Wer bei Elektroautos von Batterie und Akku spricht, meint in der Regel dasselbe: den Stromspeicher, der den E-Motor antreibt. Die Begriffe sind allerdings keine Synonyme und daher nicht gleichzusetzen. Denn: Jeder Akku ist eine Batterie, aber nicht jede Batterie ist ein Akku.
Batterie ist der Oberbegriff für Energiespeicher. Jedes Objekt, das Energie "enthält", ist eine Batterie. Ist es darüber hinaus noch aufladbar, handelt es sich um einen Akku. Für den Stromspeicher eines E-Fahrzeugs sind also beide Begriffe zutreffend: Er ist eine wiederaufladbare Batterie und somit ein Akku.
Jede Batterie, auch die eines E-Autos, wandelt chemische Energie in elektrische Energie um. Der Stromspeicher besteht aus drei Hauptbestandteilen: Minuspol (Kathode), Pluspol (Anode) und Elektrolyt. Zwischen den beiden Polen, den sogenannten Elektroden, befindet sich ein Flüssig- oder Feststoff-Elektrolyt. Dieses leitende Mittel sorgt dafür, dass sich negativ geladene Teilchen (Elektronen) zwischen den Elektroden hin- und herbewegen und elektrische Spannung entsteht.
Die Lithium-Ionen-Akkus eines E-Autos setzen sich aus Batteriemodulen mit vielen einzelnen Batteriezellen zusammen. In ihnen findet der elektrochemische Prozess statt, der die Antriebsenergie erzeugt.
Aktuell zahlen Sie für Lithium-Ionen-Batterien zwischen 5.000 und 10.000 Euro. Das macht den Akku zur teuersten Komponente eines E-Autos. Der Preis errechnet sich nach der Batteriekapazität pro Kilowattstunde (kWh). Je leistungsfähiger der Akku, desto teurer ist er – und desto höher sind die Elektroauto-Kosten.
Die Preise von E-Auto-Batterien sinken allerdings kontinuierlich. Laut Prognose der internationalen Managementberatung Horváth & Partners liegt der Preis für Lithium-Ionen-Akkus 2020 bei durchschnittlich 84 Euro pro kWh. Bis 2022 soll er auf 75 Euro pro kWh sinken. Zum Vergleich: 2018 lagen die Batteriekosten bei etwa 150 Euro pro kWh.
Ein Beispiel: Für den Akku eines Smart fortwo electric drive mit einer Kapazität von 17,6 kWh zahlen Sie rund 1.500 Euro. Bei einem Tesla Model S mit 100-kWh-Batterie liegen die Kosten für den Stromspeicher bei etwa 8.400 Euro.
Die hohen Kosten von Lithium-Ionen-Akkus hält viele Kunden vom Kauf eines Elektroautos ab. Deshalb bieten zahlreiche Hersteller die Möglichkeit an, die E-Auto-Batterie zu mieten. Der Kaufpreis des E-Fahrzeugs sinkt dadurch um mehrere tausend Euro. Dafür kommen monatliche Mietkosten für den Akku hinzu.
Für einen Renault ZOE, dem meistverkauften Elektroauto 2019 in Deutschland, zahlen Sie für eine 22-kWh-Batterie zusätzlich 8.000 Euro. Mieten Sie die Batterie, hängt die Höhe der Miete von der Kilometerzahl ab: Je mehr Sie mit dem Stromer unterwegs sind, desto mehr zahlen Sie.
Fahren Sie beispielsweise 7.500 Kilometer im Jahr, sind monatlich 59 Euro fällig. Bei einer jährlichen Fahrleistung von 15.000 Kilometern beläuft sich die Miete auf 89 Euro. Wollen Sie eine unbegrenzte Kilometerzahl zurücklegen, buchen Sie ein Unlimited-Paket für 119 Euro pro Monat.
Welche Kosten pro Batterieladung auf Sie zukommen, hängt davon ab, welche Ladestation Sie nutzen. An öffentlichen Elektroauto-Tankstellen fallen durchschnittlich 23 bis 32 Cent pro kWh an. Laden Sie Ihren Stromer zu Hause an Haushaltssteckdose oder Wandladestation ("Wallbox"), zahlen Sie den örtlichen Strompreis – rund 30 Cent pro kWh.
Die Ladezeiten von Elektroauto-Akkus variieren je nach Kapazität und Ladeleistung von Akku und Stromquelle. Schnellladestationen füllen die Batterie Ihres Stromers unter 60 Minuten bis zu 80 oder sogar 90 Prozent. An regulären öffentlichen Ladesäulen dauert eine vollständige Aufladung mehrere Stunden.
Im Laufe der Zeit verändern sich die Eigenschaften der Lithium-Ionen-Zellen. Deshalb büßt der Stromspeicher mit zunehmendem Alter Kapazität ein. In der Folge sinkt die Reichweite des Elektroautos. Wer einige Regeln befolgt, kann die volle Leistung des E-Auto-Akkus so lange wie möglich erhalten.
