge, die das Auto in seinem Leben verbraucht
Der Glider ist heute ein Produkt der Zulieferindustrie, ob Scheinwerfer, Stoßstange, Sitze oder Räder mit Reifen, fast nichts davon wird in der Autofabrik hergestellt. In manchen Werken verbleibt noch das Verschweißen der Karosserie aus einer Tonne Blech, kein besonders aufwendiger Vorgang dank Robotertechnik.

Der Motor, hier versteht die Automobilindustrie einen Verbrennungsmotor, der mit einem Wirkungsgrad von ca. 20 Prozent unter Emission erheblicher Mengen von Feinstäuben und anderer ungesunder Substanzen das Auto mehr oder weniger schnell auf Reisegeschwindigkeit bringt und auf dieser Geschwindigkeit hält. Tausende von Ingenieure versuchen diese Technik (legal oder illegal) zu optimieren 

Das Image von Autos verschiedener Marken wird durch gewaltige Werbebudgets [1] entwickelt. Durch Productplacement in Filmen und aufwendige Verkaufszentren wird ein hoher Wert des Autos suggeriert, obwohl alle Autos im Stau gleich schnell fahren. Für viele Menschen ist das Auto, neben dem Haus, das teuerste Produkt, das zur eigenen Aufwertung erworben wird.

Der Treibstoff, den ein Auto im Lauf seiner Betriebsphase von etwa 300.000 km verbrennt, kostet 30.000€ und ist nicht selten teuer als das ganze Auto. Zudem weis man zum Zeitpunkt des Autokaufs nicht, wie teuer dieser Treibstoff wird. Das Geld fliest an die Ölkonzerne und Ölstaaten, nicht in die Autoindustrie!

Letztendlich verfügen die großen Automobilhersteller nur über die Fähigkeit Motoren herzustellen, den Rest der Wertschöpfung haben sie entweder an andere vergeben oder es gibt kein großes Wertschöpfungspotential, wie bei der Karosserieherstellung.

Die Wertschöpfung im Elektroauto

Elektroautos haben eine erheblich andere Verteilung bei den oben genannten Punkten 1. - 4. 

Der Glider bleibt im wesentlichen gleich, interessanterweise spielt die Gewichtseinsparung eine geringere Rolle als bei bisherigen Autos, da durch Rekuperation (Zurückgewinnung von Bremsenergie) sowohl die Energie, die für das Beschleunigen, als auch die Energie die für das Erklimmen von Höhe verwendet wird, nicht zur Erwärmung der Bremsscheibe verwendet wird. 
Die Verwendung von nichtrostenden Aluminium wird sinnvoll, weil die Lebensdauer eines Elektromotors erheblich über der eines Verbrennungsmotors liegt. Und wer will schon ein verrostetes Elektroauto, das noch einen guten Motor und eine funktionierende Batterie hat.

Der Wert des Elektromotors liegt weit unterhalb eines Verbrennungsmotors, der aus 6000 beweglichen Präzisionsteilen besteht. Elektromotoren sind einfach aufgebaut, einige Kupferdrahtwicklungen und ein Aluminiumzylinder der sich dreht. Seltene Erden sind nicht nötig, die findet man nur in Hybridautos wie dem Toyota Prius (46kg!).

Der Verbrenner-Treibstoff (und Tank) im Elektroauto fehlt, aber dafür benötigt man eine Batterie und Strom.
Die Batterien sind das mit Abstand teuerste im Elektroauto und erstaunlich ähnlich im Preis wie die Treibstoffkosten eines Verbrenner-Autos. 
Erstaunlicherweise haben dies weder die großen Ölkonzerne noch die großen Autofirmen bemerkt. Ausnahme: Tesla baut eine Gigafactory, eine Batteriefabrik, die jährlich für etwa 500.000 Elektroautos Batterien liefern kann und damit die Firma von anderen Lieferanten unabhängig macht.
Einzig die deutsche Firma Volkswagen hat angekündigt, dass sie erwägt 10.000.000.000 € in den Bau einer Batteriefirma zu investieren (FAZ)! Leider hat man derartige Ankündigungen im Umfeld E-Mobilität von deutschen Autofirmen schon öfter gehört, Fakten wurden bisher leider keine geschaffen.

