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Tesla Motors – Prototyp der elektromobilen Revolution? Teil 2 – Technologie

Die Technologie von Tesla Motors

Ein Beitrag von Christoph Senz

Im letzten Artikel habe ich mich mit der Geschichte der Elektromobilität, sowie den Anfängen der Firma Tesla Motors befasst. Im Folgenden wird es um deren Technologie gehen.

Das Herzstück - der Akku

Tesla setzt schon seit dem „Roadster“ auf die sogenannten „18650“-Akkus von Panasonic. Die Bezeichnung stammt von den Abmessungen der einzelnen Akkuzelle, die 65 mm lang ist und einen Durchmesser von 18 mm hat. Im 2007 vorgestellten Tesla Roadster besteht das gesamte Akkupaket aus 6.831 Zellen, die etwa 408 kg wiegen. Ursprünglich wurde diese Akku-Bauform in Laptops eingesetzt. Beim Roadster ließ sich die Zellchemie nicht eindeutig recherchieren. Manche Quellen sprechen von Lithium-Kobalt-Oxid, andere von Lithium-Mangan-Oxid als Kathodenmaterial sowie Graphit als Anodenmaterial. Im Roadster haben die Zellen eine  Spannung 3,6 V und liefern 2,2 Ah was bei 6.831 Zellen einer gespeicherten Energie von rund 56 kWh, oder dem Äquivalent von rund 5 Litern Superbenzin entspricht. (mehr …)

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Tesla Motors – Prototyp der elektromobilen Revolution? Teil 1 – Geschichte

Ein Beitrag von Christoph Senz

Auf peak-oil.com habe ich mich in meinen Artikeln bisher vor allem mit unkonventionellen Fördertechniken von Öl und Gas wie beispielsweise dem „Fracking“ und seinen Potentialen beschäftigt. Diese Artikelreihe wird sich nun mit den Potentialen der elektrischen Mobilität auf Basis von wieder aufladbaren Batterien und im Speziellen mit deren Skalierbarkeit im globalen Maßstab beschäftigen.

Batterien stellen, neben Brennstoffzellen, einen möglichen Pfad dar, ölbetriebene Mobilität zu ersetzen. Denn nirgends ist die Dominanz von Ölprodukten derart massiv, wie im Verkehrssektor. Woran dies im Endeffekt liegt, möchte ich an einem kleinen Beispiel erläutern, dass in meinen Vorträgen immer wieder für Erstaunen sorgt: Eine Standard-Zapfsäule an einer Tankstelle in Deutschland pumpt rund 30 Liter Benzin oder Diesel pro Minute in den Tank eines Autos. Dies entspricht 1800 Litern pro Stunde. Gerundet enthält ein Liter Superbenzin rund 10 kWh Energie. Energetisch betrachtet kommen also aus einer Standardzapfsäule rund 18.000 kWh pro Stunde. Kürzt man die Stunde heraus, bleiben 18.000 kW oder 18 MW. Eine Standardzapfsäule hat also eine „Leistung“ von 18 Megawatt. Wollte man solche Leistungen mit Hilfe von elektrischem Strom übertragen, wären baumdicke Kabel dafür notwendig. Es sind also die Faktoren "hohe Energiedichte" und einfaches "Aufladen" von Energie (sprich: tanken), sowie die gigantischen Ölvorkommen, die im 20. Jahrhundert entdeckt wurden, die im Endeffekt dazu geführt haben, dass sich der Verbrennungsmotor durchgesetzt hat. Und das, obwohl der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors nur bei rund 25-30% liegt, während Elektromotoren auf 85-90% kommen. Doch schon bald könnte das Pendel zu Gunsten des Elektromotors umschlagen.

Elektrischer Antrieb vs. interne Verbrennung – ein langwährender Streit

Es mag für viele erstaunlich sein, aber der erste „Porsche“ war ein Elektroauto. Ferdinand Porsche entwickelte 1896 einen Radnaben-Elektromotor, den er, damals für die Lohner Werke tätig, 1899 in ein Automobil, den heute sogenannten „Lohner Porsche“ einbaute. Angetrieben wurden Elektroautos damals mit Bleisäure-Akkus, dessen Grundprinzip heute noch in jeder Starterbatterie eines Autos mit Verbrennungsmotor Anwendung findet.

