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Elektroautos: Das muss man über Lithium-Ionen-Akkus wissen

Die Antriebsbatterie ist mehr als nur der Tank für die E-Mobilität. Sie ist das Schlüsselelement für den Preis, die Ökobilanz und die Alltagstauglichkeit eines Elektroautos.

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Die Vorzüge der E-Mobilität sollte man am besten im wahrsten Sinn des Wortes selbst erfahren: Volles Drehmoment aus dem Stand, höhere Traktion und Beschleunigung, eine optimierte Fahrbalance und ein niedriger Schwerpunkt des Fahrzeugs.

„Ich rate jedem: Fahr mal mit einem E-Auto! Dann wirst du merken, dass es eine ganz andere, neue Art von Mobilität ist. Die meisten können sich das gar nicht so vorstellen. Und umweltfreundlicher ist es noch dazu“, meint Lukas Oberzaucher. Er war einer der Ersten, der sich im Klagenfurter Wohnprojekt „Freigeist“ eine Ladestation für sein Elektroauto installieren ließ.

Neues Fahrerlebnis durch E-Mobilität

E-Mobilität bietet ein ganz neues Fahrerlebnis.

Nach wie vor halten sich jedoch drei Vorurteile bezüglich der E-Mobilität – und diese äußerst hartnäckig: Die Fahrzeuge seien zu teuer, deren Reichweite sei zu gering und die Ökobilanz wäre auch nicht besser als die eines Verbrennungsmotors.

Dabei steht jeweils der Akku im Mittelpunkt. Er ist mehr als nur der Tank eines Elektroautos, der bloß die Energie zum Fahren speichert. Er beeinflusst maßgeblich den Preis und die Ökobilanz (durch Produktion und Recycling), die Fahrdynamik (durch Gewicht und Lage im Fahrzeug), die Sicherheit (Stichwort Hochspannung) und die Reichweite (Zahl der Module) des gesamten E-Autos.

Der Akku ist ein Schlüsselelement, wenn es um die Zukunftsfähigkeit der individuellen E-Mobilität geht. In der Öffentlichkeit werden immer die Nachhaltigkeit, Alltagstauglichkeit und technologische Reife der Batterietechnologie angezweifelt. Wir versuchen Antworten auf die wichtigsten Fragen zum Akku von Elektroautos zu geben.

Wie ist der Akku aufgebaut?

Gestalt und Platzierung der Hochvolt-Antriebsbatterie spielen eine wichtige Rolle bei der Innenraumgestaltung, bei der Sicherheit und beim Fahrspaß eines Elektroautos. Die Batteriesysteme sind in der Regel flach zwischen den Achsen im Unterboden des Fahrzeugs verbaut. Dadurch kann der Schwerpunkt des Autos zum Vorteil der Fahrdynamik niedrig gehalten werden. Die im Boden verbauten Teile schaffen Platz im Innen- und Kofferraum. Und im Falle eines Unfalls ist es der am besten geschützte Ort im Fahrzeug.

Im Gegensatz zur Batterie in der TV-Fernbedienung sollte man sich den Akku eines Elektroautos nicht als einheitliches Bauteil vorstellen. Von der Form her erinnert er an eine Tafel Schokolade. Er setzt sich aus einer variablen Zahl von Batteriemodulen zusammen, die wiederum aus einzelnen Batteriezellen bestehen. Der Vorteil dieses modularen Aufbaus ist die Flexibilität: Wie und in welcher Zahl diese Zellen zu Modulen und dann zu einem Batteriesystem zusammengefügt werden, davon hängen am Ende Kapazität und Gewicht des Akkus sowie die Reichweite des Elektroautos ab.

Die Anzahl der Module bestimmt auch den Preis. Hersteller bieten verschiedene Varianten eines Elektroauto-Modells mit unterschiedlichen Reichweiten – also unterschiedlichen Batteriekapazitäten – an. Je größer die Kapazität, umso höher der Preis. Ein Prinzip, das man von Smartphones bereits kennt.

Welche Rohstoffe werden für einen Akku benötigt?

Im heute gängigen Elektroauto handelt es sich um einen Lithium-Ionen-Akku. Lithium hat eine entscheidende chemische Eigenschaft: Es gibt seine Elektronen recht schnell ab, ein entscheidendes Kriterium für die Stromerzeugung. Die allgemeinen Vorteile dieses Akkutyps lauten:

  • Er speichert viel Energie auf kleinem Raum
  • Er hält lange
  • Er ist sicher
  • Er lässt sich schnell laden

Bei einem Lithium-Ionen-Akku mit einer Kapazität von 50 kWh, einer gängigen Größe für Akkus in Elektroautos, werden laut dem deutschen Autofahrerclub ADAC folgende Rohstoffmengen benötigt:

Seltene Metalle im Akku

In Summe kommt der Akku samt Gehäuse auf ein Gesamtgewicht von gut und gerne 400 Kilogramm.

Was kostet ein Akku für ein Elektroauto?

