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Die richtige Mischung: Abstimmung auf einer Tonanlage.
Petr Novák, Spezialist für elektrochemische Speicher am PSI

Batterien für E-Autos: «Europa braucht zehn Gigafabriken»

Die weltweite Schlacht um Batterien für die Mobilität wird gigantisch werden, ist Petr Novák, Spezialist für elektrochemische Speicher am PSI, überzeugt. Im Interview spricht er über die unterschiedlichen Ansätze seiner Forschungen, den richtigen Technologiemix und die Grenzen der Chemie.

Herr Novák, die ganze Welt ist auf der Suche nach besseren Batterien. Wird entsprechend intensiv in die Forschung investiert?
Auf diesem Gebiet sind tatsächlich ¬weltweit üppige staatliche Mittel vorhanden – egal ob für Forschung, Entwicklung oder Pilotprojekte. Allerdings führt dies dazu, dass sich auch unzureichend ausgebildete «Forscher» um diese Gelder bewerben. Und häufig bekommen sie diese auch, weil es einfach zu wenig Leute gibt, die etwas Substanzielles abliefern können.

Sie brauchen sich also nicht über fehlende Mittel zu beklagen, um forschen zu können?
Ich beklage mich nicht über fehlende Mittel an sich, jedoch über deren stark schwankende Verfügbarkeit. Entweder gibt es zu viel oder zu wenig. Ein bisschen mehr Nachhaltigkeit und eine längerfristige Perspektive wären der Sache dienlicher.

Zur Person

Prof. Dr. Petr Novák, 1956, leitet die Sektion Elektrochemische Energiespeicher am Paul-Scherrer-Institut in Villigen AG, dem grössten Energieforschungszentrum der Schweiz. Mit 2100 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 380 Mio. Franken setzt es Schwerpunkte in Festkörperwissenschaften, Elementrateilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung.

Wie stark spüren Sie die Konkurrenz auf Ihrem Gebiet?
Wir spüren sie aus den genannten Gründen eher in quantitativer als in qualitativer Hinsicht. Vielfach wird auch auf Gebieten geforscht, die zur Zielfindung nicht unbedingt wesentlich sind.

Ihre Forschungsarbeit setzt an der Schnittstelle zwischen Physik, Materialwissenschaft und Elektrotechnik an. Welche Wege verfolgen Sie dabei?
Wir fahren im Grunde zweigleisig: Einerseits sind wir selbstverständlich stets auf der Suche nach alternativen Wegen mit neuen Materialien. Doch die Möglichkeiten sind hier inzwischen fast ausgereizt, weil uns die Chemie mit ihrer endlichen Zahl an sinnvollen Kombinationen natürliche Grenzen setzt. Entsprechend existiert eine Art Schallgeschwindigkeitsgrenze für die Verbesserungen an elektrochemischen Energiespeichern.

«Man kann schnell einmal behaupten, etwas sei rezyklierbar. Die Frage lautet: Mit welchen ökologischen Konsequenzen?»

Prof. Dr. Petr Novák

Und der zweite Weg?
Hier sind wir ständig dabei, bewährte Systeme graduell zu verbessern – im Hinblick auf Energiedichte, Sicherheit, Kosten, Umweltverträglichkeit und Lebensdauer.

Stichwort Energiedichte: Welche Fortschritte sind da seit Anfang des Jahrzehnts erzielt worden?
Einzelne Zellen in High-End-Produkten erreichen heute Werte bis zu 320 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg), was einer Verbesserung von rund 20 Prozent gleichkommt. Auf der Systemebene – also bei kompletten Battery Packs samt Elektronik, Verpackung und Kühlsystem – ist dieser Wert zwar nur halb so hoch. Und doch waren die Fortschritte hier am bedeutendsten.

Was liegt bei der bekannten Lithiumionen-Technologie noch an Verbesserungen drin?
Hier arbeitet man an der Langlebigkeit, der Erhöhung der Anzahl möglicher Ladezyklen und dem Verhalten bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen. Je länger eine Batterie in ihrer Anwendung funktioniert, desto geringer fallen die Kosten pro Jahr, pro Zyklus und pro Kilowattstunde aus. Es sind eher kleine Schritte, die in ihrer Summe zu stetigen Verbesserungen führen.