Lohner-Porsche mit Allradantrieb, 1900 Foto: wiki commons

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Energiewende, Phase II: Überschussstrom umwandeln

Am 31. Januar stellten die Professoren Leiter, Schüth und Wagemann ein Diskussionspapier auf der Webseite der Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (DECHEMA) online, zu dessen Diskussion ich hiermit beitragen und auffordern will. Es heißt:

Diskussionspapier - Überschussstrom nutzbar machen: Optionen

Darin verweisen die Autoren darauf, dass der Ausbau für die Erzeugungssysteme von Strom aus erneuerbaren Energiequellen bis 2020 beim Doppelten des Bedarfs liegen dürfte. Sie schlagen daher vor, die Verbindung zwischen dem Strom-System und der Chemie intensiver ins Auge zu fassen und benennen 4, nach Exergie-Gesichtspunkten geordnete, Nutzungsstufen:

  1. Strom direkt als Strom nutzen
  2. Strom zu Wasserstoff und dessen direkte Nutzung
  3. Chemische Speicherung von Wasserstoff
  4. Rückverstromung

Da elektrischer Strom ein sehr "flüchtiges Element" ist, was im selben Moment genutzt werden muss in dem es verfügbar gemacht wird (Strom hat keine "Eigenspeicherfähigkeit"), stellt sich für ein auf erneubaren Energiequellen basierendes Energieversorgungssystem die Frage, wie mit Überschussstrom umgegangen wird (wenn also mehr Strom verfügbar ist als in dem Moment von sämtlichen Energieverbrauchern abgenommen wird) und wie sich die Energie vom Sommer in den Winter transferieren läßt. Abgesehen von allen (kurzsichtigen) Kosten-Diskussionen um die Energiewende liegt hier die zentrale Frage: Wie bekommen wir Energie aus energiereichen Zeiten in energiearme Zeiten transferiert? Die Autoren schlagen vor, den Strom zur Bereitstellung chemischer Substanzen einzusetzen und die Energie sozusagen in besonderen chemischen Verbindungen zu speichern.

Sie leiten daraus eine engere Verbindung zwischen chemieverabreitendem System und Energieversorgungssystem ab, fordern verstärkte Forschung in diesem Bereich und appellieren an die Politik, verläßliche Rahmenbedingungen zu schaffen. All diesen Forderungen schließe ich mich hiermit (als Nicht-Chemiker) ausdrücklich an.

Ich möchte die Diskussion um einen weiteren Aspekt anreichern. Im Herbst schrieb ich für die ENFO AG ein Papier zum Thema Methanisierung auf lokaler Ebene. Das Konzept der "Chemisierung" von Überschussstrom ließe sich prinzipiell in jeder Kommune anwenden, um eine lokale Struktur aufzubauen, die Sommerenergie in den Winter transferiert und Strom zur Anwendung im Wärme- und Transportbereich umzuwandeln. Dabei habe ich mich in folgendem Dokument von der Frage leiten lassen, wie ein lokales Energieversorgungs(sub)system gebaut sein sollte, wenn man "die Energiewende vom Ende her denkt". Das "Ende der Energiewende" wäre demnach jener Zeitpunkt, bei dem keinerlei (nuklear-)fossile Energieträger mehr genutzt werden. Die Methanisierung, die die o.g. Autoren ebenfalls vorschlagen und zu deren Umsetzung Kohlenstoff notwendig ist, müßte sich demnach mit lokal verfügbaren Kohlenstoffquellen zufrieden geben, um das natürliche System nicht zu übernutzen. Dazu bedarf es aus meiner Sicht eine Zwischenspeicherung von Kohlenstoff sowie eine auf Nachhaltigkeit ausgelegte Nutzung der lokalen nachwachsenden Biomasseerträge. Ich habe diesen Ansatz um ökonomische Möglichkeiten zur Nutzung erweitert und das Papier daher genannt:

Als Wirtschaftler interessiert mich dabei insbesondere die Verbindung zum Transportwesen und die Option, eine lokale Chemieindustrie aufzubauen.

Prof. Bertau von der Uni Freiberg schlug kürzlich im Interview mit dem MDR Figaro in eine ähnliche Kerbe, in der er Methanol als idealen Speicher aber auch als Grundinput für die chemische Industrie ansprach - eine Substanz auf die auch die DECHEMA-Autoren eingehen. Über Methanisierung als "Perspektive für eine Vollversorgung mit Erneuerbaren Energien" denken auch Beckmal et.al. (TU Dresden) nach.

Da es in der öffentlichen Debatte um die nächste Phase der Energiewende Exergiewende gehen sollte und nicht nur die Strompreise im Vordergrund stehen sollten, ist diese Diskussion dringend notwendig. Sie eröffnet hoffentlich einen "Ausgang" aus dem Im-Kreise-Drehen zwischen Politik und Vertretern der fossilen Versorgungsvorstellungen, denn sie verbindet die Nutzung von EE-Erzeugungsanlagen mit dem bestehendem, vielfach auf (Erd-)Gas beruhenden Energiesystem. Hier liegt die Chance, die Energiewende von der Konzentration auf die Erzeugungs-Anlagen hin zu einer Aufwertung der Speicher- und Umwandlungsanlagen weiterzuentwickeln.

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Der Satz im Koalitionsvertrag

Fritz Vorholz schreibt in der ZEIT:

Union und SPD begraben die Energiewende

Als Beleg zitiert er folgenden Satz aus dem Koalitionsvertragsentwurf vom 11. November:

"Wir werden prüfen, ob große Erzeuger von Strom aus erneuerbaren Energien einen Grundlastanteil ihrer Maximaleinspeisung garantieren müssen, um so einen Beitrag zur Versorgungssicherheit zu leisten."

Er leitet aus dieser Aussage ab: Die Betreiber von EE-Erzeugungsanlagen müssen mit den Firmen Geschäfte eingehen, die fossile Kraftwerke betreiben. Da Vorholz die Kilowattstunde fossilen Strom mit 6 Cent ansetzt, sieht er einen Zwangsakt kommen, bei dem die EE-Anlagen die fossilen Anlagen mitfinanzieren.

Ich fürchte, diese Argumentation greift zu kurz. (mehr …)

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Debatte: Energieausbeute bei Erneuerbaren

In der deutschsprachigen Internetszenerie läuft derzeit eine Debatte um die Zukunftsfähigkeit der erneuerbaren Energien. Diese Debatte kommt offenbar nicht aus der Lobby der fossilen Energieträgerverwerter, sondern aus der kritischen Avantgarde, die das Thema seit Jahren begleitet. Im Kern steht der "Energy Return on Energy Invested" (EROEI) zur Diskussion: Das Verhältnis zwischen investierter und nutzbarer Energie. Diese Kennzahl wird in der Diskussion um den Peak Oil immer wieder betont, hat es jedoch bislang noch nicht angemessen in die Öffentlichkeit geschafft. Denn es gilt auch bei der Ölförderung: Als man begann, Erdöl zu fördern, waren die Reservoirs noch leicht erreichbar und der Energieaufwand überschaubar, den man investieren mußte. Heute verfügen wir über neue Explorations- und Fördertechniken, aber deren Energieaufwand ist weitaus höher! Das zeigt bereits der Fakt, dass wir heute kilometertief ins Erdinnere müssen, wofür Bohrer und Rohrleitungen geschaffen werden müssen, deren Material gefördert, transportiert, geschmolzen und geformt werden muss. Jede menschengemachte Energie-Erzeugungsanlage benötigt zuerst Energie, um sie zu produzieren, erst dann kann sie Energie abwerfen. Doch während das Verhältnis zum Höhepunkt der Ölförderung durchaus bei 1:100 lag (Energie von 1 Fass Erdöl investieren, um 100 Fass Erdöl zu ernten) sinkt das Verhältnis inzwischen drastisch (1:14 in den USA). Windkraftanlagen und Photovoltaik-Anlagen arbeiten mit einer weitaus weniger energiedichten Quelle: Dem Sonnenlicht und dem Wind. Zwar besitzen wir heute die Technologie, daraus für uns nutzbare Energie zu zapfen, aber es ist fraglich, ob wir mit Erneuerbaren jemals dieselben Energiemengen ernten können, wie sie uns heute durch Öl, Gas und Kohle gebracht werden. Einfach ein paar PV-Anlagen auf die Dächer krachen ist kein Garant für das "über den Berg kommen".

Deshalb dokumentieren wir hier einen Beitrag von Saral Sarkar:

Noch einmal über "grüne Energie"

Ich verfolge die Debatte seit den frühen 1990er Jahren und bin immer noch nicht klüger geworden. (mehr …)

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Erneuerbare liefern mehr als 20% des Stroms

In aller Kürze:

Laut Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft trugen im ersten Halbjahr 2011 die Kraftwerke auf Basis erneuerbarer Energien mehr als 20% zur deutschen Stromversorgung bei. Gleichzeitig ist absehbar, dass die Kosten für Solarstrom relativ schnell sinken, wie die Frankfurter Rundschau aus Berechnungen des Chemiekonzerns Wacker erfahren hat:

Eine Freiflächenanlage werde 2016 nur noch einen Euro statt derzeit 1,80 Euro pro Watt Leistung kosten.

Das ist schön. Ändert jedoch wenig daran, dass der Verkehrssektor weiterhin hemmungslos abhängig von Öl als Treibstoff ist und Strom in diesem Bereich eine winzige Nische füllt, deren Wachstum nicht ansatzweise mit dem der Stromerzeugung mithalten kann.

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