E-Autos: Wie Batterieentwicklung und Ladeinfrastruktur gemeinsam die Zukunft der Mobilität bestimmen

Die Zukunft der Mobilität liegt in der Elektromobilität, denn sie ist umweltfreundlich und schon somit die Natur, da die Elektrofahrzeuge keine Schadstoffe ausstoßen und unabhängiger von fossilen Energieträgern sind. Bei den Elektroautos der ersten Generation hatten die Batterien noch eine deutlich geringere Energiedichte, die mit einer begrenzten Reichweite verbunden war.
Zusammen mit der noch im Ausbau befindlichen Ladeinfrastruktur und den langen Ladezeiten führte das bei vielen Autofahrern zu Reichweitenangst. Um die Elektromobilität voranzubringen, kommt es auf neuartige Batterietechnologien und den weiteren Ausbau der Ladeinfrastruktur an.

Mehr Reichweite mit neuen Batterietechnologien

Ein entscheidender Faktor für die Reichweite von Elektroautos ist die Batterietechnologie. Bei den modernen Elektroautos liegt die Reichweite mit einer vollständig geladenen Batterie im Schnitt bei 400 Kilometern. Neuartige Batterietechnologien sind der Schlüssel zu mehr Reichweite. Dabei kommt es auf eine hohe Energiedichte, aber auch auf eine lange Lebensdauer der Batterien an.

Lithium-Ionen-Batterien überzeugen bereits mit einer hohen Leistung.

Sie haben eine Energiedichte von 150 bis 250 Wh/kg und eine Lebensdauer von acht bis zwölf Jahren. Revolutionäre Technologien befinden sich in der Entwicklung. Lithium-Schwefel-Batterien sollen eine Energiedichte von 400 bis 500 Wh/kg und eine Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren haben. Experten gehen davon aus, dass sie zwischen 2027 und 2029 marktreif sind.

Feststoffbatterien als Technologie der Zukunft

Einen Quantensprung in der Energiespeicherung stellen Feststoffbatterien dar, bei denen der flüssige Elektrolyt der Lithium-Ionen-Batterien durch einen Feststoff wie Polymer oder Keramik ersetzt wird. Die Energiedichte liegt bei 300 bis 400 Wh/kg, die Lebensdauer bei 15 bis 20 Jahren. Überzeugend sind auch die stark verkürzten Ladezeiten. Experten des Fahrzeugherstellers Toyota rechnen damit, dass die Ladezeiten für 80 Prozent der Batteriekapazität auf weniger als zehn Minuten reduziert werden. Die Reichweite einer Feststoffbatterie könnte bei bis zu 800 Kilometern liegen.

Das Risiko des thermischen Durchgehens wird durch den festen Elektrolyten reduziert. Dadurch werden aufwendige Kühlsysteme überflüssig. Volkswagen plant ab 2028 die Serienproduktion. Allerdings ist die Fertigung noch komplex, was mit hohen Produktionskosten verbunden ist. Der Preis für die aktuellen Prototypen ist dreimal so hoch wie bei den konventionellen Batterien. Die ersten kommerziellen Fahrzeuge könnten ab 2030 mit Feststoffbatterien angetrieben werden.

Verkürzung der Ladezeiten bei den Batterien

Verkürzte Ladezeiten für die Batterien schaffen einen Anreiz zum Kauf von Elektroautos und damit zu einem Beitrag für die Energiewende. Die Ladezeit war bislang eine der größten Herausforderungen der Elektromobilität. Inzwischen setzen immer mehr Hersteller und Netzbetreiber auf ultraschnelle Ladeinfrastrukturen.

Die Ladeleistungen an Autobahnen, in Wohngebieten und an den städtischen Ladestationen könnten künftig bei mehr als 350 Kilowatt liegen. Mit einer solchen hohen Ladeleistung können Elektroautos schon jetzt mit 80 Prozent der Batteriekapazität innerhalb von 20 Minuten aufgeladen werden.

Intelligente Ladelösungen setzen sich immer stärker durch.

Sie passen den Ladevorgang dynamisch an, indem sie in Echtzeit die Auslastung des Stromnetzes analysieren. Netzüberlastungen werden damit vermieden und Kosten gesenkt. Die intelligenten Ladelösungen sind insbesondere für Heimladestationen interessant. Eigenheimbesitzer können diese Ladestationen mit Smart-Home-Systemen vernetzen und den Ladevorgang automatisch starten, wenn erneuerbare Energien verfügbar sind oder die Strompreise niedrig sind.

Elektroautos als mobile Stromspeicher – möglich mit dem bidirektionalen Laden

Ein wichtiger Aspekt für die Zukunft der Elektromobilität ist das bidirektionale Laden von Elektroautos. Die Fahrzeuge werden nicht nur mit Energie aus dem Stromnetz versorgt, sondern können auch Strom in das öffentliche Netz oder ins Haus einspeisen. Sie werden damit zu mobilen Stromspeichern.

Besitzer von Elektroautos, die über ein Eigenheim mit Photovoltaikanlage verfügen, können ihr Auto als Zwischenspeicher für den überschüssigen Solarstrom verwenden. Auch hier spielen intelligente Ladelösungen eine entscheidende Rolle. Der Strom, der nicht direkt genutzt wird, kann an sonnigen Tagen in der Batterie des Fahrzeugs gespeichert werden. So wird der erzeugte Strom besser ausgenutzt, da der am Abend, wenn die Sonne nicht mehr scheint, ins Haus zurückgeführt werden kann. Das macht unabhängiger vom Strom der Netzbetreiber.

Das E-Auto könnte bei Stromausfällen oder in Krisenzeiten sogar als Notstromversorgung dienen. Die großen Fahrzeughersteller, zu denen Volkswagen, Tesla und Nissan gehören, wollen immer mehr Fahrzeugmodelle mit dieser Technologie ausstatten.

Verbesserung der Ladeinfrastruktur

Um die Elektromobilität weiter voranzubringen, kommt es auf die Verbesserung der Ladeinfrastruktur an. Das Ladenetz muss nutzerfreundlich, technisch sicher und flächendeckend vorhanden sein.

Neben klaren Sicherheits- und Funktionsstandards für das bidirektionale Laden und einer deutlichen Verkürzung der Ladezeit kommt es auf einheitliche und verbindliche Anforderungen an Sicherheit, Netzverträglichkeit und Interoperabilität an. Wichtige gesetzliche Grundlagen sind die EU-Verordnung über die Infrastruktur für alternative Kraftstoffe (AFIR) und die nationale Ladesäulenverordnung.

Die bestehenden Vorgaben zum Aufbau und Betrieb von Ladeinfrastrukturen im Wohnungsbau, in Gewerbeimmobilien und im öffentlichen Raum müssen verlässlich umgesetzt werden.

Eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Ladeinfrastruktur spielt die Integration von Solarenergie. Carports und Ladeparks werden bereits mit Solardächern ausgestattet. Sie verringern den ökologischen Fußabdruck der Elektromobilität.

Induktive Aufladung von Elektrofahrzeugen

Eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Ladeinfrastruktur spielen drahtlose Ladesysteme. Die Leistung der Ultra-Schnellladesysteme liegt bei mehr als 350 Kilowatt und ist mit einem hohen Stromverbrauch verbunden. Der Stromverbrauch einer Ladestation mit einer Leistung von 350 Kilowatt entspricht dem Verbrauch von ungefähr 280 Haushalten gleichzeitig.

Die Leistung von Systemen für die induktive Aufladung liegt bei 11 bis 22 Kilowatt. Allerdings dauert es zwei bis vier Stunden, bis das Fahrzeug aufgeladen ist. Bei der induktiven Aufladung wird das Kabelstecken überflüssig. Mercedes-Benz und BMW arbeiten an statischen Ladepads für den Heimbereich. Über Fahrzeugkameras oder Smartphone-Apps können die Ladepads millimetergenau positioniert werden. Bis 2030 sollen drahtlose Ladesysteme bei vielen Elektrofahrzeugen zur Standardausstattung gehören. Der Wirkungsgrad liegt teilweise bereits bei mehr als 90 Prozent.

Am revolutionärsten sind elektrifizierte Straßenabschnitte, mit denen die Fahrzeuge während der Fahrt geladen werden. In Schweden und Deutschland sind bereits Teststrecken vorhanden, auf denen Fahrzeuge kontinuierlich Energie aufnehmen. Eine Herausforderung sind die hohen Installationskosten von rund zwei Millionen Euro pro Kilometer, die sorgfältige finanzielle Planung erfordern.