Laut zahlreichen Analysen sind die Batteriekosten in den letzten Jahren stark gesunken. Trotzdem machen Akkus derzeit immer noch etwa 30 bis 35% der Gesamtkosten eines Elektroautos aus, so das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung. Die Entwicklung der fallenden Akkupreise soll sich jedoch weiter fortsetzen. Noch in diesem Jahrzehnt könnten die Herstellungskosten von Batteriezellen von deutlich unter 100 Euro pro kWh erreicht werden, prognostiziert das Fraunhofer-Institut.

Während die Batteriekosten pro kWh sinken, nehmen jedoch die durchschnittlichen Batteriekapazitäten von E-Fahrzeugen zu, um mehr Reichweite zu erzielen. Seit 2014 hat sich beispielsweise die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien verdoppelt. Ein 40- bis 50-kWh-Batteriespeicher ist im Elektroauto derzeit gang und gäbe. In der Oberliga stehen auch 70 kWh und mehr zur Verfügung.

Wie umweltfreundlich ist die Akkuproduktion?

Die Herstellung eines Antriebsakkus ist recht energieintensiv. Dadurch ist die sogenannte graue Energie, die allein in der Produktion anfällt, bei Elektroautos höher als bei konventionellen Kfz. Je nach Energiequelle, Energieeffizienz der Produktion und der Batteriegröße fallen nach Angaben des Fraunhofer-Instituts zwischen 70 und 130% höhere Treibhausgasemissionen an als bei der Herstellung von Benzin- oder Dieselfahrzeugen.

Über den gesamten Fahrzeuglebenszyklus hinweg betrachtet schneiden Elektroautos sowohl bei den CO2-Emissionen als auch bei Energieaufwand, Schadstoff- und Lärmemissionen laut Klima- und Energiefonds zumeist deutlich besser ab.

Nachhaltigkeit von Elektroautos

Betrachtet man die gesamte Lebensdauer schneidet ein Elektroauto in puncto Nachhaltigkeit besser ab als ein Verbrenner.

Wie weit kommt ein Elektroauto mit einer Akkuladung?

„Ich habe zuerst immer die Reichweitenangst gehabt, aber die findet eigentlich nur im Kopf statt, denn man kommt locker im Alltag damit zurecht“, meint Dietmar Dohr, Fahrer eines Elektroautos aus Wolfsberg.

Die Reichweite von modernen E-Autos liegt bei rund 300 bis 500 Kilometern mit einer Akkuladung, was im Alltag zumeist ausreichen sollte. 94% aller Autofahrten der österreichischen Bevölkerung sind kürzer als 50 km.

Aber wie viel verbraucht ein Elektroauto auf 100 km? Beim Verbrennungsmotor können wir einschätzen, ob eine bestimmte Liter-Anzahl einem hohen oder niedrigen Verbrauch entspricht. Beim Elektroauto geht es um Kilowattstunden (kWh). Der typische Durchschnittsverbrauch liegt bei recht sparsamen 15 bis etwa 25 kWh. Ein E-Auto mit einer Fahrleistung von jährlich 15.000 km verbraucht also zwischen 2.250 und 3.750 kWh.

Wie groß ist die Reichweite im Winter?

Die Batterietechnologie ist selbstverständlich winterfest, Kälte bedeutet aber Stress für den Akku eines Elektroautos. Die chemischen Reaktionen im Inneren laufen bei niedrigeren Temperaturen langsamer ab. Ein ausgeklügeltes Thermo-Management hält die Batterie zwar in der „Komfortzone“. Je nach Fahrszenario und Außenbedingungen kann die Reichweite im Winter laut Autofahrerclubs um 10 bis 30% geringer sein. Nach dem Antrieb ist die Heizung im Innenraum der größte zusätzliche Energieverbraucher.

E-Autos im Winter

Was Autofahrer machen können, damit im Winter die Reichweite nicht übermäßig sinkt, erfahren Sie im Beitrag „Elektroautos im Winter: Tipps, um Reichweite zu gewinnen“.

Wie lange hält eine E-Auto-Batterie?

Lithium-Ionen-Akkus sind von Verschleißerscheinungen betroffen. Im Lauf der Jahre nimmt die Kapazität des Energiespeichers – und damit die Reichweite des Elektroautos – ab. Bis etwa 2.000 Ladezyklen erfolgt dieser Schwund jedoch nur moderat linear. Rechnet man mit einer Reichweite von 300 km, kommt man mit dem Akku gut und gerne mindestens 600.000 km weit. Langzeittests von Autofahrerclubs sowie kolportierte Praxisbeispiele untermauern diese einfache Rechnung.

Damit eine Batterie eine hohe Lebenserwartung hat, wird technisch eine Menge getan: Sie wird aktiv gekühlt bzw. gewärmt, das Batterie-Managementsystem balanciert zudem die einzelnen Zellen aus, damit die Batterie immer im bestmöglichen Betriebsbereich arbeitet. Die Energieverwaltung wird von einer Software gesteuert, die auf lange Lebensdauer ausgelegt ist.

