B-E-W-A-R-E

Batterie-Elektrofahrzeug plus Wechsel-Akku zwecks Ressourcen-Effizienz

Das Trilemma der Elektromobilität

  • Der überwiegende Teil der Autokäufer wünscht hohe Elektro-PKW-Reichweiten zu erschwinglichen Kosten.
  • Für die Autokonzerne wäre es sinnvoll, viele preisgünstige und dadurch nicht ganz so reichweitenstarke E-Fahrzeuge zu verkaufen, um die hohen Strafzahlungen ab 2020 wegen Überschreitung der CO2-Flottenwerte zu vermeiden.
  • Die Energieversorger und Netzbetreiber möchten einerseits Schnelllade-Lastspitzen in Hauptreisezeiten vermeiden. Andererseits kann bei fluktuierender Stromerzeugung aus Wind und Sonne durch Akkuladung bzw. Netzeinspeisung möglichst vieler angeschlossener Akkus das Stromnetz besser stabilisiert werden.

Dieser gordische Knoten ist lösbar:

Überblick

Beim B-E-W-A-R-E Konzept handelt es sich um einen systemübergreifenden Ansatz, der Kostenoptimierung, Energieeffizienz, Ressourceneinsparung und Netzstabilisierung ermöglicht und integriert.

Es berücksichtigt nicht nur Fragen des E-Fahrzeugantriebs, sondern auch Aspekte der Einbindung von Tankstellen und Kfz-Werkstätten, die Kapazität der Stromnetzstruktur inkl. Sektorenkopplung, Heimspeicher sowie die Integration zukünftiger Entwicklungen.

Ausgangspunkt

Der Anteil des Verkehrs an den deutschen CO2-Emissionen ist stetig gestiegen, von 13% in 1990 auf 18% in 2014. Damit ist der Verkehr der einzige Wirtschaftssektor mit markanten Verschlechterungen. Seine CO2-Emission muss laut Klimaschutzplan bis 2030 um 40–42% gesenkt werden.

Einleitung

Der Bundesregierung danke ich, dass sie den Vorschlag Kraftfahrzeugkennzeichen »E« für Elektrofahrzeug-Nutzervorteile als Einführungsstrategie im Elektromobilitätsgesetz umgesetzt hat (siehe Briefwechsel BMVI).

Es besteht derzeit die Chance, mittels herstellerübergreifender Standardisierung von Wechselmodulen für Elektroantriebe kosten- und ressourcensparende Lösungen als Wettbewerbsvorteil der deutschen Industrie zu etablieren. Aus dem Regierungsprogramm Elektromobilität heraus bietet sich die Nationale Plattform Zukunft der Mobilität an.

Die Akzeptanz von E-Autos ist vorrangig wegen der Reichweite und der Ladedauer problematisch. Obwohl 95% aller Alltagsfahrten weniger als 100 km Tagesreichweite erfordern, werden oft Reichweiten ab 400 km verlangt, obwohl die höhere Batteriekapazität im Mittel nur alle 20 Tage (5%) erforderlich ist.

Die Ausrüstung der Fahrzeuge mit hohen Kapazitäten bedeutet hohe Kapitalbindung und unnützen Ressourcenverbrauch, hohes Batteriegewicht (500-700kg/Kfz) und damit erhöhten Stromverbrauch/100km.

Bisherige Konzepte favorisieren entweder nur fest eingebaute Batterien oder nur Wechselbatterien: Better Place ist 2013 in Israel mit dem Wechsel-Konzept gescheitert, Nio rüstet in China Autos mit »Nur«-Wechselbatterie aus und will dort 1000 Roboter-Wechselstationen bauen.

Ziele

  • Wandel zur E-Mobilität beschleunigen
  • Reichweiten-Angst entkräften
  • Stromverbrauch pro 100 km senken
  • Doppelnutzung dezentraler Speicher (Kfz / Solarheimspeicher)
  • Innovative Weiterentwicklungen in vorhandenen E-Fahrzeugen nutzen.
  • Kompatibilität zu E-Antrieben in Landwirtschafts-, Forst-, Bau- und Arbeitsmaschinen
  • Netzstabilisierung, Spitzenlastvermeidung, Sektorenkopplung (entsprechend: Nissan – e.on & Mitsubishi)
  • Neue Geschäftsmodelle (Akku-Leasing/Vermietung)
  • Volkswirtschaftliche Schäden des Autoverkehrs verringern
  • Netzstabilisierung, Spitzenlastvermeidung
  • Ressourcen sparen

Das Konzept

Eine optimale Nutzung der Ressourcen ohne Einschränkung der Reichweite ist möglich. Die Lösung besteht im gleichzeitigen Einbau einer festen und  einer wechselbaren Batterie im Auto. Die Energie für 95% Alltagsfahrten unter 100 km wird von der festen Batterie mit 200 km Reichweite bereitgestellt. Bezeichnet man die Gesamtkapazität der herkömmlichen 400-km-Reichweitenlösung über alle E-Kfz als 100% [400 km], spart die 200-km-Lösung zunächst einmal die Hälfte aller Batterien (–50% [400 km]).

Hohe Reichweiten werden durch zusätzliche Wechselbatterien (+30% [400km]) erreicht. Von ihnen ist ein Teil in Fahrzeugen im Umlauf, während sich der andere Teil in Lade-/Wechselstationen befindet.

So wird dasselbe Mobilitätsziel in der Summe ressourcenschonender realisiert (–20% [400km]). Anders ausgedrückt: Mit der gleichen Batterie-Gesamtkapazität können 25% mehr E-Autos inkl. der Wechselakkus ausgerüstet werden.

Die Begriffe Wechselbatterie / Wechselakku / Wechselmodul werden auf dieser Seite synonym verwendet.

Erklärung zu den zusätzlichen 30% [400 km] Wechselbatterien:
Die Fahrzeit für 200 km ist länger als die Ladezeit bei 22 kW Ladeleistung (Standard 400V 32A-Anschluss). D.h. es wären im Mittel 5% [400 km] der Wechselakkus in Fahrzeugen unterwegs und weitere 3% [400 km] in den Lade-/Wechselstationen erforderlich. Es ist hier aber mit 25% [400 km] ein Vielfaches an Kapazität in den Lade-/Wechselstationen verfügbar, so dass in Hauptreisezeiten etwa das Vierfache an Langstreckenverkehr möglich ist.
Diese 25% Wechselbatterien stellen eine hohe Netzdienlichkeit dar, da sie dauerhaft, außer in Hauptreisezeiten, mit dem Netz verbunden sind.

Trotz der Einsparung gibt es für alle Akteure ausschließlich positive Zusatzeffekte. Es wird eine erhebliche Kostensenkung durch Skaleneffekte der Großserienproduktion des standardisierten Wechselmoduls eintreten. Was der 40 Fuß-Container für den Transport geworden ist, sollte das Wechselmodul für die Elektromobilität werden.

PKW-Fahrer

  • Lange Reisen mit Wechselbatterie bedeuten erst nach 400 km einen Kurzstopp und danach alle 200 km.
  • Ladezeiten auf langen Reisen entfallen, Akku-Wechselzeit ist mit 5 Minuten anzunehmen
  • Derzeit macht die Batterie 20–40% des E-Auto-Preises aus. Die halbierte Kapazität senkt die Anschaffungskosten um 10–20%.
  • geringerer Verbrauch an 95% der Tage bei Fahrten ohne Wechselbatterie durch deutlich leichteres Fahrzeug.

Lade-/Wechselstationen

  • Batterien mit 20–30 kWh wiegen zzt. etwa 160–240 kg. Der Wechsel muss einfach (z.B. Palettenhubwagen) auch manuell ausführbar sein (z.B. auch vom Eigenheimbesitzer), um in der Startphase nicht von flächendeckender Versorgung mit kostenintensiven, automatisierten Wechselsystemen abhängig zu sein. Geringe Infrastrukturkosten ermöglichen im In- und Ausland einen zügigen Aufbau des Lade-/Wechsel-Netzes, also Wettbewerb und schnellere Verbreitung.
  • 40.000 Tankstellen und Kfz-Werkstätten sowie Supermärkte sind für Lade-/Wechselstationen geeignet. Sie können als Schwarmkraftwerk-Partner zusätzliche Gewinne erzielen.

Allgemeine Infrastruktur

  • Wechselbatterien stabilisieren das Stromnetz, indem sie Ladespitzenlast vermeiden und bei Netzspitzen sogar einspeisen können.
  • Dagegen würden fest eingebaute Batterien mit hoher Reichweite den Aufbau eines dichten Netzes mit vielen parallelen Schnellladesäulen erfordern, was teure Netzknoten und Verstärkung der Leitungsquerschnitte nach sich zöge.
  • Dennoch käme es zu Hauptreisezeiten zu längeren Wartezeiten zum Laden und problematischen Netzlastspitzen.
  • Fahrzeuge, die für 400 km Reichweite und mehr ausgelegt sind, werden voraussichtlich aus Bequemlichkeit meistens nicht an die Ladestationen angesteckt, wenn die Akkus fast voll sind. Untersuchungen zeigen, dass E-Autos 5% der Zeit gefahren werden und zzt. max. 50% am Netz sind. Diese Akkukapazitäten stehen dann zur wünschenswerten Netzstabilisierung nicht zur Verfügung.

Realisierung

Es ist auf der »Nationalen Plattform Zukunft der Mobilität« ein Runder Tisch zu initiieren, der übergreifend die thematischen Arbeitsgruppen einbindet, um die Voraussetzungen für die Standardisierung von Wechselmodulen zu schaffen:

BMWI

  • Förderung der deutschen Batterieproduktion mit Auflagen für Wechselbatterie flankieren

Automobilindustrie

  • Herstellerübergreifende Festlegung von Bauraum, Befestigung, Steckverbindungen, Spannung, Strom und Kommunikationsschnittstellen

Batterie-Hersteller

  • Realisierung wechselmodul-interner Lade-/Entlade- und Kapazitätsaufzeichnung

TÜV, VDE

  • Definition der mechanischen und elektrischen Sicherheitsanforderungen

rechtliche Fragen klären

  • Folgen der Eigentumsverhältnisse (Miete, Tausch), Betreiber, Tracking, Wertminderung berücksichtigen, Block-Chain-Bezahlung-/Kommunikation

 

Anwendungen

PKW Privatfahrzeuge / Firmenwagen / Carsharing / Taxibetrieb / Autonomes Fahren

Ein-/Zweifamilienhäuser (15,7 Mio. in D) mit Garage/Stellplatz haben das Potential, einen wirtschaftlichen Doppelnutzen aus der Wechselbatterie als Kfz- und Solar-Stromspeicher zu generieren.

Mobile Arbeitsmaschinen: zeitweise genutzte Maschinen und Geräte, deren Batterien in den Nebenzeiten Geld mit Netzdienstleistungen erwirtschaften können: Bau-, Forst- und landwirtschaftliche Maschinen, Straßenreinigungs- und Schneeräumfahrzeuge, Kompressoren, Förderanlagen, Pumpen, Stromgeneratoren u.v.a.m.

Strukturelle Synergien

E-Mobilität

  • wächst schneller durch geringere Kosten

Klimawandel

  • wird gebremst

Automobilkonzerne

  • Absatzsteigerung um 11-25% bei gleicher Geldmenge aufgrund 10-20% günstigerer E-Auto-Preise
  • Vermeidung der Strafzahlungen für zu hohe CO2-Flottenwerte ab 2020 (Verschärfung 2025 und 2030) und dementsprechende Absatzsteigerung von E-Autos

Lade-/Wechselstationen

  • schaffen bzw. erhalten Arbeitsplätze
  • stabilisieren das Stromnetz als Schwarmkraftwerk
  • ermöglichen neue Geschäftsmodelle (Batterie-Vermietung/Leasing)

Kfz-Werkstätten

  • sind durch E-Autos tendenziell von Arbeitsplatzabbau betroffen, da sie langlebiger und verschleißärmer sind. Herstellerunabhängigkeit und zusätzliche Dienstleistungen bezüglich der Wechselbatterien stellen für die Werkstätten ein Potential dar.

Zukunftsfähige Branchen (Integration in Wechselmodule)

Die Offenheit von Wechsel-Modulen für verschiedene Technologien bedeutet für den PKW-Betreiber eine mehrfache Flexibilität: Er kann situationsbedingt austauschbare Module verwenden, z.B. je nach Verfügbarkeit von Ladestationen, Wasserstoff- oder Redox-Flow-Tankstellen, induktives Laden.

Angesichts der rasanten technologischen Entwicklung bedeutet es aber auch eine Erleichterung beim Autokauf, der für die meisten Käufer eine langfristige Bindung bedeutet. Sie werden beim Kaufentscheid oft durch die Frage gebremst, ob etwa in absehbarer Zeit z.B. bessere Batterietypen verfügbar sind, auf deren Vorteile sie durch den »verfrühten« Kauf dann verzichten müssten.

Eine standardisierte Bauform der Wechsel-Batterie, mithin des Bauraumes im Fahrzeug würde dieses Hemmnis beseitigen. Der Wertverlust des Fahrzeuges wird durch diese Technologieoffenheit reduziert.

Resumeé

Das Ziel von Ressourceneffizienz, CO2-Minderung und Kostenreduktion ist es wert, die Herausforderung anzunehmen: In den jetzt begonnenen E-Fahrzeug-Entwicklungen muss herstellerübergreifend ein Konsens gefunden werden, der Netzbetreibern, Stromversorgern und Autofahrern die hier aufgezeigten Vorteile erschließt. Der deutschen Wirtschaft wird hiermit ein Standortvorteil geschaffen und die Integration von Elektromobilität und Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien verbessert.