Während der Fahrt erhitzt sich der Lithium-Ionen-Akku eines Elektrofahrzeugs. Da eine konstante Temperatur – idealerweise 20 bis 25 Grad Celsius – für Lebensdauer und Leistung der Batteriezellen entscheidend ist, entwickeln E-Autohersteller komplexe Kühlsysteme. Je nach Modell sorgen unter anderen Luftkühlung, Kühlflüssigkeit oder Kühlpaletten dafür, dass die Kühlleistung höher als die Wärmeleistung des Stromspeichers ist.
Je leistungsfähiger der Akku, desto komplexer ist das Temperatur-Management. Bei der Direkt-Pumpkühlung fließt die Kühlflüssigkeit über ein Pumpsystem an den Batteriezellen vorbei. Bei Zwei-Phasen-Kühlsystemen befinden sich die Batteriemodule in der Kühlflüssigkeit, die deren Abwärme aufnimmt und verdampft. Bei indirekter Batterie-Kühlung ist das Kühlsystem in mehrere Kreisläufe unterteilt. Über einen Wärmetauscher (Chiller) ist die Klimaanlage des E-Fahrzeugs in den Kältekreislauf einbezogen. Die Kälteleistung, die beim Verdampfen der Kühlflüssigkeit entsteht, ist im Sommer beispielsweise für die Innenraumklimatisierung nutzbar.
Die Produktion der Batteriezellen für den Elektroauto-Akku ist sehr energieaufwendig. Hinzu kommen CO₂- und Schadstoffemissionen, die bei der Fahrzeugproduktion entstehen. Zudem sind E-Pkw nur so umweltfreundlich wie der Strom, den sie nutzen. Stammt dieser aus einem Kohlekraftwerk anstatt aus regenerativen Energiequellen, leidet die Ökobilanz des E-Autos.
Auf die gesamte Lebensdauer und den geringen Wartungsbedarf gerechnet, schneiden Elektroautos im Vergleich zu Pkw mit Verbrennungsmotor jedoch gut ab. Die CO₂-Bilanz des ADAC ergab 2019, dass der CO₂-Nachteil von Batterieautos ab Fahrleistungen von 50.000 bis 100.000 Kilometern ausgeglichen ist.
Bringt der Akku Ihres Elektroautos nicht mehr die gewünschte Leistung, ist er weder nutz- noch wertlos. In der Regel leistet eine gebrauchte Elektroauto-Batterie immer noch 70 bis 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Anstatt auf einer Deponie zu landen, erhält sie im Rahmen eines "Second Life"-Konzepts ein zweites Leben. In der Regel kommt der Lithium-Ionen-Akku in dieser zweiten Lebensphase als stationärer Speicher zum Einsatz.
Ein bekanntes Beispiel ist das Fußballstadion von Ajax Amsterdam. In dem Gebäude speichern fast 600 Alt-Akkus von Elektroautos den über Sonnenlicht erzeugten Solarstrom und versorgen das Stadion bei Bedarf mit Strom. Auch das BMW-Werk in Leipzig verfügt über einen stationären Speicher mit 700 ausgedienten Akkus des BMW i3. Sie speichern die im Werk erzeugte Solar- und Windenergie und speisen sie in den Herstellungsprozess neuer Fahrzeuge ein.
Nicht nur große Stadien und Produktionsstätten profitieren von gebrauchten Elektroauto-Batterien. Auch in privaten Haushalten können Alt-Akkus eine Zweitkarriere starten. Eine 20-kWh-Batterie speichert genug Energie, um einen Familienhaushalt kurzzeitig mit Strom zu versorgen.
Landet die E-Batterie am Ende doch auf dem Recycling-Hof, wird sie in mehreren Schritten in ihre Einzelteile zerlegt, sortiert, geschreddert und geschmolzen. Per Gesetz sollen 50 Prozent des Materials erneut zum Einsatz kommen. Dafür reicht aktuell das Entfernen des Batteriegehäuses und aller Komponenten, die aus Aluminium, Stahl oder Kunststoff bestehen.
Experten fordern eine Überarbeitung dieser Richtlinie. Der Grund: Recycling sei nur effizient, wenn auch wertvolle Rohstoffe wie Lithium, Kobalt und Granit bis zu 90 Prozent zurückgewonnen werden. Dieser Prozess sei aktuell aber noch zu energieaufwendig und somit zu teuer.
In den meisten Elektrofahrzeugen sind aktuell Lithium-Ionen-Batterien verbaut. Trotz ihres verhältnismäßig geringen Gewichts haben Lithium-Ionen-Akkumulatoren eine Energiedichte von etwa 130 Wattstunden pro Kilogramm Masse (Wh/kg). Ihre hohe Leistungsdichte macht sie für E-Autos so nützlich – und zu den bisher leistungsstärksten Energiespeichern auf dem Markt. Die Kehrseite: Elektroauto-Batterien benötigen dafür große Mengen an Lithium und Kobalt.
Um den ökologischen Auswirkungen durch den Ressourcenbedarf und den bis heute hohen Batterie- und E-Fahrzeugpreisen entgegenzuwirken, suchen Forscher weltweit nach alternativen, besseren ökologischen und ökonomischen Lösungen. Diese Technologien könnten der Elektroauto-Batterie in Zukunft Konkurrenz machen:
Die Feststoffbatterie, auch Festkörperbatterie genannt, könnte sich zu einer ernstzunehmenden Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie entwickeln. Da sie ohne flüssige Elektrolyte auskommt, kann sie weder auslaufen noch in Brand geraten.
Zudem verfügen Feststoffakkus über eine höhere Energiedichte als herkömmliche E-Auto-Batterien. Dadurch erzielen sie größere Reichweiten. Obwohl sie platzsparend und günstiger herzustellen sind, kommen Batterien mit Feststoffzellen noch nicht für den Betrieb von Elektrofahrzeugen infrage. Der Grund: Ihre Ladedauer ist zu hoch und sie verlieren nach wenigen Ladezyklen an Kapazität.
Wasserstoffzellen ziehen ihre Energie aus Wasserstoff, Brennstoffzellen aus natürlichen Rohstoffen wie Erdgas. Elektroautos mit Wasserstoff- bzw. Brennzellenantrieb erzielen hohe Reichweiten, sind kosteneffizient und lassen sich schnell nachladen.
Die Magnesium-Batterie ähnelt der herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie. Anstelle von Lithium kommt jedoch Magnesium zum Einsatz. Es ist leichter zu gewinnen und in der Natur häufiger zu finden. Das vereinfacht die Batterieproduktion und senkt ihre Kosten. Außerdem kann eine Magnesium-Batterie bei gleichem Gewicht ungefähr doppelt so viel Energie speichern wie ein Lithium-Ionen-Akku. Entsprechend verdoppelt sich auch die Reichweite des E-Autos. Der Nachteil von Magnesium-Batterien: Sie verlieren sehr schnell an Kapazität.
Elektrofahrzeuge mit Solarbetrieb sind noch nicht auf deutschen Straßen angekommen. In der Entwicklung sind Photovoltaikanlagen für Kfz jedoch sehr präsent. Der Vorteil von Solarzellen auf dem Autodach: Sie wandeln Sonnenstrahlen direkt in elektrische Energie um und betreiben damit den Elektromotor. Zusätzlich zu den Solarpanelen benötigt das E-Auto einen Akku, der die umgewandelte Sonnenenergie für die spätere Nutzung speichert.
Elektroautos mit Flusszellen-Batterie könnten Reichweiten von über 1.000 Kilometern erzielen. Zudem lässt sich eine Redox-Flow-Batterie (RFB) innerhalb von Minuten mit zwei elektrisch aufgeladenen Flüssigkeiten "betanken" – so zumindest die Theorie. Unternehmen wie der Chemiekonzern BASF arbeiten derzeit daran, die Redox-Flow-Stromspeichertechnologie marktfähig zu machen.
Die Wissenschaft steht vor der Herausforderung, den Elektroauto-Akku so effizient und so umweltfreundlich wie möglich zu machen. Folgende Aspekte stehen bei der künftigen Entwicklung im Vordergrund:
Dass die Ressourcen für Elektroauto-Akkus in naher Zukunft ausgehen, ist unwahrscheinlich. Die Rohstoffvorkommen von Lithium und Kobalt, die für Lithiumbatterien erforderlich sind, sind relativ groß. Die globalen Lithiumressourcen liegen nach Angaben der US-Behörde United States Geological Survey (USGS) bei etwa 62 Millionen Tonnen.
Laut einer Studie des Öko-Instituts kamen 2016 weltweit etwa 10.000 Tonnen Lithium in E-Auto-Akkus zum Einsatz. Im Jahr 2050 soll der Verbrauch Schätzungen zufolge bei 1,1 Millionen Tonnen liegen.
Die Elektroauto-Reichweite berechnen Sie mithilfe der Batteriekapazität und des tatsächlichen Energieverbrauchs auf 100 Kilometern. Die Formel lautet:
Reichweite (km) = Batteriekapazität (kWh) / Energieverbrauch (kWh/100 km) x 100
Mit einer Batterieladung kommen moderne Elektrofahrzeuge inzwischen auf eine durchschnittliche Reichweite von 400 Kilometern. Sie hängt von Faktoren wie Fahrverhalten, Fahrzeuggewicht oder Reifenzustand des Elektroautos ab.
Im Stadtverkehr beispielsweise erreichen Elektrofahrzeuge größere Reichweiten als auf der Autobahn. Das liegt daran, dass E-Pkw bei niedriger Geschwindigkeit weniger Strom verbrauchen und durch häufiges Bremsen ("Stop-and-Go") Energie zurückgewinnen (Rekuperation).
Hier finden Sie: