Relevanz dieses Anwendungsfeldes

Mit einem Anteil von 20 % der Treibhausgasemissionen in Deutschland ist der Verkehrssektor nach der Energiewirtschaft und der Industrie drittgrößter Emittent– und zentrales Handlungsfeld der Klimapolitik. Den größten Anteil an den verkehrsbedingten Treibhausgasemissionen hat mit 59 % der PKW-Verkehr.¹
Die Bundesregierung setzt für die Energiewende im PKW-Sektor auf Elektromobilität. Dies umfasst insbesondere batterieelektrische Fahrzeuge (battery electric vehicle, BEV), aber auch wasserstoffbasierte Antriebe mit Brennstoffzelle (fuel cell electric vehicle, FCEV). Beim derzeitigen Strommix lassen sich die CO2-Emissionen mit einem BEV gegenüber einen PKW mit Diesel- bzw. Benzinmotor um 16 bzw. 27 % reduzieren. Durch Steigerung des Anteils regenerativer Energien im Strommix sowie durch Fortschritte v. a. bei der Nutzungsdauer und beim Recycling der Batterien ließe sich dieser Wert noch deutlich verbessern.² Darüber hinaus können Elektrofahrzeuge weitere, durch den Straßenverkehr verursachte Probleme mindern helfen, insbesondere Straßenlärm, die (lokale) Emission von Luftschadstoffen wie Feinstaub und Stickoxiden sowie die Abhängigkeit von Mineralölimporten.
In globaler Perspektive potenziert sich der Handlungsbedarf: 2019 gab es weltweit knapp 1,2 Milliarden PKW,³ im Jahr 2035 werden es voraussichtlich zwei Milliarden sein.⁴ Rund 12 % der globalen CO2-Emissionen gehen auf das Konto des Straßenverkehrs, 60 % davon entfallen auf den Personenverkehr.⁵

Einsatz von Batteriespeichern

Die Antriebs- oder Traktionsbatterie, eine Hochvoltbatterie mit einer Nennspannung von 400-1000 Volt, ist das zentrale Element eines BEV. Ihre Eigenschaften bestimmen Reichweite und Ladezeiten, d. h. entscheidende Faktoren für Praktikabilität und Komfort und damit für den Markterfolg der Fahrzeuge. Mit einem Gewicht von mehreren hundert Kilogramm und Kapazitäten von 20-100 kWh ist sie auch das teuerste Bauteil von Elektroautos.
Prinzipiell kann die Traktionsbatterie in verschiedenen Bereichen der Karosserie platziert werden. Meist ist sie im Fahrzeugboden verbaut. Sie dient auch als Speicherort für die Rekuperationsenergie, die beim Bremsvorgang aus der Bewegungsenergie des Fahrzeugs zurückgewonnen wird Die Bordelektronik wird üblicherweise aus einer separaten (Niedervolt-)Batterie versorgt. Grundsätzlich möglich, aber derzeit kaum verfolgt, sind Wechselbatterie-Modelle. Stattdessen wird der Speicher in aller Regel fest verbaut. Er kann an der heimischen Ladestation („Wall-Box") oder aber an öffentlichen Ladestationen aufgeladen werden.
Auch bei Elektrofahrzeugen mit Brennstoffzelle ist der Gebrauch einer Traktionsbatterie üblich: Diese kann sowohl von der Brennstoffzelle als auch durch Rekuperation von Bremsenergie aufgeladen werden. Zum Einsatz kommt die Batterie in Fahrsituationen, die viel Motorleistung beanspruchen. Je nach Nutzungskontext können BEV oder aber FCEV vorteilhaft erscheinen: Für Stadtautos etwa dürfte mit Blick auf Anschaffungskosten, Tankmöglichkeiten und Energieeffizienz der batterieelektrische Antrieb meist attraktiver sein. Für Taxis hingegen kann Wasserstoff aufgrund der größeren Reichweite insgesamt die präferierte Option darstellen.⁶

Anforderungen an Performance

Zentrale Motive für die Förderung von Elektro-Autos sind Klima- und Ressourcenschutzbelange. Daher versteht sich, dass die verwendeten Batteriespeicher hohen Umweltanforderungen genügen müssen: Ihre Produktion sollte möglichst wenig Energie und (kritische) Rohstoffe erfordern; ihre Leistungsparameter (spezifische Energie, Performance über die Zeit, Tiefentladefähigkeit) sollten im Betrieb „viel Nutzen mit wenig Batterie" ermöglichen; und ihre Zyklenfestigkeit sollte eine langjährige Verwendung gestatten.
Darüber hinaus spielen Sicherheitsaspekte eine wichtige Rolle. Im Normalbetrieb sowie insbesondere in Unfallsituationen sollten Batteriespeicher weder feuer- noch explosionsgefährlich sein. Selbiges gilt mit Blick auf Park- und Ladezeiten. Ein dritter Performancefaktor ist schließlich die Schnellladefähigkeit: Sie entscheidet über die Dauer der einzelnen Ladevorgänge und damit maßgeblich über den Komfort für den Fahrzeugnutzer. Allerdings kann Schnellladung ein wesentlicher Treiber der Batteriealterung sein.
Bislang werden Traktionsbatterien meist so groß ausgelegt, dass Schnellladung ohne Alterungsschäden und zugleich eine große Reichweite möglich sind. Künftig wird das Effizienzpotenzial von Elektro-Autos nur dann gehoben werden können, wenn Schnellladefähigkeit, geringe Batteriealterung und große Reichweite mit möglichst kleinen Batterien realisiert werden können.