Einsatz von Batteriewechseltechnik zur Verbesserung der Umweltbilanz

Einsatz von Batteriewechseltechnik zur Verbesserung der Umweltbilanz

Copyright Abbildung(en): shutterstock / Lizenzfreie Stockfoto-Nummer: 1570892653

Zur Erreichung der Klimaschutzziele im Verkehrssektor – insbesondere einer markanten Reduzierung des CO2-Ausstoßes – führt offensichtlich kein Weg an der massenhaften Einführung von batterieelektrisch angetriebenen Autos (BEV) vorbei. Die Klimabilanz der BEV ist gegenwärtig allerdings nur geringfügig besser als die der konventionellen Autos mit Verbrennungsmotor. Hauptgründe dafür sind die relativ hohen Treibhausgasemissionen bei der Herstellung der Antriebsbatterien für die BEV und die Treibhausgasemissionen bei der Stromerzeugung. Hinzu kommt die Umweltbelastung bei der Rohstoffgewinnung für die Batterien. Gegenwärtig wird angestrebt, die Umweltbilanz durch Weiterentwicklung der Batterien und der zugehörigen Fertigungstechnik sowie durch die Erhöhung des Ökostromanteils am Strommix kontinuierlich zu verbessern.

Es gibt ein einfaches Konzept, mit dem die Umweltbilanz von batterieelektrischen Autos deutlich verbessert werden kann und mit dem gleichzeitig die bekannten Nachteile dieser Autos (geringe Reichweite, lange Ladezeiten, hohe Anschaffungskosten) vermieden werden können, ohne dass man dafür auf weiterentwickelte Batterietechnik oder einen höheren Ökostromanteil warten muss. Hierfür stattet man die Autos mit Batterien aus, die für Kurz- und Mittelstrecken tauglich sind und damit für den überwiegenden Teil der täglichen Fahrten ausreichen. Laden kann man diese an gewöhnlichen Ladestationen für BEV (z. B. zu Hause oder am Arbeitsplatz). Für den Fall, dass mit dem Auto eine längere Fahrt unternommen werden soll, verfügt es über einen Schacht für wechselbare, standardisierte Batteriemodule, größere Autos könnten hierzu mit mehreren solchen Schächten ausgerüstet werden. Diese sind normalerweise leer, können aber bei Bedarf an einer Tankstelle mit Batteriewechselstation in wenigen Minuten bestückt werden. Leergefahrene Module können dort auch schnell gegen aufgeladene getauscht werden.

  1. Fahrzeugplattform
  2. fest eingebaute Batterien
  3. Wechselschacht
  4. wechselbares Batteriemodul
  5. Elektromotor
  6. Leistungselektronik
  7. Steuerelektronik
  8. Kühltechnik

Einsparpotential von Batteriekapazität

Aufgrund der technischen Weiterentwicklung kann man davon ausgehen, dass in naher Zukunft ein konventionelles BEV standardmäßig mit einer fest eingebauten Batterie für eine Reichweite von ca. 500 km (entspricht etwa 75 kWh in der Mittelklasse) ausgestattet sein wird. Aus einschlägigen Statistiken lässt sich jedoch ableiten, dass eine Grundreichweite von 200 km bei den meisten Fahrzeugnutzern für ca. 95% ihrer täglichen Fahrten ausreichend ist. Stattet man die BEV mit einer fest eingebauten Batterie für diese Grundreichweite aus (30 kWh) und ermöglicht die bedarfsweise Nutzung einer Zusatzbatterie für 300 km Reichweite (45 kWh), benötigt man über die gesamte Fahrzeugflotte betrachtet nur noch ca. 50% der o.g. Batteriekapazität. Davon werden ca. 80% als fest eingebaute Batterien in den Autos und ca. 20% als Zusatzbatterien eingesetzt.

Verbesserung der Umweltbilanz

Bei der obigen Abschätzung am Beispiel von BEV mit 75kWh-Batterie ergibt sich durch das vorgeschlagene Konzept eine Reduzierung der Batteriekapazität auf durchschnittlich ca. 38 kWh je Fahrzeug. In Abb.2 wird ein solches Fahrzeug mit gleichartigen Fahrzeugen verglichen, die mit anderen Antrieben ausgestattet sind. Dort sind bereits die bis 2030 erwarteten Fortschritte bei der technischen Entwicklung und beim Ausbau der erneuerbaren Energien berücksichtigt.

Im direkten Vergleich der beiden BEV-Varianten ist erkennbar, dass durch das vorgeschlagene Konzept mittelfristig eine zusätzliche Treibhausgasreduzierung von ca. 16 % ermöglicht wird. Gegenwärtig wäre der Einspareffekt noch deutlich größer, da die Batterietechnologie und der für die Herstellung verfügbare Strommix noch nicht so umweltfreundlich ist, wie für 2030 erwartet.
Mit Hinblick auf den Verbrauch an batteriespezifischen Rohstoffen (Lithium, Kobald, Nickel etc.) lässt sich feststellen, dass mit der gleichen Menge jetzt fast die doppelte Anzahl Fahrzeuge betrieben werden kann. Auch das Problem einer umweltschonenden Wiederverwertung der ausgedienten Batterien verringert sich entsprechend.

Die Abbildung zeigt für 2030 erwartete Treibhausgasemissionen verschiedener Fahrzeuge im Vergleich, Zahlenwerte nach Agora Verkehrswende (2019) Klimabilanz von Elektroautos, angepasst an die abweichenden Batteriekapazitäten der hier betrachteten BEV. Berücksichtigt wurde dort der gesamte Lebenszyklus der Fahrzeuge bei einer Lebensfahrleistung von 150.000 km.

Batteriewechselstationen

Die erforderliche Infrastruktur in Form von Batteriewechselstationen ist mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbar, da sie immer nur für einen sehr geringen Teil der BEV benötigt wird und diese jeweils nur für kurze Zeit belegt wird. Geeignete Technik ist bereits seit längerer Zeit verfügbar (Fa. Better Place, Tesla, NIO) und kann vorteilhaft in das Energieversorgungsnetz integriert werden. Der überwiegende Teil der Ladevorgänge erfolgt jedoch wie bisher über normale BEV-Ladepunkte.

Es gibt Untersuchungen, die zeigen, dass durch eine optimierte Betriebsweise unter kommerzieller Nutzung ihrer netzstabilisierenden Funktion Wechselstationen wirtschaftlich betrieben werden können und für die Kunden akzeptable Gebühren möglich sind.

Es läßt sich zeigen, dass das Ausleihregime für die Zusatzbatterien durch Verwendung von Pfandkarten auf Basis einer anonymisierten Smartcard so gestaltet werden kann, dass es komfortabel und finanzierbar ist und der Datenschutz strikt eingehalten wird.

Gegenüberstellung der unterschiedlichen Batterietechnologien


Über den Autor: Steffen Schmidt ist Diplom-Ingenieur für Elektrotechnik und war lange Zeit als Entwicklungsingenieur und Konstrukteur in der Industrie in einem Unternehmen tätig, das weltweit Produktionsmaschinen und die dazugehörige Automatisierungstechnik für die Automobilindustrie liefert. Sein Verantwortungsbereich umfasste die Gesamtauslegung der elektrischen Ausrüstung dieser Maschinen und das Spezialgebiet der elektrischen Antriebe. Jetzt befindet er sich im Ruhestand.

Newsletter

Erhalte jeden Montag, Mittwoch und Freitag aktuelle Themen wie „Einsatz von Batteriewechseltechnik zur Verbesserung der Umweltbilanz“ sowie die neusten Informationen aus der Welt der Elektromobilität kostenfrei direkt ins eigene Postfach. Kuratiert aus einer Vielzahl von Webseiten und Blogs.
Ja, ich möchte den gratis E-Mail-Newsletter von Elektroauto-News.net abonnieren. Die Datenschutzerklärung habe ich gelesen. Die Einwilligung zum Versand des Newsletters kann jederzeit widerrufen werden. Hierzu reicht es auf den Abmeldelink zu klicken, welcher sich in jedem Newsletter befindet.

