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Hybridautos waren nur der Anfang: Fortschritte in der Batterietechnologie sorgen dafür, dass ausschließlich mit Elektromotoren bestückte Autos wieder ernst zu nehmen sind. Das heißeste Gefährt dieser Art kommt aus dem Silicon Valley

Hybridautos waren nur der Anfang: Fortschritte in der Batterietechnologie sorgen dafür, dass ausschließlich mit Elektromotoren bestückte Autos wieder ernst zu nehmen sind. Das derzeit heißeste Gefährt dieser Art kommt aus dem Silicon Valley

Dieses Auto könnte auch Porsche-Fahrer irritieren: 248 PS stark, Höchstdrehzahl 13.500 Umdrehungen pro Minute, vier Sekunden für den Sprint von 0 auf 60 Meilen (etwa 96,6 Kilometer) pro Stunde. Doch wer angesichts solcher Daten an einen neuen Benzinmotor für den Rennsport denkt, könnte falscher nicht liegen: Die Hinterachse des von Lotus in England gefertigten und auf Basis des Lotus Elise entworfenen Tesla Roadster wird allein von einem Elektromotor angetrieben. Anstelle eines Tanks verfügt der Zweisitzer über knapp 7000 beziehungsweise etwa 450 Kilogramm Lithium-Zellen im Heck, die über eine Lebensdauer von 160.000 Kilometern für eine Reichweite von bis zu 400 Kilometern pro Ladung sorgen sollen.

George Clooney hat schon geordert

Ähnlich ambitionierte Projekte gab es zwar schon vorher – etwa den Wrightspeed X1 oder den Venturi Fetish. Der Tesla Roadster aber ist anders als diese Prototypen in mehrerlei Hinsicht ein richtiges Auto: Mit 100.000 Dollar ist er nicht teurer als andere Fahrzeuge dieses Kalibers; und es gibt ihn tatsächlich zu kaufen. Die erste limitierte Serie von 100 Stück wurde bereits vorab in Rekordzeit verkauft – zu den ersten Kunden gehört der Schauspieler George Clooney, die glamouröse Präsentation des Elektrorenners ließ sich auch Kaliforniens Gouverneur Arnold Schwarzenegger nicht entgehen. Und in wenigen Jahren will Tesla-Gründer Martin Eberhard, ein durch den Verkauf seines Unternehmens zu Reichtum gekommener IT-Unternehmer, sein Angebot um ein sportlich angehauchtes Kompaktauto für Familien erweitern.

Akkus statt Wasserstoff?

Kaum haben wir uns an die derzeit boomenden Hybridautos mit normalem Verbrennungsmotor und zusätzlichem Elektromotor gewöhnt, taucht also eine neue Alternative auf. Doch ist es wirklich möglich, dass künftig nicht mehr der seit mehr als einem Jahrhundert liebevoll optimierte Verbrennungsmotor das Herz eines Autos bilden wird, sondern ein vergleichsweise simples Elektro-Aggregat, versorgt von Hochleistungsakkus? Ein derart radikaler Systemwechsel könnte nicht nur die Autobranche selbst auf den Kopf stellen, sondern auch das Problem der schwindenden Ölreserven um einige Größenordnungen kleiner erscheinen lassen. Und er würde auch diejenigen Beobachter und Unternehmen auf dem falschen Fuß erwischen, die diesen Job trotz vieler ungelöster Probleme (siehe TR, Ausgabe April 2006) immer noch eher dem Wasserstoff zutrauen als der direkten Speicherung elektrischer Energie.

Prius als Pionier

Dass Akku-Autos heute zumindest als wieder denkbare Möglichkeit gelten, ist nicht zuletzt das Verdienst von Hybrid-Pionier Toyota mit seinem Prius: Er hat gezeigt, dass ein Markt für umweltfreundliche Hightech-Autos existiert. Und er hat Eberhard dazu angespornt, es besser zu versuchen. Als „fürchterlich hässlich“ bezeichnet er den Prius.

Volle Ladung

Vor einigen Jahren auf der Suche nach einem schicken, schnellen und trotzdem ökologisch vertretbaren neuen Auto, fand der gelernte Elektro- und Computer-Ingenieur nichts Adäquates. Also machte er sich selbst an die Arbeit und auf die Suche nach Kapital. Fündig wurde er unter anderem beim Gründer des Online-Bezahldienstes Paypal, Elon Musk, bei den Google-Gründern Larry Page und Sergey Brin und mehreren Risikokapital-Firmen.