Auch höhere Ladegeschwindigkeiten und grössere Reichweiten gewinnen stark an Bedeutung. Werden die letzten Praxisnachteile der Elektromobilität bald überwunden sein?
Teure High-End-Produkte, wie etwa von Porsche für nächstes Jahr angekündigt, sollen tatsächlich Reichweiten bis zu 800 Kilometern ermöglichen. Gleichzeitig kann an Autobahn-Hochleistungs-Ladestationen in einer Viertelstunde ein Aktionsradius von 400 Kilometern nachgetankt werden. Fortschritte dieser Art haben jedoch ihren Preis – nicht nur in Franken, sondern auch im Hinblick auf die Umwelt. Die Fahrzeuge verschlingen mehr Ressourcen bei der Herstellung, sie werden schwerer, die Ladekabel dicker, und die Infrastruktur muss erst noch aufgebaut werden. Ausserdem haben Ladestationen dieses Kalibers einen potenziell negativen Einfluss auf die Netzstabilität.

Grafik zu Auto-Neuzulassungen in der Effizienzklasse A

Was ist aus dem Hoffnungsträger Lithium-Sauerstoff-Batterie geworden?
Die Lithium-Sauerstoff-Batterie erreicht auf dem Papier tatsächlich eine maximal mögliche Energiedichte von 6000 Wh/kg. Das markiert das absolute Ende der Fahnenstange, das äusserste Limit, das die Chemie hergibt. (Anm. d. Red.: Benzin besitzt eine Energiedichte von 12 000 Wh/kg.) Es ist sinnvoll und notwendig gewesen, die Grundlagen dieser Versuchsanordnung zu erforschen. Es stellen sich dabei aber Probleme mit der Zellchemie, die so gravierend sind, dass ich fast von einem hoffnungslosen Fall sprechen möchte. Ich erwarte jedenfalls in den kommenden zwanzig Jahren keine Entwicklung, die Marktchancen eröffnen könnte.

Es gibt Fahrzeughersteller, die behaupten, ihre Batterien seien zu 99 Prozent rezyklierbar. Ihr Kommentar?
Ich rate dazu, solche Aussagen mit Vorsicht zu geniessen. Man kann schnell einmal behaupten, etwas sei rezyklierbar. Die Fragen dazu lauten: Zu welchen Bedingungen, zu welchem Preis und vor allem auch mit welchen ökologischen Konsequenzen? Denn umwelttechnisch kommt das Recycling manchmal teurer zu stehen als das Material, das frisch ab Mine verarbeitet wird.

Petr Novák
Petr Novák: «Es wird eine gewaltige Schlacht entbrennen um Batteriepreise und um Minen, die die Materialien überhaupt hergeben.»

Ist die Gigafactory, die Tesla mit Panasonic im US-Staat Nevada aufgestellt hat, das richtige Modell für eine massentaugliche E-Mobilität?
Wenn man Skaleneffekte nutzen will, auf jeden Fall. Denkt man genauer darüber nach, wie viele Batterien benötigt werden, um allein die Strategien der Regierungen zur Elektromobilität umzusetzen, kommt man auf einen Bedarf von etwa zehn solcher Gigafabriken allein für Europa. Sie können sich also ausrechnen: Es wird weltweit eine gewaltige Schlacht entbrennen – nicht nur um die Batteriepreise, sondern um Fertigungskapazitäten, um Materialien – und um Minen, die diese Materialien überhaupt hergeben. Da kommt noch einiges auf uns zu.

Worin liegt für Sie die eigentliche Faszination Ihrer Arbeit?
Die grösste Befriedigung ziehe ich aus der Tatsache, dass Leute, die ich in der Forschung ausgebildet habe, ihre Erkenntnisse später in der Industrie auch umsetzen. Wenn Forschungsarbeit den Weg zur Marktreife findet, besteht immer Grund zur Freude.

Der Energiemagazinverbund «smart»

Dieser Artikel ist in ähnlicher Form im Energiemagazinverbund «smart» erschienen. Redact unterstützt Energiedienstleister mit Fachartikeln zur Energiezukunft und zu energiepolitischen Entwicklungen. Zusammengefasst in einem Verbund-Kundenmagazin in Kioskqualität mit einer Auflage von über 460 000 Exemplaren.

Andreas Turner

Über den Autor

Andreas Turner

Als Chief Quality Officer wacht Andreas Turner über die textliche Klasse des redaktionellen Outputs von Redact. «Marken suchen nach neuen Wegen der Kommunikation», sagt er. Warum also nicht gezielt gegen Routinen und Regeln verstossen?

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