Der "Treibstoff" Strom wäre eigentlich eine klare Aufgabenstellung für die Stromversorger oder Ölfirmen. Hier herrscht völlige Funkstille.

Das Problem der Alltagstauglichkeit

Will man ein Elektroauto genau so einsetzen wie ein bisheriges Auto, so muss es zuverlässig die tägliche Strecke von vielleicht 100 km zurücklegen können aber auch den Italienurlaub oder die längere Geschäftsreise ermöglichen. 
Das bedeutet, normalerweise "tankt" man Zuhause an der Steckdose was praktisch mit allen Elektroautos über Nacht möglich ist und hat damit kaum mehr Kontakt zu einer Tankstelle. Ausnahme ist vielleicht das Scheibenwischer Wasser nachfüllen und ein Besuch in der Waschstraße.
Auf längeren Reisen muss jedes Auto neue Energie einladen, das geht an einer Tankstelle innerhalb von fünf Minuten, bei einem Elektroauto darf das auch nicht entscheidend die Dauer der Reise verändern. Es ist also zwingend erforderlich, dass es ein Netz von Schnellladestationen gibt. An dieser Stelle bin ich über die Politik höchst erstaunt, die zwar 10.000 Ladesäulen fördern will (pro Ladesäule gepflegte 60.000 Euro Steuergeld). dabei aber nicht  die Schnellladefähigkeit fordert. 
Nur Ladesäulen, an denen man in 20 Minuten mehr als 200 km Reichweite aufladen kann (Schnellladesäulen) führen zu einer Alltagstauglichkeit von Elektroautos. 
Da außer Tesla keine anderer Autohersteller oder Organisation, hier denke ich an Ölkonzerne, Autobahnraststätten, Stromkonzerne, ein Schnellladenetz betreibt, kann ein Interessent an Elektromobilität heute nur ein Auto von Tesla kaufen, alle anderen Hersteller haben faktisch kein nutzbares Elektroauto im Angebot. 

Fiktion Batterieproblem

Das häufigste Thema bei der Diskussion um Elektroautos ist das Batterieproblem. Es geht dabei um mindestens drei Themen
  1. Batteriepreis
  2. Lebensdauer
  3. Rohstoffe
Die Preise für Batterien sind fast im freien Fall. Auf der Abbildung sieht man eine Folie, die auf der Menasol 2016 Energiekonferenz aufgelegt wurde. Im Vergleich zum Preisverfall bei Solarzellen scheint sich der Preis von LiIon-Batterien noch schneller nach unten zu bewegen. 
Entwicklung der Batteriepreise, eine Verdopplung der Menge senkt den Preis um 26%.
Liegt der Preis einer kWh Speicherkapazität bei 250 € und benötigt man für die Alltagstauglichkeit etwa 80 kWh in einem Auto, so kostet die Batterie 20.000 €. Zählt man die Stromkosten dazu, ist das weniger als die Treibstoffkosten eines konventionellen Autos. 

Die Lebensdauer bei Batterien hängt von den Ladezyklen und einigen anderen Faktoren, etwa Temperatur, ab. Tausend Ladezyklen schaffen praktisch alle Batterien, selbst ein Bleiakku. Das bedeutet aber bei 300.000 km Fahrleistung und 300 km pro Ladung, dass die Batterie mühelos die Fahrzeugnutzungsdauer erreicht. Zudem scheint es bei LiIon Batterien so zu sein, dass es zwar eine geringfügige Abnahme der Kapazität gibt, aber danach  eine weitere Nutzung, etwa bei einer Solaranlage als Nachtspeicher, sinnvoll möglich ist.