Kombination von Elektro- und Verbrennungsmotor umkehren

Während das anfangs belächelte Hybrid-Konzept mittlerweile von allen deutschen Autoherstellern verfolgt wird, zeigen sie bei der Frage nach möglichen reinen Elektro-Antrieben noch Zurückhaltung. Doch im Prinzip wären diese nur die logische Fortsetzung des Hybrid-Booms. Rein elektrisches Fahren ist mit den aktuellen Hybridautos aufgrund knapp bemessener Batteriekapazitäten nur für wenige Kilometer möglich. Dieses Antriebskonzept umzukehren und das Zusammenspiel von Elektro- und Verbrennungsmotor zu verändern bietet sich jedoch an: Dazu braucht es im Grunde nicht mehr als eine stärkere Batterie mit Anschluss an das Stromnetz, um das Aggregat mit mehr Energie versorgen zu können, als durch die Rückgewinnung der Bremsenergie oder die abgezweigte Motorleistung gewonnen wird. Der Verbrennungsmotor übernimmt umgekehrt die Aufgabe des Edelreservisten, der nur anspringt, wenn der Saft auszugehen droht.

Plug in-Hybride bereits auf der Straße

Solche Varianten so genannter „Plug in“-Hybridautos sind in Kalifornien bereits auf der Straße, wenn auch nur inoffiziell. Findige Elektrotuner haben die Nickel-Metallhydrid-Batterie des Toyota Prius durch eine wesentlich leistungsstärkere Lithium-Ionen-Batterie ersetzt, die Motormanagement-Software geknackt und so umprogrammiert, dass der Prius auch längere Strecken rein elektrisch fahren kann. Die Idee an sich ist nicht einmal neu, DaimlerChrysler etwa hat schon vor zwei Jahren den Kleinlaster Sprinter mit einer extern aufladbaren Hybridvariante gezeigt. Und auch Toyota will sich diesem Ansatz offenbar nicht ganz verschließen: Jim Press, Chef von Toyota USA, sprach bereits über Pläne seines Unternehmens, einen offiziellen Plug-in-Hybrid zu entwickeln. Der Weg zum reinen Elektroauto ist dann nicht mehr sehr weit.

Am Anfang war der Elektromotor

Tatsächlich wäre das sogar eine Art Rückkehr zu den Wurzeln des Automobils: Noch bevor Karl Benz und Gottlieb Daimler ihre lärmenden und rauchenden Autos auf die Straße brachten, surrten bereits Elektroautos leise und sauber durchs Land. Noch um die Jahrhundertwende waren in den USA mehr Elektroautos als Benzinautos unterwegs. Selbst Ferdinand Porsche setzte zu dieser Zeit auf elektrischen Antrieb: 1900 wurde in Paris der von ihm entwickelte Lohner-Porsche vorgestellt, ausgestattet mit elektrischen Radnabenmotoren. Aber schon damals scheiterte das Elektroauto an vergleichsweise unbefriedigenden Batterie-Leistungen und musste Platz machen für Autos mit Kolben und Pleuelstange.

E-Mobile wieder eingemottet

Wie auch einige Jahrzehnte später, nach der Energiekrise, als die großen Hersteller über das Thema noch einmal nachdachten: BMW beispielsweise entwickelte Anfang der Neunziger einen reinen Elektro-Prototyp, den E1. General Motors brachte den EV1 auf den Markt, das bis dahin ehrgeizigste Projekt dieser Art. Es wurde von GM nicht weiter verfolgt, als die ursprünglich strengen Zero-Emission-Regelungen in Kalifornien abgeschwächt wurden. Und Ford ließ erst im Jahr 2004 den Rest seiner Produktion des E-Modells Th!nk verschrotten. Übrig geblieben sind eine Reihe von Elektro-Mobilen einer kleinen, aber engagierten Bastlerszene, die bisweilen das Straßenbild bereichern – und ziemlich genau dem Bild des „punishment car“, Anti-Spaß-Autos also, entsprechen, über das Tesla-Erbauer Eberhard gern lästert.

Neue Konzeptstudien

Doch es gibt auch Neuentwicklungen, die mit ernsterem Anspruch auftreten: Auf der British International Motor Show in London präsentierte DaimlerChrysler im Juli 2006 den elektrisch angetriebenen Smart fortwo ev – entworfen für die Londoner Innenstadt, weil Elektroautos dort von der City-Maut befreit sind. Zuvor schon präsentierte Mitsubishi auf dem Genfer Automobilsalon im Februar das dritte elektrische Auto innerhalb kurzer Zeit, den Concept-EZ MIEV. MIEV steht für „Mitsubishi In-wheel-motor Electric Vehicle“, die Elektromotoren sind also in den Rädern integriert.

Volle Ladung

Auch Siemens VDO hat ein ähnliches Konzept vorgestellt: ein Modul namens eCorner, das Antrieb, Lenkung, Bremse und Dämpfung direkt am Rad unterbringt, elektrisch angetrieben und elektronisch gesteuert. Siemens-VDO-Vorstandsmitglied Klaus Egger ist sich sicher: „Der Hybridantrieb ist nur ein Zwischenschritt auf dem Weg zum Antrieb der Zukunft. Wir sehen im Elektromotor die tatsächlich langfristige Antriebslösung.“

China als Katalysator

Der entscheidende Schlüssel, um das akkugespeiste Elektroauto nach all den Fehlschlägen wieder in Fahrt zu bringen, ist naturgemäß die Batterietechnologie. Für die anspruchsvolle Anwendung im hybriden Automobil ist der Nickel-Metallhydrid-Akku derzeit das Mittel der Wahl. Schon er ist gegenüber der alten Bleibatterie ein gewaltiger Fortschritt, mit mehr als doppelter Energiedichte (bis zu 90 Wattstunden pro Kilogramm), bis zu dreifacher Leistungsdichte (bis zu 1300 Watt pro Kilogramm) und wesentlich höherer Zyklenfestigkeit. Die Schwächen des NiMH-Akkus sind seine Temperaturempfindlichkeit und das aufwendige Batteriemanagement, das für den zuverlässigen Betrieb notwendig ist. Und die Leistungsdaten sind noch immer nicht gut genug, um ein Auto auch über längere Strecken elektrisch betreiben zu können.

Zauberformel Lithium-Ionen-Technik

Die aktuelle Zauberformel heißt deshalb Lithium-Ionen-Technologie. Bedauerliche Parallele aus europäischer Sicht: Wie schon bei den Hybridautos hat man auch in der Batterieentwicklung die erste Abfahrt verpasst. „Der Rückstand beträgt schon einige Jahre, aber wir sind dabei aufzuholen“, sagt Uwe Paulmann, Experte für Lithium-Ionen-Technologie bei der Geschäftseinheit Creavis des Chemieunternehmens Degussa.

Führend in der Entwicklung sind – wenig überraschend – japanische Unternehmen wie Panasonic und Sanyo, daneben spielt China eine immer bedeutendere Rolle am Markt der Batteriehersteller. Firmennamen wie BAK oder BYD sollte man sich merken. Der besonders spannende Aspekt: BYD etwa entwickelt und produziert nicht nur Batterien, sondern hat auch eine eigene Automobilproduktion – entsprechende Synergieeffekte sind sehr schnell kurzgeschlossen. Ein Prototyp, der BYD ET, wurde schon vorgestellt. China könnte auch deshalb ein Katalysator für das Comeback des Elektroautos werden, weil die Entwicklung alternativer Antriebe von der dortigen Regierung massiv gefördert wird.

Brisanter Cocktail

Gegenüber Nickel-Metallhydrid bringt die Lithium-Ionen-Technologie noch einmal eine mindestens um das Zweifache bessere Performance; hinzu kommen Faktoren wie hohe Zyklenfestigkeit, geringe Selbstentladung und eine günstige Betriebstemperatur. Tatsächlich sind die Li-Ion-Akkus schon lange im breiten Einsatz in kleineren mobilen Geräten wie Handy oder Laptop. Dort haben sie inzwischen allerdings auch ihre Schwächen offenbart: Das eine oder andere Gerät ist seinem Benutzer schon um die Ohren geflogen, weil diese Akkus bei Überhitzung – zum Beispiel durch zu hohe Ladeströme – dazu neigen, durch Kurzschlüsse in Flammen aufzugehen. Der Computerhersteller Dell etwa musste im August eine Rückrufaktion für 4,1 Millionen Laptop-Akkus starten, zwei Wochen später folgte Apple mit 1,8 Millionen Akkus. In einem Auto mag man sich diesen brisanten Cocktail noch weniger vorstellen. Im Tesla Roadster werden die knapp 7000 Akkus deshalb einzeln verpackt und von einem elektronisch geregelten Kühlungs- und Batteriemanagement kontrolliert.

