Erich fährt mit Hannelore in den Urlaub. Julia fährt mit Tim. Die beiden Hamburger Paare haben beschlossen, dieses Jahr mit dem Auto nach Italien zu fahren. Erich und Hannelore wechseln sich am Steuer ihres alten Dieselgurglers ab. In Österreich müssen sie tanken. Das dauert inklusive Beine ausstrecken, Kaffee trinken und Proviant aufstocken keine Viertelstunde. Am Ende eines langen Tages kommen sie ausgelaugt, aber glücklich in Rom an: Der Urlaub kann beginnen!

Tim und Julia besitzen einen der neuen Elektroflitzer. Bei einer Akku-Reichweite von etwa 150 Kilometer pro Ladung zeichnen sich auf dem Weg nach Rom knapp ein Dutzend Zwischenstopps ab. Die beiden überlegen: Angenommen sie fänden immer zur rechten Zeit eine Ladestation mit herkömmlichem Starkstromanschluss, würde sich die Gesamtladezeit bis Rom auf rund 24 Stunden summieren.

Länger dauert es, wenn sie das kleine Elektro-Auto an normalen Steckdosen aufladen müssen: Dann gehen drei komplette Urlaubstage mit Warten verloren – und die Fahrzeit kommt noch hinzu. Bei einer Woche Urlaub können sich Julia und Tim also bei Ankunft in Rom direkt wieder auf die Heimreise machen.

Schnellladestation der Firma ABB
© ABB
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Mit solchen Schnellladestationen könnte das Aufladen wesentlich schneller vonstatten gehen als bisher. Laut der Firma könnte eine solche auf Gleichstrom basierende Ladesäule eine Batterie in rund 15 Minuten von 20 auf 80 Prozent ihrer Kapazität aufladen. Das sei genug, um unter normalen Umständen 100 Kilometer weit zu fahren.
Dass dieser Weg nicht das Ziel sein kann, ist allen klar, die mit der Weiterentwicklung von Elektroantrieben beschäftigt sind. Glücklicherweise zeichnen sich heute schon einige Ansätze für eine mobilere Zukunft ab. Im Zentrum steht dabei fast immer der Akku.

Die Anforderung an die Stromspeicher sind enorm: Sie sollen möglichst klein und leicht sowie kostengünstig in Serie zu fertigen sein, eine hohe Energiedichte aufweisen, bei niedrigen Temperaturen funktionieren und weder explodieren noch die Umwelt vergiften. Außerdem sollen sie möglichst oft wiederaufladbar sein und das auch noch möglichst schnell. Das alles unter einen Hut zu bringen ist beim aktuellen Stand der Technik schwierig. Julia und Tim werden dieses Jahr wohl doch wieder Bahn oder Flugzeug nehmen.

Zwei naheliegende Ansatzpunkte bieten sich den Ingenieuren, um den Leidensdruck der E-Fahrzeugbesitzer zu verringern und E-Mobile konkurrenzfähig zu machen: Die Vergrößerung der Reichweite pro Batterieladung sowie die drastische Verkürzung der Ladezeiten. Darüber hinaus gibt es Ansätze, Lade- und Wartezeiten voneinander zu entkoppeln.

800 Kilometer Reichweite

Während Reichweiten für gängige Natrium-Nickelchlorid-Zellen und Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren die 150 -Kilometer-Marke selten übersteigen, waren selbst für fortschrittlichere Modelle auf Lithium-Basis lange Zeit nur Reichweiten von 300-500 Kilometer absehbar.

Ein vielversprechender Kandidat für die Speicherung größerer Energiemengen ist die Lithium-Luft-Batterie. In Europa treiben Forscher der University of St. Andrews in Schottland die Entwicklung der zwischenzeitlich aus dem Fokus geratenen Technologie voran. Noch ist höchst spekulativ, ob sich das Konzept auf ein marktfähiges Produkt übertragen lässt. Doch wenn, wäre ein Durchbruch geschafft: Die Forschungsabteilung von IBM im Almaden Valley prophezeit ihr ein zehnfach höheres Potenzial als den bisher verwendeten Lithium-Ionen-Batterien. Denn dadurch, dass eine der reagierenden Komponenten, Luft, überall frei verfügbar ist, ist dieser Akkumulator-Typ erheblich kompakter als Lithium-Ionen-Akkus. Ziel ist eine mit Verbrennungsmotoren konkurrenzfähige Reichweite von 800 Kilometern pro Ladung.

Test der Redox-Flow-Batterie
© Hochschule für Angewandte Wissenschaften Ostfalia
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In ein solches Trägerfahrzeug – ein ferngelenktes Modellauto – integrierten die Forscher des Fraunhofer ICT einen Protoypen ihrer Redox-Flow-Batterie. Das Akku-Konzept macht aus dem Aufladen ein Auftanken: Entladener Elektrolyt wird durch geladenen ersetzt.
Auch mit Brennstoffzellen wären solche Reichweiten zu erreichen. Doch für die Geräte, bei denen Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert und Strom erzeugt wird, wäre der Aufbau eines umfangreichen Wasserstoff-Tankstellennetzes Voraussetzung. Außerdem ist ihre Verwendung derzeit ökologisch fragwürdig: Erzeugt man den Wasserstoff nach gängigen Elektrolyse-Verfahren, wird mit Strom Wasserstoff hergestellt, aus dem dann wieder Strom zum Fahren gewonnen wird. Dabei bleiben etwa zwei Drittel der Energie auf der Strecke.

Schnellbetankung

800 Kilometer pro Batterieladung brächten Tim und Julia immerhin nach Wien. Dort säßen sie jedoch erst einmal einige Stunden lang fest. Flexibler wären sie, wenn das Aufladen der Batterien vergleichbar schnell ginge wie ein herkömmlicher Tankstopp.

Bei Redox-Flow-Batterien ist "Betanken" tatsächlich eine Möglichkeit: "Diese Batterien basieren auf flüssigen Elektrolyten. Man könnte sie daher an der Tankstelle in wenigen Minuten aufladen: Der entladene Elektrolyt wird einfach abgepumpt und durch aufgeladenen ersetzt", erklärt Jens Noack, Ingenieur am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal bei Karlsruhe. "Der abgepumpte Elektrolyt kann an der Tankstelle wieder geladen werden, beispielsweise durch ein Windrad oder eine Solaranlage." Derweil ist der Autofahrer aber längst wieder auf dem Weg.

Möglicherweise lassen sich Batterien aber auch einfach so zügig erfrischen. ABB, ein internationaler Konzern der Energie- und Automationstechnik, stellte im März diesen Jahres auf dem Genfer Autosalon eine Schnellladestation vor, die den Akku innerhalb von 15 Minuten wieder auf 80 Prozent seiner Kapazität bringt. Die 400-Volt-Gleichstrom-Ladestation ist bereits bei Pilotprojekten in Europa und Asien im Einsatz. Nach Angaben des Herstellers ist sie kompatibel mit schnellladefähigen Elektroauto-Modellen von Mitsubishi, Peugeot, Citroen und Nissan.

Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology vermelden unterdessen, einen Weg gefunden zu haben, wie sich die Beweglichkeit der Lithiumionen in den Batterien drastisch erhöhen lässt. Das Ergebnis wären Akkumulatoren, die sich nicht in Stunden oder Minuten, sondern vielleicht in Sekunden aufladen. "Wenn wir die Ladezeit von, sagen wir, zwei auf eine Stunde reduzieren könnten, würde man noch immer über Nacht aufladen. Aber wenn es nur eine Minute dauert, könnte man es abwarten – das wäre wie tanken oder eine Tasse Kaffee trinken", träumt Gebrand Ceder, Forscher vom MIT. Einen Prototypen gibt es immerhin seit 2009. Die kleine Batterie braucht nach der Behandlung durch Ceders Gruppe 10 bis 20 Sekunden zum Aufladen statt wie zuvor sechs Minuten.

Batterietausch

Eine Maschine zum Batteriewechsel
© Better Place
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 Bild vergrößernEine Maschine für den Batteriewechsel
Better Place, eine israelische Firma, hat ein neuartiges Konzept entwickelt. Es verkürzt die Ladezeiten auf die Zeit, die es braucht, um einen Akku auszutauschen. Nachteil dabei ist, dass alle Akkus standardisiert werden müssten.
"Alles Unsinn", mögen sich Techniker bei Renault-Nissan, General Electric und anderen Firmen gedacht haben. Warum aufs Aufladen warten? Sie arbeiten mit der Initiative Better Place zusammen, deren Ansatz so einfach wie bestechend ist: Statt Batterien aufzuladen, tauschen sie die leeren kurzerhand aus. Etwa eine Minute benötigt ein Roboter, um bei einem entsprechend ausgerüsteten Fahrzeug das Batteriepack aus dem Unterboden zu entfernen und ein frisches einzusetzen. Die ausgebauten Batterien werden dann an der Wechselstation wieder aufgeladen und beim nächsten Akku-Tausch einem anderen Wagen wieder eingepflanzt.

Was der allgemeinen Marktreife allerdings im Wege steht: Neben der fehlenden Infrastruktur mangelt es vor allem an Standards für Batterien. Zurzeit fährt noch jedes Elektroauto mit seinem eigenen Akku-Typ herum.

Kabelloses Laden

Aber Nissan denkt noch über eine andere Möglichkeit nach, Lade- und Wartezeit zu entkoppeln. Grundlage der Überlegungen ist die kabellose Batterieladung per Induktion. Dazu werden Spulen im Garagenboden versenkt, die elektrische Energie über ein Magnetfeld an eine entsprechende Spule im Fahrzeug weitergeben und so die Batterie aufladen. Feldversuche von Siemens und BMW sollen diesen Sommer in Berlin stattfinden.

Induktionsspulen wären dabei nicht einmal auf festgelegte Ladestation wie Garagen beschränkt. Bei Nissan denkt man bereits laut darüber nach, die Magnetspulen einfach in jeder Straße zu versenken. Autos ließen sich noch während der Fahrt wieder aufladen. Technisch mag das machbar sein – ob auch bezahlbar, muss sich noch zeigen.

Welcher der Ansätze sich auch immer durchsetzt: Julia und Tim können hoffen, mit ihrem nächsten oder übernächsten E-Auto schon deutlich mobiler zu sein.