26.10.2017

Interview mit Prof. Dr. Jens Tübke, Fraunhofer ICT

Das Forum ElektroMobilität e.V. organisiert gemeinsam mit der Fraunhofer Allianz Batterie ein Konferenzmodul auf der Hypermotion in Frankfurt. Im Modul „Herausforderungen an Energiespeicher für eine schnelle Markteinführung der Elektromobilität“ am 22.11.2017 von 16:00 Uhr bis 17:30 Uhr geht es u.a. um mögliche Mobilitätslösungen, die unterschiedlichen Energieträger und die Entwicklung der Batterie. Hierzu sprach Michael Kluger, Leiter der Geschäftsstelle Forum ElektroMobilität e.V., mit Prof. Dr. Jens Tübke vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT. Herr Prof. Tübke ist zudem Fachbeirat für das Aktionsfeld „Energieerzeugung, -speicher & Netzintegration“ im Forum ElektroMobilität e.V.


Prof. Dr. Jens Tübke, Produktbereichsleiter Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT

Michael Kluger, Leiter der Geschäftsstelle des Forum ElektroMobilität e.V.

MK: Welche Energieträger kommen für zukünftige Mobilitätslösungen in Frage?

JT: Mit dem Ziel der Reduktion der Emissionen an Treibhausgasen in Deutschland bis zum Jahr 2050 um 80–95 % gegenüber dem Wert von 1990 ist eine Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energien und eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz der einzig gangbare Weg. Eine direkte Nutzung von Wind- und Solarenergie und die damit verbundene Speiche-rung in Fahrzeugbatterien ist in diesem Zusammenhang die wohl sinnvollste Lösung. Da wo dies jedoch an Grenzen stößt, wenn es um das Thema großer Energiemengen geht, wie zum Beispiel im Schwerlastverkehr oder auch für Schiffe, oder auch um lange Fahrstrecken und damit verbunden der Notwendigkeit große Energiemengen in sehr kurzer Zeit nachtanken bzw. nachladen zu können, werden andere, ergänzende Lösungen notwendig sein. Dazu zählen die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger und dessen Verstromung in Brennstoffzellen im Fahrzeug oder auch die Herstellung synthetischer Kraftstoffe aus Wasserstoff, Kohlendioxid und erneuerbarem Strom. Unterstützt werden können batterielektrische Mobilitätslösungen auch durch geeignete Range Extender zur Verlängerung der Reichweite durch Nachladen der Batterie im Fahrbetrieb. Auch hier kommen wieder Brennstoffzellen in Frage, die mit unterschiedlichen Brennstoffen, vom Wasserstoff bis zu flüssigen Energieträgern betrieben werden können oder auch kompakte Verbrennungsmotoren-Generator-Lösungen.


MK: Welche Rolle übernimmt in diesem Zusammenhang die Batterie?

JT: Nun, bei allen genannten Lösungen spielt die Batterie eine wichtige Rolle, sei es die Fahrbatterie im vollelektrischen Fahrzeug oder als Batterie zur Unterstützung im Hybridauto. Auch bei Nutzfahrzeugen, die vielleicht einmal mit synthetischen Kraftstoffen und einem Verbrennungsmotor unterwegs sind, wird es zunehmend mehr elektrische Verbraucher an Bord geben. Das können Kühlaggregate oder ähnliches auf dem Trailer sein, das können Systeme sein die im Stand, etwa bei Ruhepausen für den Fahrer, die Fahrerkabine versorgen oder auch elektrisch betriebene Nebenaggregate im Fahrzeug – alles mit dem Ziel auch hier die Energieeffizienz des Gesamtsystems zu erhöhen.


MK: Wie leistungsfähig sind die Batterien heute?

JT: Heutige Lithium-Ionen-Batterien sind bereits sehr leistungsfähig. Aktuelle Entwicklungen, etwa im Bereich der Kathodenmaterialien aber auch in der weiteren Erhöhung der Packungsdichte für die energiespeichernden Materialien in den Zellen haben zu einer deutlichen Verbesserung der Energiedichte in den letzten Jahren geführt. Erfolgreich demonstriert wurde dies vor allem in den kleineren Zellformaten, wie wir sie zum Beispiel aus den Power Tools kennen. Dies wird aktuell auf die großen Zellformate für elektromobile Anwendungen übertragen, so dass auch hier noch weitere Verbesserungen erwartet werden dürfen.


MK: Ist ein Leistungssprung der Batterie auf eine Reichweite von 1000 km realistisch?

JT: Naja, ich würde nicht gleich auf 1000 km spekulieren. Allerdings, bei Betrachtung der möglichen Steigerungspotentiale der Energiedichte, nicht nur auf Material- und Zellniveau, sondern vor allem auch im Bereich der Gesamtbatterie – d.h. inklusive der Batterietemperierung, des Gehäuses, der Leistungselektronik und vieler weiterer notwendiger Komponenten, sind noch beachtliche Verbesserungen möglich. Ich halte für vollelektrische Fahrzeuge eine Reichweite von mehr als 800 km in den kommenden Jahren für durchaus realistisch.