Das Sicherheitsproblem will Degussa mit einer neuen Membran für die korrekte Trennung der Elektroden entschärfen. Sie hört auf den Namen Separion und besteht aus einem flexiblen Keramikgewebe, das auch bei höchster Überlastung oder grober Beschädigung nicht schmilzt. Im schlimmsten Fall kann es zu lokalen Kurzschlüssen kommen, aber ohne gröbere Folgewirkungen. Weil der Markt für Lithium-Batterien zweistellig wächst und Degussa für 2015 ein Marktvolumen von sieben Milliarden Dollar erwartet, will sich das Unternehmen als Komponentenanbieter positionieren; dazu hat es ein Joint Venture mit dem japanischen Batteriehersteller Enax gegründet – das übrigens auch in China produzieren lässt.

Batterieszene in Bewegung

„Die Batterie ist serienreif“, sagt Paulmann – seiner Einschätzung nach wird das erste Auto mit dieser Technologie im Jahr 2008 auf den Markt kommen. Jedenfalls sei die gesamte Batterie-Szene mächtig in Bewegung gekommen: „Jeder, der etwas von Strom versteht, spricht mit jedem.“ Auch Toyota hat bereits angekündigt, Li-Ion-Batterien einsetzen zu wollen. Der Haupttreffer könnte jedoch dem amerikanischen Unternehmen A123 Systems gelungen sein, einem Spin-off des MIT. Die Besonderheit seiner Batterie ist das Material der Elektrode, ein mit Nanopartikeln versehenes Lithium-Eisenphosphat, das die Oberfläche der Elektrode und damit die Speicherkapazität vergrößert. Die M1 genannte Batterie soll in so gut wie allen Daten besser sein als herkömmliche Li-Ion-Batterien: doppelte Leistung bei 80 Prozent weniger Gewicht, volle Aufladung in nur wenigen Minuten, unerreichbare Zyklenfestigkeit und Lebensdauer durch einen sehr kleinen Innenwiderstand.

Volle Ladung

Und vor allem: Die Batterie könnte wesentlich günstiger sein als bisherige Li-Ion-Batterien, die etwa mit kostspieligen Kobalt-, Nickel- oder Mangan-Verbindungen arbeiten. Auch hier ist wieder China mit im Spiel: Das mit potenten Geldgebern wie General Electric oder Motorola ausgestattete Unternehmen hat schon einen Vertrag mit der chinesischen BAK Battery Inc. geschlossen.

Kombi aus Akkus und Supercaps

Grundsätzlich aber gilt, erklärt Degussa-Experte Paulmann, „dass jede Batterie nur auf hohe Leistung oder hohe Energiedichte ausgelegt werden kann“. Die ideale Batterie für das Elektroauto könnte also am Ende ein intelligentes – wenngleich noch sehr teures – Doppel sein, in dem Akkus mit so genannten Supercaps geschickt zusammenspielen. Solche Ultrakondensatoren liefern hohe und schnelle Energieumsätze, allerdings bei sehr geringen Speicherkapazitäten. Weil solche Eigenschaften Fahrspaß und Fahrdynamik erhöhen, sind Supercaps eine reizvolle Alternative oder Ergänzung. Für BMW etwa sind diese Kondensatoren erste Wahl bei der Entwicklung zukünftiger Hybridmodelle.

Welche Technik im Detail sich auch immer durchsetzen wird: Dank kräftigem und gleichmäßig abrufbarem Drehmoment kann elektrisch fahren sehr viel Spaß machen, sobald man nicht mehr durch den Blick auf die Reichweiten-Anzeige gelähmt wird. Von den Tesla-Machern wird berichtet, dass sie Test-Beifahrer gern bitten, das Radio anzuschalten – um dann voll aufs Gaspedal zu steigen und so stolz zu demonstrieren, dass man bei einem derartigen Vortrieb den Arm nicht mehr nach vorn bekommt.

Unschlagbare Energieeffizienz

Neben den erstaunlichen Leistungswerten, die ein Sportwagen wie der Tesla Roadster auf die Straße bringt, sind es vor allem zwei gute Gründe, die für das Elektroauto sprechen: keine Emissionen während des Betriebs und ein höchst sparsamer Umgang mit der eingesetzten Energie. Der Tesla ist nach Unternehmensangaben doppelt so effizient wie ein Toyota Prius – und fünfmal effizienter als ein Porsche Turbo. Pro Megajoule eingesetzter Energie an der Quelle – in dieser Berechnung Erdgas – soll der flotte Roadster 1,14 Kilometer weit kommen. Denn was bei der Stromerzeugung im Vergleich zur Treibstofferzeugung durch einen schlechteren Wirkungsgrad verloren geht, kann der Tesla dank unschlagbarer Effizienz beim Einsatz der gespeicherten Energie mehr als aufholen: Der Verbrauch von 11 Kilowattstunden Strom auf 100 Kilometer entspricht ungefähr einem Liter Dieseltreibstoff. Die Rechnung verschlechtert sich allerdings, sobald man den realen Strommix zugrunde legt, der in den USA ähnlich wie in Deutschland durch hohe Anteile von älteren Kohlekraftwerken mit niedrigerem Wirkungsgrad gekennzeichnet ist.

Wasserstoffauto mit geringerem Wirkungsgrad

Auch für die Kohlendioxid-Bilanz gilt: Ein Elektroauto ist nur so sauber wie der Strom, mit dem es betrieben wird. Der Vorwurf, elektrisch zu fahren verlagere die Emissionen nur vom Auto zum Kraftwerk, kann also durchaus berechtigt sein. Diese Einschränkung gilt allerdings auch für Wasserstoff. Und: Den vorhandenen Strom zur Herstellung dieses höchst flüchtigen Gases einzusetzen, um ihn anschließend in einer Brennstoffzelle doch wieder zu Strom umzuwandeln, der einen Elektromotor antreibt – dieser Umweg ist vergleichsweise umständlich und vernichtet Wirkungsgrad. Tesla Motors errechnet für die Effizienz der Energieumsetzung von der Steckdose zum Motor für das reine Elektroauto 86 Prozent und für das Wasserstoffauto gerade einmal 25 Prozent.

Neue Freiheiten

Wie Mitsubishi mit dem MIEV oder Siemens VDO mit eCorner zeigen, bietet der Elektromotor darüber hinaus Potenzial, die Konstruktion und Entwicklung von Autos nachhaltig zu verändern. Durch seine Integration in zwei oder wahlweise auch vier Räder gewinnt man in jeder Hinsicht neue Freiheiten, weil man sich nicht mehr mit monströsen Verbrennungsmotoren, Getrieben und Kupplungen herumschlagen muss. Ein Radnabenmotor bietet außerdem ideale Voraussetzungen für die konsequente Umsetzung aller Drive-by-wire-Technologien, weil jedes Rad einzeln und unabhängig voneinander angesteuert werden kann. Für Gernot Spiegelberg, Leiter der Strategie- und Technologieabteilung bei Siemens VDO, sind das „Technologien, die man parallel entwickeln und am Ende des Weges integrieren kann“. Das Ende des Weges – das voll elektrifizierte Auto – soll im Zeitplan von Siemens VDO 2020 erreicht werden.

Während man bei Tesla selbstverständlich von einem Siegeszug der Akkus ausgeht, ist für Spiegelberg noch offen, ob der Strom für den Elektromotor in Zukunft aus einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder von einem kleinen, konstant laufenden Dieselmotor direkt an Bord kommen wird. Teslas Roadster aber zeigt, was mit eleganter Integration schon aus der heutigen Akku-Technologie herauszuholen ist. Und selbst wenn Autos dieser Bauart ein Nischenprodukt für überbezahlte Hollywood-Stars bleiben sollten: Frisches, bewegliches Denken nach IT-Art kann einer Branche, die mit riesigen Trägheiten zu kämpfen hat, sicher nicht schaden. (Markus Honsig/ Sascha Mattke, 10/06)

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