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Professor Dr. Martin Winter ist Chemiker, leitet das Helmholtz-Institut Münster und das Batterieforschungszentrum MEET der Westfälischen-Universität Münster. Im Interview spricht er über derzeitige Herausforderungen in der Batterietechnik.
© Judith Kraft, WWU/MEET
Batterieforscher Martin Winter im Interview
14.03.2017

„Eine Million E-Autos sind bis 2025 machbar“

Teuer, geringe Reichweite und lange Ladezeiten: Heutigen Batterien für Elektrofahrzeuge haftet ein negatives Image an. Doch eigentlich ist das Elektroauto serienreif. Zumindest fast. Im BINE-Interview spricht Professor Dr. Martin Winter vom Batterieforschungszentrum MEET der Westfälischen-Wilhelms Universität Münster und des Helmholtz-Instituts Münster, welche Hürden Batterien noch nehmen müssen und wie es gelingen wird, in den kommenden Jahren deutlich mehr Elektroautos auf die Straßen zu bringen.

BINE Informationsdienst: Herr Professor Winter, Elektrofahrzeuge mit Batterieantrieb kämpfen noch mit vielen Vorurteilen: Sie sind teuer, die Reichweite ist gering, die Ladezeiten dauern zu lange und Batterien gehen zu schnell kaputt. Stimmt das oder nicht?

Professor Dr. Martin Winter: Ja und nein. In der Mobilität können wir generell noch große Fortschritte erwarten. Auch Verbrennerfahrzeuge sind noch lange nicht am Ende ihrer Entwicklungsreife. Elektrofahrzeuge sind im Vergleich noch in einer frühen Entwicklungsstufe – da ist noch viel Luft nach oben. Dennoch: Die Fortschritte, die wir in den letzten vier bis fünf Jahren gemacht haben, sind enorm – gerade auch bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Lebensdauer. Und wir kriegen zunehmend auch Kosten und Reichweite in den Griff. Diese enormen Fortschritte haben wir uns vorher niemals vorstellen können. Ich bin sehr optimistisch, dass in der Zukunft bessere Elektrofahrzeuge auch die Zweifler überzeugen werden.

Wie können die jetzigen Probleme – wie Infrastruktur und Ladezeiten – gelöst werden?

Winter: Die Reichweite ist physikalisch bedingt. Wir vergleichen Äpfel mit Birnen. Denn bei der Batterie haben wir zwei Reaktionspartner an Bord, die wir immer wieder laden und entladen müssen. Der Verbrennungsmotor hat nur einen Reaktionspartner im Fahrzeug, den Flüssigtreibstoff, der nach einem Einwegmechanismus funktioniert. Der andere Reaktionspartner, Luft-Sauerstoff ist nur vorübergehend im Motor, ist also nicht nur kostenmäßig, sondern auch gewichtsmäßig geschenkt, belastet aber die Umwelt über die aus der Verbrennung entstehenden Abgase, wie Kohlendioxid und Stickoxide.
Die Kosten können noch deutlich sinken. Da wir jetzt ungefähr 150 Euro pro Kilowattstunde auf Zellebene erreicht haben, können wir in zehn Jahren deutlich weniger als 100 Euro pro Kilowattstunde erwarten. Dann wäre ein Batterieauto preismäßig vergleichbar mit einem wirklich schadstoffarmen Verbrennungsfahrzeug. Ein Unsicherheitsfaktor bleibt allerdings. Die Rohmaterialkosten, die uns einen Strich durch die Rechnung machen könnten. Denn die Ressourcen der Erde sind endlich.

Zukunft der Elektromobilität

Wir reden jetzt über rein batteriebetriebene Fahrzeuge. Aber wohin geht die Reise eigentlich? Mehr zum Batterie- oder mehr zum Brennstoffzellenauto?

Winter: Die Batterie und die Brennstoffzelle kann man nicht gegeneinander stellen, weil sie an vielen Stellen komplementär zueinander stehen. Das geht schon bei der Hybridisierung los: Man hat festgestellt, dass gerade die Lithium-Ionen-Technologie sehr dynamisch ist – und das über einen relativ weiten Ladehub, sowohl bei niedrigem Ladungszustand als auch schon bei fast Vollladung. Sie ist auch sehr dynamisch bei der Beschleunigung und während der Ladungsaufnahme, also bei der Bremsenergierückgewinnung. Das kann keine andere Speichertechnologie so gut. In einem Fahrzeug mit Brennstoffzelle brauchen Sie eine Batterie, um die Dynamik zu gewährleisten – für die Beschleunigung, die Bremsenergierückgewinnung und ähnliches. Heutige Range-Extender-Fahrzeuge haben Batterien mit einem Verbrennungsmotor an Bord; der Verbrennungsmotor erhöht die Reichweite der Batterie. In zukünftigen Range-Extendern kann man den Verbrennungsmotor durch eine Brennstoffzelle ersetzen. Die Brennstoffzelle hat den Vorteil, dass sie im Moment noch schneller betankbar ist als die Batterie.

Ob wir eine große Batterie mit einer kleinen Brennstoffzelle oder eine große Brennstoffzelle mit einer kleinen Batterie kombinieren, wird unter anderem davon abhängen, wie reichweitenstark wir die Batterie hinbekommen und wie günstig die Brennstoffzelle noch werden kann.
Derzeit funktioniert die Batterie einfach gut und es gibt eine etablierte Massenfertigung. Ob die Brennstoffzelle wirklich die „bessere Batterie“ sein wird, kann man auf jeden Fall nicht jetzt entscheiden; vielleicht steht diese Entscheidung auch niemals an. Momentan spricht jedenfalls nichts gegen eine synergetische Ko-Existenz beider Technologien; nebeneinander und miteinander sind sie stark.

Brennstoffzelle und Batterie in einem Auto: Wie bewegen wir uns in den kommenden 10 oder 20 Jahren fort?

Winter: Das kann man ganz schwer sagen, weil das Thema nicht nur technologieabhängig ist, sondern auch politisch und emissionsgetrieben ist, hier vor allem CO2- und Partikelausstoß-getrieben. Wenn wir die CO2-Vorgaben ohne Wenn und Aber einhalten, wird die Elektromobilität rasch den Markt erobern. In der Tat werden bezüglich CO2-Reduktion immer ambitionierte Ziele formuliert, allerdings auch für Zeiträume, die in fernerer Zukunft liegen. Ob diese Pläne dann eingehalten werden und wie, das ist eine andere Frage. Wir haben ja erst kürzlich gelernt, dass die Messung von Abgasen durchaus fehleranfällig ist. Es wird auf jeden Fall eine Übergangszeit geben, in der Verbrenner- und Elektrofahrzeuge nebeneinander fahren. Sollten wir die CO2-Grenzwerte nicht halten bzw. deren Einhaltung nicht rigoros verfolgen, wird die Übergangszeit lange dauern, sicherlich 10 bis 20 Jahre und auch noch lange vom Verbrenner geprägt sein. Dieses Szenario hat in Deutschland viele Befürworter, gerade auch in der Automobil-nahen Industrie.

„Eine Million Elektroautos bis 2020 waren immer ein ambitioniertes Ziel“

Das erklärte Ziel der Bundesregierung, bis 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf deutsche Straßen zu bringen, ist noch fern. 2016 waren es gerade mal 11.500 Elektroautos und 48.000 Hybridautos. Was muss die Politik, Industrie und Forschung noch tun, damit sich das ändert?

Winter: Die Industrie führt oft an, dass der Markt und nicht die Gesetzgebung die Akzeptanz der Elektromobilität entscheiden soll. Das würde im Folgeschluss bedeuten, dass wir die gesetzlichen Vorgaben zu CO2-Richtwerten nachrangig behandeln. Andererseits zeigt die Erfahrung, dass gesetzliche Vorgaben in der Tat das Kaufverhalten beeinflussen. Sie können inzwischen nicht mehr mit einem Auto mit gelber Plakette in die Städte hineinfahren. Die Fahrzeugkäufer stellten sich dementsprechend um. In Zukunft wird auch die grüne Plakette nicht mehr reichen, was das Kaufverhalten ohne Zweifel beeinflussen wird. Das Thema Feinstaubpartikel und deren Wirkung auf den menschlichen Körper erregt derzeit große mediale Aufmerksamkeit. Was würde passieren, wenn die ersten erkrankten Bewohner die Städte verklagen, weil Fahrverbote nicht ausgesprochen werden bzw. nicht kontrolliert werden? Bisher waren wir in der „Kann“-Situation, in der wir in der Lage waren, selbst bestimmen zu können. Jetzt kommen wir in die „Muss“-Phase: Wir müssen die Städte sauberer halten, weil die Feinstaubbelastung der Luft, die eigentlich schon immer da war, zum Thema geworden ist, das wir nicht mehr ignorieren können.

Und was bedeutet das in Bezug auf die Zellen und Autos?

Winter: Die deutsche Automobilindustrie geht davon aus, dass es mehrere Dutzend Modelle geben wird. Aber die sind für die Zukunft vorgesehen. Wenn Sie heute ein Elektroauto kaufen möchten, bekommen Sie bei vielen Herstellern jeweils nur eins zur Auswahl. Alle anderen Angebote sind Hybride. Es fehlt das Angebot und darüber hinaus können die Leute nicht zuverlässig laden. Es gibt deutlich zu wenig öffentliche Ladestationen. Und das Laden dauert seine Zeit.
Generell muss man aber auch ganz klar sagen, dass wir wirklich gute Batteriezellen erst seit wenigen Jahren haben. Das erstaunt eventuell viele, weil die Batterien seit Jahren ähnlich aussehen, aber es kommt auf den Inhalt an. Zum Vergleich: Wir verwenden heute optisch gleich aussehende USB-Datenspeicher-Sticks wie vor zehn Jahren. Nur haben die aktuellen jetzt mehrere Gigabyte und nicht mehr nur Megabyte. Ähnliches ist bei den Batterien passiert. Es gibt die gleichen Batteriedesigns wie vor 20 Jahren, nur haben die jetzt drei- bis viermal so viel Batterieenergie bei gleichem Volumen.
Letztendlich kann man die Materialkosten nicht unbegrenzt runterkriegen. Denn es gibt überhaupt eine endliche Materialverfügbarkeit und die ist individuell verschieden. Insgesamt gab und gibt es also viele Unwägbarkeiten, daher sind eine Million Elektroautos bis 2020 immer ein ambitioniertes Ziel gewesen. Bis 2025 halte ich das aus jetziger Sicht aber durchaus für machbar. Generell würde ich mir dabei wünschen, dass wir aus der eher passiven, abwartenden Haltung in eine aktive Förderung der Elektromobilität gehen. Statt ankündigen und reagieren, müssten wir die Entwicklung anführen und machen.

Wie sieht es bei anderen Anwendungen aus?

Winter: Für Batterien gibt es deutlich mehr Anwendungsgebiete als das Elektrofahrzeug, wie zum Beispiel die portable Elektronik, Speicherung von erneuerbaren Energien oder die Luftfahrt. Die Lithium-Ionen-Technologie hat eine sehr große Energiedichte pro Volumen, aber pro Gewicht gibt es wahrscheinlich bessere Alternativen. Und wenn die Batterie zu schwer ist, hebt die Maschine nicht ab. Dafür ist es in der Luftfahrt kein allzu großes Problem, etwas mehr Platz zu schaffen.
Bei der Unterhaltungselektronik ist das hingegen ein No-Go. Denn alle wollen unbedingt ein dünnes Mobiltelefon haben. Ob es 10 Gramm mehr wiegt, interessiert überhaupt keinen. Aber wenn das statt eines halben Zentimeters drei Zentimeter dick ist: Wer will ein Brikett in der Tasche tragen? Beim Auto ist das genauso. Es kann eher ein paar Kilo mehr wiegen, als dass man Kompromisse beim Platz für die Passagiere machen möchte.

Sie sprechen von der Verfügbarkeit der Rohstoffe. Geht es um Lithium oder auch um andere Materialien?

Winter: Lithium ist ein vergleichsweise häufiges Element. Kobalt und Nickel sind viel seltener, insbesondere die Kobaltverfügbarkeit bereitet Kopfzerbrechen. Das Problem bei Lithium ist, dass die Produktion sich nicht so schnell hochskalieren lässt. Immer dann, wenn die Nachfrage steigt – wobei auch Spekulation eine Rolle spielt –, gibt es deshalb Preissprünge. Ein langsames Hochfahren der Elektromobilität ist also auch durchaus gut für die Preisentwicklung bei den Batterien.

BINE-Themeninfo zu Elektromobilität

Sie sind Mitautor des neuen BINE-Themeninfos „Elektromobilität“. Was liegt Ihnen persönliches bei der Debatte um Batterien und Brennstoffzellen am Herzen?

Winter: Ich komme ja aus der Lithium-Ionen-Technologie. Die Lithium-Ionen-Batterie wurde auf den Markt gebracht, als ich wissenschaftlich mit dem Thema angefangen habe – damals noch als Diplomand. Und irgendwie bleibt die Liebe zu dem, was man gelernt hat, mit dem man groß geworden ist. Obwohl ich wirklich batteriebegeistert bin und die Batterie in der Anwendung im Moment die Nase vorne hat, würde ich ungern sehen, dass die Brennstoffzelle nicht die Aufmerksamkeit bekommt, die sie ohne Zweifel verdient.
Ich bin ein großer Fan davon, Technologien parallel zu verfolgen, kritisch miteinander zu vergleichen und auch die Stärken und Schwächen der Technologien offen herauszustellen. Als Sprecher der Deutschen Batterieforschung möchte ich allen, die in Forschung und Entwicklung auf elektrochemischen Energiespeichern und Wandlern arbeiten, sagen: Bleibt kritisch gegenüber den eigenen Arbeiten und Daten! Gerade heute, wo wir auf den Durchbruch neuer Antriebstechnologien warten, ist man versucht, seine Ergebnisse positiv zu bewerben und die Nachteile auszublenden. Das tut der Technologie an sich und auch der Glaubwürdigkeit der Forscher und Entwickler generell nicht gut. Exzellente Ergebnisse und Erfolge auf Batterien und Brennstoffzellen werden für sich sprechen und ich bin überzeugt, dass wir davon noch viele sehen werden.

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Merkzettel

Im Interview

Professor Dr. Martin Winter arbeitet seit mehr als 25 Jahren im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung und Energiewandlung. Sein Forschungsfokus liegt auf Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren. Winter ist Gründungsdirektor des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich, Professor an der Westfälischen-Wilhelms Universität Münster und Gründer sowie Leiter des MEET Batterieforschungszentrums der Universität.

Infotipp

Elektromobilität
BINE-Themeninfo I/2017