Fakten & MeinungenDiskutiere mit der E-Community

Abonnieren
Benachrichtige mich bei
18 Comments
Inline Feedbacks
View all comments

Diese Batteriewechseltechnik bringt wenig für Langstrecken, da nur ein Teil gewechselt wird.
Die fest eingebaute Batterie wird dabei nicht geladen.

Abgesehen von „betrieblichen Insellösungen“ oder „Hand-wechselbaren“ Akkusystemen sehe ich keine tragbare Basis für eine generelle Batteriewechseltechnik!
Insbesondere für die EU (im Gegensatz zu staatsregierten Volkswirtschaften) halte ich das aus den erläuterten Gründen sogar für nahezu aussichtslos!

Dadurch, dass der der Autor noch von einer zusätzlichen Komplikation durch die Mischung von festeingebauten als auch wechselbaren Akkus ausgeht, werden die Probleme ja IMO nicht kleiner – eher größer!

  • Organisatorisch schon mal nicht, weil eine „Gleichschaltung“ der zunehmenden Vielzahl von Herstellern mir nicht realistisch erscheint.
  • Technisch schon mal nicht, weil Standardisierung sowohl den technischen Fortschritt als auch die Flexibilität behindert.
  • physische Flexibilität meint sowohl die der Konstruktion des Fahrzeugs (Beispiel »Strukturelle Integration« aber auch einfach den Wechsel des Akkulieferanten während der Fertigung einer Fahrzeugserieals und auch kleine sowie große Fortschritte bei der Akkutechnik
  • elektronische Flexibilität meint Verbesserungen im BMS durch (OTA-)Updates mit Anpassungen an das jeweilige Fahrzeug
  • Herstellkosten-seitig habe ich ebenfalls erhebliche Bedenken, da es einen doppelten Mehraufwand gibt, nämlich 1. einen klaren räumlichen und technischen Mehraufwand bei der Fahrzeugstruktur mit Vorrichtungen zu automatischer Wechselmöglichkeit, 2. einen klaren technischen Mehraufwand auch akkuseitig!
  • Betriebskosten-seitig ist nicht nur v.a. der Flächen-, Errichtungskosten-, Betriebskosten- und Wartungskostenaufwand wesentlich höher als der von Ladestationen … es ist auch ein stetiger Transport von Akkus zwischen den einzelnen Wechselstationen nötig, um sich wechselnden Bedarfen anzupassen!

Bei den spätestens 2022 erwartbaren aktuell durchschnittlichen eAuto-Reichweiten von 300–>500 km wird ein Vielzahl (ich meine sogar Mehrzahl!) von Nutzern eh nur (max.) 2–3 Mal die Woche laden und dafür dann doch wohl nicht zu einer viele km entfernten, eher hochpreisigen Wechselstation fahren …

In Ballungsräumen habe ich doch schon jetzt einen durchschnittlichen Abstand von nur 1.000 m von Station zu Station (z.B. im Großraum HH), die ganz rapide ansteigende Zahl von privaten Ladestationen (Stellplätze, Garagen, Tiefgaragen etc.) mal gar nicht berücksichtigt – was soll ich da (mit längerer Anfahrt) an (sehr?) teuren Wechselstationen??

Selbst an Autobahn-Routen kreuz und quer durch Deutschland scheint mit ein solcher vielzahliger Aufbau div. Akkuwechselstationen div. Hersteller eher nicht realistisch, da die Zahl derer, die das im Durchschnitt wirklich nutzen wollen würden – am Gesamt-eAuto-Anteil gemessen – mir ja eher gering erscheint!

Auf längere Sicht bedeuten für mich solche Standards zudem eher eine Behinderung des techn. Fortschritts als eine Erleichterung! Wie lange soll – bei angenommener Lebenszeit von 15–20 Jahren für ein eAuto – da ein Wechselstandard bei gleichzeitigem Akkutechnik-Fortschritt denn „halten“? Soll es denn Wechselakkus für „mein“ Automodell z.B. nur die ersten 5 Jahre geben?

Meine Skepsis bestärkt nicht zuletzt die Information, es gäbe in China schon mind. 3 Hersteller verschiedener Akku-Systeme und speziell bei NIO die Ankündigung einer zweiten Generation von Akkus und dazugehöriger Batteriewechselstationen (Power Swap Station 2.0), da sollen dann alle älteren Stationen durch neue ersetzt werden und bis wann soll das dann abgeschlossen sein und wann kommt die 3. Geneation? … und – auch bei weiteren Herstellern – welche noch neueren Fahrzeuge mit neueren Akkus gibt es dann wieder bis dahin?

Übrigens: Wie der Autor auf Beispiele wie BetterPlace – die krachend gescheitert sind – kommt oder gar ein Akkuwechselsystem bei Tesla? … erschließt sich mir eher nicht …

Mein Wechsel-Akku-Fazit:
Auf den sprichwörtlichen Ersten Blick – womöglich auch im Hinblick auf verbesserte Umwelt-Werte – vielleicht bestechend – besonders wohl aus der Sicht bisheriger Tankstellen-fixierter Verbrennerfahrer – auf den Zweiten Blick aus vielerlei Gründen eher nicht erfolgversprechend.

Last edited 9 Monate zuvor by Wolfbrecht Gösebert

Es gibt einen viel einfacheren Trick die Reichweite auf Langstreckenfahrten zu erhöhen und der heißt: langsamer fahren. Abhängig von Verbrauch und Ladegeschwindigkeit hat jedes Auto seinen Sweet Spot wo schneller fahren nichts bringt, weil man dann eine länger Pause beim Ladestop braucht.

Mein Anteil von Fahrten die über meiner Akkukapazität liegen (die in etwa da ist, was der Autor vorschlägt) liegt bei unter 1%. Für diese Ausnahmen soll ich mir ein Auto mit Akkuwechselfähigkeit kaufen? Zumal der Aufwand den Akku ein und auszubauen für die Langstrecke wahrscheinlich gar keinen zeitlichen Vorteil gegenüber laden bringt.

Ich glaube nicht, dass die Hersteller sich auf ein Akkuformat einigen könnten. Was war das schon für ein Hickhack bei den Ladesteckern? Letztendlich kann das nur wirtschaftlich betrieben werden, wenn alle den gleichen Standard nutzen und ich glaube nicht, dass das passieren wird. Auch die Akkuwechselstationen müssten an Autobahnen weit verbreitet sein. Ich sehe das nicht.

Farnsworth

Grundsätzlich überzeugt die Idee vom Prinzip her. Sie ist auch sehr ähnlich wie die Argumentation für eine etwa gleich grosse Batterie mit einem Wasserstoff-Range-Extender statt der Wechsel-Batterie. Das Dümmste ist auf jeden Fall eine riesige Batterie in einem Fahrzeug, das zu 95% nur Kurzstrecken fährt.
Die Frage ist, wie sich so ein System hochfahren lässt, bzw. wie man das Henne-Ei-Problem überwindet. Am einfachsten geht so was in einem totalitären Staat, wo es einfach verordnet würde.

Wenn die Ladezeit durch neue Batterien weiter sinkt, dann verliert jedes Tauschsystem seinen Sinn, denn das Laden geht dann so schnell wie das Tauschen und man hat kein Zusatzgewicht durch einen schweren 2.Akku, der Reichweite kostet und den Stromverbrauch sowie den Reifenabrieb (Feinstaub) erhöht.

Wechselakkus machen nur Sinn im Rennsport.
Ohne vollständige Elektrifizierung des Rennsports wird man es schwer haben die Petrolheads vom Elektroauto zu überzeugen.
Wenn man den kompletten Rennsport elektrifizieren will kommt man wohl um Wechselakkus nicht herum. Der 24h Rekord mit Elektroautos ist nur ungefährt halb so hoch wie bei Verbrennern.
Heute kann man die Batteriekapazität kaum nutzen, wenn man sehr schnell aufladen will.
Mit 3 Akkusätzen pro Fahrzeug könnte man heute schon in 3 Minuten einen 100% vollen Akku wechseln. Das wären bei 100kW Akkugröße schon Leistungen wie beim Hochleistungsschnellladen eines Sattelschleppers (2MW).
Damit wäre es möglich elektrische 24h Rennen mit vergleichbaren Fahrleistungen wie heute und eine elektrische Nachfolge der Formel 1 einzuführen.

Die Elektromobilität könnte für die Zukunft nur dann eine Teillösung der Mobilitätsfrage darstellen, wenn wir endlich begreifen würden, das dies nur mit kleinen, leicht austauschbaren, Akkus möglich ist. Alleine der Resourcenverbrauch bei 75 kW großen Speichern wäre für rund 1 Mrd. Fahrzeuge nicht zu leisten. Anders aber, wie im Bericht erwähnt, bei Alltagstauglichen Fahrzeugen mit „nur“ für 200 km Reichweite großen Akkus (max. 30 kW). Wir fahren seit rund 4 Jahren einen Peugeot ION, der Dank Schnellladetechnik sogar Touren bis Rotterdam und sonst wohin ermöglicht hat. Aber die Entwicklung in D zu immer größeren E-SUV`s um den „Wohlstand“ der Großkonzerne zu ermöglichen ist absolut kontraproduktiv. Das Gewicht der Fahrzeuge, das permanent (also auch auf Kurzstrecken) bewegt wird ist dabei unnötig groß. Dies ist eine rationale Feststellung.
Eine noch größere Sorge sehe ich in der Preisentwicklung an den E-Ladesäulen, gerade die umweltbewußten Käufer kleinerer E-Mobile werden durch die Preisgestaltung bestraft.
Wir sind auf einem Holzweg wenn wir glauben, das dies der richtige Weg aus der Klimakrise sein wird!

Guten Tag,
das Wechselsystem könnte für Langstrecken-LKW eher interessant sein als für PKW. Beim PKW reicht die vorhandene, spätestens aber die nächste Akkutechnologie, in Verbindung mit Schnell-Laden, auch für Fernfahrten sehr gut aus. Der PKW-Fahrer wird es auch als umständlich empfinden, vor einer Fernfahrt einen Wechsel-Akku holen zu müssen und ihn danach wieder abzugeben.
Beim schweren Fern-LKW ist die Akku-Reichweite tatsächlich noch nicht wirklich ausreichend und die Masse-Einsparung durch kleinere, auswechselbare Akkus könnte beträchtlich sein, so dass der logistische Aufwand des Wechsels eher lohnt.
Im Nutzfahrzeug ließen sich wohl auch eher die genormten Akku-Schächte etablieren, die für Wechsel-Akkus nötig wären.
Gegenüber der mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle, die für den LKW diskutiert wird, wäre der energetische Vorteil des Wechsel-Akku-Systems außerdem wesentlich größer als beim PKW, wo es nur um etwas kleinere statt größeren Akkus geht. Man benötigt bei Batterie-elektrischem Fahren nur etwa 40 bis 50 % der für den Umweg über die Brennstoffzelle benötigten elektrischen Energie.
Sie könnten das ja mal für einen LKW durchrechnen.
Viele Grüße
U. Schrade

Ich fahre seit nun fast 3 Jahren ein Tesla Model 3 Dual Motor Long Range.
Eine Ladestation zu Hause versorgt mich mit Strom. Für unterwegs habe ich das Super Charger Netzwerk.
Allein der Gedanke für die Langstrecke einen Wechselakku nutzen zu sollen stellt mir die Nackenhaare senkrecht! Ich kann ohne weiter darüber nachdenken zu müssen den Kauf eines solchen Autos für mich komplett ausschließen. Warum? KEIN BEDARF!

Ich mache auf Langstrecken spätestens alle 2-3h eine kurze Pause von max. 20-30 Minuten.
In der Zeit lädt mein Tesla von 20% auf rund 80%. Frei nach dem Motto – Steht er dann lädt er.
In den 3 Jahren und rund 90.000km gab es bislang nicht einen Moment in dem ich mir mehr Reichweite oder mehr Lademöglichkeiten gewünscht hätte.
Also warum sollte ich mir ein Auto kaufen, das mehr Technik mit sich herumschleppt als nötig?
Von den Entwicklungskosten, der Komplexität der nötigen Abstimmungen zwischen den Herstellern und der auf absehbare Zeit fehlenden Verfügbarkeit von flächendeckenden Wechselstationen ganz zu schweigen.

Die Benefit Argumentation dieser und ähnlicher Technologien steht m.E. zudem auf tönernen Füßen.
Die Umweltbilanz (CO2 und Rohstoff Beschaffung) und die Kapazität der Akkus für BEV wird sich in den nächsten 5-10 Jahre massiv verbessern.
Auch das Argument ‚große‘ Akkus auf der Kurzstrecke ‚herumzuschleppen‘ würde unverhälnismäßig viel Mehrverbrauch erzeugen hinkt. Meine praktischen Erfahrungen zeigen das überdeutlich. Rekuperation, wie sie bis ca. 50kW im Tesla möglich ist, bringt nahzu alle gewichtsbedingten Anfahr- und Beschleunigungsverbräuche beim Bremsen wieder zurück in den Akku. Das gilt für die Stadt genauso wie für die Autobahn. Das andere BEVs das in diesem Umfang nicht können liegt an deren Motorgeneratoren und Steuerelektronik. Das ein sehr gut bremsender (rekupperierender) Motor auch ein enormes Drehmoment produzieren kann liegt in der Natur der Sache (Phsyik) und nicht an einem Tesla gern unterstellten Konzept möglichst flott sprinten zu wollen.
Ergo, Finger weg von BEVs die nicht ordentlich sprinten können, denn die können auch nicht vernüftig rekuperieren!

Alles zusammen wird wohl dazu führen, das in wenigen Jahren die Wechselakku Idee als auch die H2 Idee für PKW zur Randnotiz verkümmern wird. Wie so vieles, das uns in Deutschland in den letzten Jahren als die Innovation für die Sicherung der Zukunft verkauft wurde und immer noch wird.

Es sei denn diese Technologie würde uns im Rahmen einer technokratischen Umweltdiktatur staatlich verordnet!
Doch vor solch einer Abwesenheit des gesunden Menschenverstandes in der Bevölkerung möge uns alles bewahren was uns lieb und heilig ist.

Diese News könnten dich auch interessieren:

SQUAD Solar City Car: Kompaktes Solar E-Fahrzeug ab 6.250 Euro
G7-Minister:innen informieren sich bei VW über Wandel zur E-Mobilität
Batteriewerk in Indiana liefert bis zu 33 Gigawattstunden für Stellantis-Autos

Deine Anmeldung zum Newsletter:
Ein letzter Schritt fehlt noch.

Vielen Dank für deine Anmeldung zum Newsletter von Elektroauto-News. Du erhältst in Kürze eine E-Mail, in der sich ein Link zur Freischaltung deiner E-Mail-Adresse befindet. Erst durch die Bestätigung des Links dürfen wir deine E-Mail-Adresse zum Versand unseres Newsletter freischalten (Double-Opt-In).