Mehr Effizienz für die Batterieentwicklung

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In den kommenden 15 bis 25 Jahren wird die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien zur Reife gelangen. Damit ergeben sich für die nächsten zwei Dekaden noch große Entwicklungspotenziale, insbesondere mit Blick auf die Energiedichte - und damit Reichweite von Elektrofahrzeugen - sowie eine weiterhin starke Kostenreduktion. Dies geht aus der Zusammenstellung von neun Roadmaps hervor, mit denen Forscher des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) erstmals den Forschungs- und Entwicklungsstand zu Lithium-Ionen-Batterien umfassend aufzeigen.

In dem Roadmapping-Prozess haben zahlreiche nationale Experten aus Wissenschaft und Industrie die Entwicklungspotenziale von Lithium-Ionen-Batterien im Kontext konkurrierender Techniken sowie als Energiespeicher für die Elektromobilität und stationäre Anwendungen bewertet. Die Roadmaps reichen bis 2030, während Langfristszenarien bis 2050 die Grenzen der darin beschriebenen Entwicklungen zu verstehen helfen.

Reichweitensteigerung als Schlüsselkriterium

Die Roadmaps zeigen, dass Elektrofahrzeuge in den kommenden Jahren nur für bestimmte Zielgruppen und Einsatzzwecke attraktiv sind. Nur durch eine schrittweise Steigerung der Reichweiten mittels einer verbesserten Batterietechnik sowie eines optimierten Energieverbrauchs könnten bis zum Jahr 2030 kostenoptimierte Fahrzeugmodelle entwickelt werden, die die Reichweiten herkömmlicher Automobile mit Verbrennungsmotor erreichen und sich in kurzer Zeit aufladen lassen. Ein vollständiger Wechsel in eine rein elektrifizierte Mobilität könne also aus technischer Sicht zwischen 2030 und 2050 nach einem Markthochlauf bis 2030 gelingen, so das Fazit. Basis dafür sei eine optimierte Lithium-Ionen-Batterietechnik.

"Je nach Entwicklungsphase können unterschiedliche Maßnahmen greifen", sagt Projektleiter Dr. Axel Thielmann. Für die kommenden Jahre seien weiterhin intensive FuE-Fördermaßnahmen zentral. Diese hätten in den letzten Jahren gerade in Deutschland eine hohe Wirkung gezeigt. Monetäre Anreize für einen Fahrzeugkauf dürften nach Einschätzung von Thielmann indes erst zwischen 2020 und 2030 wirksam werden, wenn die Kosten für Elektroautos weiter sinken und diese für breite Bevölkerungsschichten interessant werden.

Hohe Potenziale auch nach 2030

Die Einschätzung von Thielmann deckt sich mit Erkenntnissen bei VW. So sagte Tobias Lösche-ter Horst, Leiter des Forschungsfelds Antriebe der Konzernforschung in Wolfsburg in seinem Interview Auch in der Forschung konzentrieren wir uns auf Lithium-Ionen-Batterien aus der ATZelektronik 4-2015: "Die Möglichkeiten und Varianten von Lithium-Ionen-Batterien lassen sich weit fassen. Hier stecken enorme Potenziale, die uns noch nach 2030 beschäftigen werden." Die sogenannte Festkörper-Batterie sei beispielsweise eine vielversprechende Lithium-Ionen-Technik. Lösche-ter Horst: "Auch wenn Prognosen für einen Serieneinsatz heute beim besten Willen noch nicht gegeben werden können. Wir beschäftigen uns dennoch sehr intensiv damit."

Welche Ansatzpunkte für die Weiterentwicklung der Batterietechnik derzeit als erfolgversprechend eingeschätzt werden, erläutern Lukas Behr, Stephan Rees, Thomas Kruse und Jian Xie in ihrem Artikel "Effizienzsteigerung in der Applikation von Lithium-Ionen-Batteriesystemen" aus der ATZelektronik 6-2015. Die Ingenieure von Bosch Battery Systems, Etas und der Universität Ulm setzen vor allem auf eine modellbasierte Vorgehensweise für die Batterie-Applikation auf. Im Rahmen der Applikation, einem wesentlichen Bestandteil des Entwicklungsprozesses, erfolgt die Bestimmung einer Vielzahl an Parametern von komplexen Modellen, Funktionen und Kennfeldern auf dem Lithium-Ionen-Batteriesystem-Steuergerät zur Anpassung auf jede projektspezifische Batterie. "Durch eine deutliche Reduktion der erforderlichen Anzahl an Messdaten zur Modellbildung - hier um über 75 Prozent - wurde ein großes Potenzial zur Effizienzsteigerung offengelegt", so die Autoren.