Negativ auf die Lebensdauer wirkt sich Ladestress aus. Diesen hätten Batterien beispielsweise bei Minusgraden, wenn die Akkus kalt sind. Auch rasches Entladen, beispielsweise bei hoher Geschwindigkeit, wirkt sich negativ auf den Akku aus. Aufgrund des hohen Luftwiderstands entlädt der Akku dann viel schneller und muss öfter aufgeladen werden. Daher sind einige Elektroautos bei der Höchstgeschwindigkeit auf etwa 150 km/h limitiert.

Lebensdauer der Batterie: Was Autofahrer tun können

Was passiert mit Akkus aus alten E-Autos?

Ende 2019 ist der Bestand an Elektroautos weltweit auf 7,9 Millionen gestiegen. Was passiert mit diesen Akkus, wenn sie ihre Kapazität verlieren und aufgrund der dann eingeschränkten Reichweite ausgetauscht werden?

Nach dem Ende ihres „ersten Lebens“ im Elektroauto gibt es für die Akkus noch ein sogenanntes „zweites Leben“. Sie können als stationärer Energiespeicher eingesetzt werden. Im Fußballstadion Johan Cruijff Arena in der niederländischen Hauptstadt Amsterdam stehen beispielsweise 148 Lithium-Ionen-Akkus aus alten Elektroautos. Dort sind sie Teil eines Energiesystems, das auch Photovoltaik umfasst. Der von 4.200 PV-Modulen auf dem Stadiondach erzeugte Strom kann dadurch optimal gespeichert und genutzt werden.

Der stationäre Betrieb hat den Vorteil, dass er gleichmäßiger verläuft und das Laden und Entladen langsamer erfolgt, also schonender für die Batterie. Sie wird weit weniger gestresst als im Auto mit seinen stetigen Beschleunigungs- und Rekuperationsphasen. Es wird damit gerechnet, dass diese sogenannten Second-Life-Phasen die gesamte Nutzungsdauer des Akkus um viele Jahre verlängern können (Quelle: Klima- und Energiefonds).

Wie werden Akkus von Elektroautos entsorgt?

Die im Akku enthaltenen Rohstoffe sind wertvoll. Beim Recycling geht es laut Fraunhofer-Institut vor allem um die Metalle Kobalt, Nickel, Kupfer und Lithium aus den Modulen bzw. Zellen. Auch die Wiedergewinnung von Stahl und Aluminium aus dem Gehäuse ist von großer Bedeutung.

Es werden zwei Verfahren diskutiert: das Einschmelzen in einer Art Hochofen sowie eine Kombination aus mechanischer Zerkleinerung und chemischem Herauslösen der Bestandteile. Mehr dazu im Beitrag: Was passiert mit einem alten Akku?

Wie sicher sind die Batterien von Elektrofahrzeugen?

Unfallforscher stellen klar: Prinzipiell sind Fahrer von Serienelektroautos bei einem Aufprall keinen höheren Risiken ausgesetzt als in einem vergleichbaren Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Platziert wird das komplette Batteriesystem in der Regel im Fahrzeugboden, wo es von einem massiven Rahmen vor Beschädigungen geschützt wird.

Bei einem Unfall wird der Stromfluss der Batterie sofort automatisch unterbrochen, denn es herrscht grundsätzlich Hochspannung. Die Autoakkus weisen eine Spannung im Bereich von 400 bis 600 Volt auf – mehr als die Stromkreise im Haushalt. Die Fahrzeuge sind auch elektrisch gegen Fehlerströme und Kurzschlüsse abgesichert.

Wie hoch ist das Brandrisiko bei Elektroautos?

Im Jahr 2011, also noch in der Anfangszeit der modernen Elektroautos, ging ein E-Auto nach einem Crashtest in Flammen auf. Ein paar Monate später brannte ein E-Taxi. Meldungen wie diese – und die damit zusammenhängenden Bilder – fachten eine Diskussion über das Brandrisiko von Lithium-Ionen-Batterien an.

Nach Angaben des Deutschen Feuerwehrverbandes brennen Elektroautos jedoch weder heftiger noch häufiger als Benziner oder Diesel. Auch Tests von Autofahrerclubs haben wiederholt gezeigt: Das Risiko eines Brandes ist bei E-Autos genauso gering wie bei Verbrennern.

Die häufigsten Ursachen für Autobrände sind laut ADAC, dass Kraftstoff oder Öl austritt und auf heiße Autoteile gelangt, oder die Reibung von Fahrzeugteilen an brennbaren Materialien. Beim E-Auto sind diese Ursachen praktisch ausgeschlossen.

Der kritische Punkt dort ist die Verformung der Batterie bei einem Unfall. Umfangreiche Schutzmaßnahmen (siehe oben) versuchen dies jedoch zu verhindern. Crashtests zeigen, dass Elektroautos bei einem Unfall genauso sicher sind wie herkömmliche Modelle. Mehr zur Sicherheit von E-Autos erfahren Sie unter: „Sicherheit von Elektroautos: Benzin brennt besser“.

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