MK: Was sind die zukünftigen Entwicklungsziele bei der Leistungssteigerung der Batterie und woran arbeiten Sie aktuell im ICT?

JT: Geforscht und entwickelt werden muss hier auf allen Ebenen. Materialien für die Elektroden mit höherer Speicherkapazität werden ebenso benötigt wie Materialien die sich in den Batterien sicher und vor allem auch über einen langen Zeitraum betreiben lassen. Hier wird man vielleicht auch einmal den einen oder anderen Kompromiss eingehen müssen. Ein aktueller Entwicklungstrend auf der Anodenseite ist zum Beispiel die Zugabe von Silizium zum heute eingesetzten Graphit um die Kapazität zu erhöhen. Auf der Kathodenseite geht es um eine weitere Kostenre-duktion der Materialien, zum Beispiel durch weitestgehenden Verzicht auf Cobalt oder auch um die Erhöhung der Kapazität durch Entwicklung Nickel-reicher Materialien. Dies sind nur zwei Beispiele. Am ICT entwickeln wir unter anderem Systemlösungen für ein verbessertes Thermomanagement für die Zellen, was unabdingbar für eine hohe Lebensdauer für die Batterie aber auch für eine Schnellladung im Fahrzeug ist und arbeiten auch an sogenannten Festkörperbatterien die vielleicht einmal vollständig auf flüssige und brennbare Elektrolyte verzichten können.

MK: Was muss passieren damit die Batterien zukünftig kostengünstiger werden und damit ein Elektrofahrzeug preislich attraktiv wird?

JT: Ja, da haben Sie leider recht mit der Frage, einer der großen Preistreiber für die heute noch höheren Kosten für ein vergleichbares Elektrofahrzeug ist die Batterie. Häufig schaut man in diesem Zusammenhang auf die Kosten für die Elektrodenmaterialien, für die Zellproduktion und letztendlich auf einen Preis für die gespeicherte Kilowattstunde der sich auf die Einzelkomponente Zelle bezieht. Dies ist sicherlich erst einmal völlig richtig, entscheidend sind am Ende aber wieder die Gesamtkosten für die Batterie, also inklusive aller Komponenten, die für den Betrieb der Zellen notwendig sind. Eine Kostenreduktion muss also zum einen auf allen Ebenen passieren und zum anderen eben auch aufeinander abgestimmt. Wie auch beim Thema Energiedichte zählt hier: nicht die kostengünstigste Zelle führt zwangsläufig zum gewünschten Ziel, sondern die mit der sich die kostengünstigste Batterie aufbauen lässt.


MK: Kommen wir kurz auf die bestehende Tankstelleninfrastruktur, die sich unter den geschilderten Entwicklungen ebenfalls wandeln muss. Wie sieht die Tankstelle der Zukunft aus?

JT: Ein großer Teil der heutigen Tankstellen wird sicherlich öffentlicher Ladeinfrastruktur oder auch den Ladestationen im privaten Umfeld weichen. Trotzdem werden auch zukünftig noch zum Beispiel für den Langstreckenbetrieb und den schwereren Nutzfahrzeugen weitere Brenn- bzw. Kraftstoffe an den Tankstellen vertrieben, wie vielleicht Wasserstoff oder auch synthetische Kraftstoffe. Prinzipiell wäre es auch interessant, wie man zukünftig solche Tankstellen in die Infrastruktur einbindet. Die Frage wie man am besten fluktuierend zur Verfügung stehende elektrische Energie aus Wind und Solar zwischenspeichert stellt sich ja nicht nur an der Tankstelle, sondern im gesamten Energienetz. Sicher lassen sich hier durch eine intelligente Einbindung der Tankstelle in die Netzinfrastruktur Synergien nutzen.


MK: Ich bitte um Ihre persönliche Einschätzung zum Mobilitätsmix in 2030. Wie sieht dieser nach Energieträgern aus?

JT: Den Hauptanteil im Energiemix werden wir zukünftig über die erneuerbare Energie aus Wind und Solar beziehen, sonst lassen sich die gesteckten Klimaziele ja nicht erreichen. Es stellt sich eigentlich nur die Frage, welcher Anteil davon direkt als elektrische Energie im Fahrzeug genutzt werden kann. Beim heutigen Fahraufkommen und einem überwiegenden Anteil an Kurzstrecken könnte dieser Anteil durchaus bei 80% und mehr liegen. Dies umzusetzen bedeutet aber auch die notwendige Akzeptanz beim Nutzer zu erreichen. Und damit kommen neben den Antriebsthemen vor allem auch Mobilitätskonzepte zum Tragen, wie zum Beispiel dem Car Sharing oder ein Ausbau des öffentlichen Nahverkehrs. Auch zukünftige autonome Fahrzeuge werden hier einen erheblichen Teil zur Verbesserung der Energieeffizienz des Mobilitätssystems beitragen.

MK: Herr Prof. Tübke, vielen Dank für das Gespräch.