Der Rohstoff Lithium (60ppm [2]) ist wesentlich häufiger als Blei (18 ppm in der Erdhülle [3]) anzutreffen. Damit gibt es kein Rohstoffproblem, auch wenn es kurzzeitig bei der Förderungen zu Engpässen kommen könnte, da die Bergwerke nicht schnell genug ausgebaut werden. Im Gegensatz zu Öl wird aber Lithium im Auto nicht verbraucht sondern kann 100% wiederverwendet werden. Lithium ist auch nicht giftig, wer seine Suppe mit Meersalz würzt, verwendet neben Kochsalz Lithium, das in großer Menge im Meer(Salz) vorkommt.

Alte Industrie versagt bei Innovationen

Obwohl die Fakten zu Elektroautos einfach zu verstehen sind, wundert man sich, warum die Autoindustrie fast nichts tut. Das Problem sind über hundert Jahre gewachsene Strukturen. Praktisch alle Autohersteller sind über 100 Jahre alt, Ausnahme Volkswagen, ein Unternehmen das am 28 Mai 1937 gegründet wurde.
In diesen Unternehmen gibt es extrem viel Wissen über Verbrennungsmotoren. Zündzeitpunkt und Sauerstoffzufuhr, Auspuff und Katalysator sind teuer und aufwendig untersucht. Die technologische Elite kann Verbrennungsmotor, hat darauf studiert und promoviert.
Batterietechnologie, Lithium Ionen und Elektrolyte hat man höchstens in den Medien gehört. Es ist nicht die Kernkompetenz. Wie soll man also die Technologie entwickeln? Die natürliche Reaktion ist, man wartet ab und baut Siebenganggetriebe und Hybridmotoren oder gar Wasserstoffmotoren.

In der gleichen Zeit ist es Tesla Motors gelungen etwa fünf Jahre Vorsprung zu erarbeiten. Tausende von Schnellladesäulen aufzustellen und ohne teurer Werbung ein Markenimage aufzubauen, das zu einer sauberen Umwelt mit regenerativen Energien passt. 

Es wäre nicht neu in der Geschichte der Innovationen, dass eine Industrie den Technologiebruch nicht überlebt. Keine Segelschiffswerft hat Dampfschiffe gebaut, zuletzt hat man es mit Siebenmaster und "Hybridantrieb" (Segel plus Dampfmaschine) versucht.
Kein Katalogversand hat Amazon und Ebay die Stirn im Internet geboten. Der Quellekatalog wurde so dick, dass er unterging.
Keine Telefonfirma von Siemens bis Nokia spielt in der Smartphone-Liga eine wichtige Rolle.

Wir werden uns damit abfinden müssen, dass es in zehn Jahren manche Firmen VW/BMW/Daimler nur noch als Namen aber nicht mehr als große Arbeitgeber gibt. Das ist es, was Schumpeter als:
Innovation ist Zerstörung
"creative destruction"
beschreibt. Und er hat vermutlich auch diesmal wieder recht.

Vermutlich hätte ich das auch in meinem Innovations-Blog gut schreiben können, passt aber auch zu Energiespeicher.

Hinweis:

[1] Allein Volkswagen hat in den Monaten Jannuar - April 2016 über 100 Millionen Euro in Deutschland für Werbung ausgegeben, Quelle: Nielsen/Statista.

[2] ppm steht für Parts Per Million, Das bedeutet, hat man eine Tonne durchschnittliches Gestein, dann sind darin 60 Gramm Lithium und 18 Gramm Blei enthalten.

[3] Der Massenanteil bei den Elementen verdeckt, dass man mit einem kg Blei etwa um den Faktor 50 weniger Energie speichern kann als mit einem kg Lithium. Unter dieser Voraussetzung betrachtet, benötigt man weniger Lithium für alle Autos (wenn sie elektrisch sind) als heute Blei für die Starterbatterien in Benzin und Dieselautos eingesetzt wird.




1 Kommentar: