Forum Zukunft „Chemie macht elektromobil“

Elektromobilität: Forschungsprojekte und Produkte aus der Chemie

Experten aus fünf Chemieunternehmen stellten beim Forum Zukunft „Chemie macht elektromobil“ am 7. April 2011 in Berlin ihre neuesten Forschungsprojekte und Produkte vor.​​​

Lithium-Ionen-Batterie: Leichter und leistungsstärker

Der Schlüssel zur Zukunft der Elektromobilität ist die Speichertechnologie. Damit sich Elektroautos als Alternative zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren etablieren, kommt es auf leistungsfähige Batterien an. Herkömmliche Batterien werden den Anforderungen der Elektromobilität nicht mehr gerecht. Gemessen an der Energie, die sie speichern, sind sie viel zu schwer.

Ein Elektrofahrzeug mit einem 150 Kilogramm schweren Blei-Säure-Akkumulator hat gerade mal eine Reichweite von 33 Kilometern, mit einer gleich schweren Nickel-Metall-Hydrid-Batterie beträgt die Reichweite lediglich 69 Kilometer. Weit effizienter ist die Lithium-Ionen-Batterie, die in Handys und Smartphones längst Standard ist – wenngleich im weit k​leineren Format. Eine 150 Kilogramm schwere Lithium-Ionen-Batterie würde einem Elektroauto zu einer Reichweite von 167 Kilometern verhelfen, weit mehr als ihre technologischen Vorgänger zu bieten haben.

Um eine Lithium-Ionen-Batterie aber in Automobilen einsetzen zu können, kommt es im wahrsten Sinne des Wortes auf die richtige Chemie an. Denn an die Batterie werden hohe Anforderungen gestellt: Sie muss sich schnell und bei jeder Temperatur laden lassen, ohne sich selbst zu entladen. Die Batterie darf sich nicht überhitzen, Kurzschlüsse und Überladungen, die zur Beschädigung der Batterie führen, müssen ausgeschlossen sein. Dann muss sie viele Lade- und Entladezyklen für hohe Reichweiten durchhalten, die Lebensdauer sollte mindestens acht bis zehn Jahre betragen. Und zu guter Letzt muss sie auch noch bezahlbar bleiben.

Um all diese Ansprüche zu erfüllen, ist das Know-how der chemischen Industrie gefragt. Ein Beispiel für die hochkomplexe Elektrochemie ist der Separator in der Lithium-Ionen-Batterie, der Anode und Kathode voneinander trennt. Herkömmliche Separatoren sehen aus wie eine Plastikfolie und verhalten sich unter großer Hitze auch ähnlich: Sie sind nicht temperaturstabil und schrumpfen zusammen. Mit keramischen Seperatoren hat man dieses Problem gelöst. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Folien ist das Keramikmaterial dank Nanotechnologie hitzebeständig, flexibel und durchlässig.

Weiteres Potenzial für den Akkumulator bietet zum Beispiel die Verbindung Lithium-Mangan-Phosphat an der Anode. Sie ist kostengünstiger und leistungsfähiger im Vergleich zu gebräuchlichen Verbindungen mit Eisen oder Cobaltoxid.

Brennstoffzelle: Mit Vollgas ohne Abgas

Das „Abgas“ dieser Antriebstechnologie könnte man sogar trinken. Denn das, was bei der Brennstoffzelle als Abfallprodukt herauskommt, ist nichts anderes als Wasser. In der Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Luft (Sauerstoff). Bei dieser chemischen Reaktion entsteht Wärme, die in elektrischen Strom umgewandelt wird. Wie in einer herkömmlichen Batterie gibt es eine Anode und eine Kathode, also einen Plus und einen Minus-Pol. Ob in Oberflächentechnologie, Metalllegierungen oder etwa durch Nanostrukturen der eingesetzten Materialien – überall kommt Chemie zum Einsatz.

Die beiden Pole sind durch eine Membran voneinander getrennt. Diese speziell beschichtete Polymer-Folie lässt den Austausch der Protonen zu. Außerdem ist auf ihr ein Katalysator aufgebracht, der die Reaktion in der Brennstoffzelle auslöst. Um die Leistungsfähigkeit zu erhöhen, werden einfach mehrere Brennstoffzellen hintereinandergeschaltet. Die Brennstoffzelle kann im Elektromobil eingesetzt werden, um den Elektro-Motor mit Strom zu versorgen und seine Batterie aufzuladen. Dabei nimmt die Brennstoffzelle kaum mehr Platz als ein Kühler ein.

Die Kombination von Brennstoffzelle und Elektromotor hat einen entscheidenden Vorteil: Sie ermöglicht längere Reichweiten der Fahrzeuge. Kommt ein rein batteriebetriebenes Automobil bisher auf eine Reichweite von maximal 200 Kilometern bis zum nächsten Ladestopp, schafft es ein Elektromobil mit Brennstoffzelle rund 400 Kilometer weit, ohne zwischendurch Strom oder Wasserstoff tanken zu müssen.

Äußerlich unterscheidet sich ein Brennstoffzellen-Fahrzeug nicht von herkömmlichen Autos. Es hört sich aber anders an. Der Elektromotor surrt nur noch leise und bringt trotzdem eine Leistung von bis zu 100 Kilowatt (136 PS) auf die Straße. Die Erwartungen an die Zukunftstechnologie sind hoch, alle namhaften Automobilhersteller wollen bis 2015 Mittelklasse-Pkw in Kleinserien produzieren.

Kunststoffe: Mit Leichtigkeit Energie sparen

Autos werden leichter und damit umweltfreundlicher. Weniger Gewicht heißt, weniger Energieverbrauch beim Elektroauto und beim herkömmlichen Verbrennungsmotor außerdem weniger CO2-Emissionen. Durch den Einsatz von Kunststoffen im Fahrzeugbau hat sich hier in den vergangen Jahren viel getan. Mit rund 250 Kilogramm macht der Anteil von Kunststoff heute 15 bis 20 Prozent am Gesamtgewicht des Fahrzeugs aus. Beim Elektroauto gilt es, dass immer noch hohe Gewicht der Batterien durch Leichtbaumaterialien auszugleichen.

Der chemischen Industrie ist es gelungen, Kunststoffe herzustellen, die so fest sind, dass sie das schwerere Metall ohne weiteres ersetzen oder ergänzen können. So sind etwa moderne Motorenlager heute aus Kunststoff und um die Hälfte leichter als ihre Vorgänger aus Metall. Auch an anderen Fahrzeugteilen helfen Kunststoffe, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren. Ob Stoßfänger, Ölwanne oder Sitze – überall kommen zunehmend High-Tech-Kunststoffe zum Einsatz.

Als Verbundwerkstoff im Chassis reduziert der Einsatz von Kunststoffen das Fahrzeuggewicht um 100 bis 150 Kilogramm. Pro gefahrenen Kilometer lassen sich so bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor 10 bis 15 Gramm CO2 einsparen. Mit Hilfe der Kunststoffe können in der Karosserie Metallstrukturen versteift werden, und zudem erlaubt der Einsatz von Kunststoffen dünnere Metallwandstärken. Ebenso kann neben dem Verbundwerkstoff kostengünstigerer Stahl eingesetzt werden. Das Auto wird aber nicht nur leichter und umweltfreundlicher, sondern auch noch sicherer. Denn diese Leichtbauweise verbessert auch noch das Crashverhalten.

Carbonfaser: Dünn, leicht und stark

Sie sind leicht und extrem fest. Aufgrund ihrer Materialeigenschaften sind Carbonfasern die Zukunft im Automobilbau. Eine einzelne Faser ist zehn Mal dünner als ein menschliches Haar. Zudem sind sie wegen ihrer geringeren Dichte fünf Mal leichter als Stahl und zwei Mal leichter als Aluminium. Dafür aber um ein vielfaches fester. Und sie sind so steif, dass sie sich als carbonfaserverstärkte Werkstoffe hervorragend für den Leichtbau in der Automobilindustrie eignen. Am Bau von Elektroautos können sie entscheidenden Anteil haben, da der extrem stabile Werkstoff die Fahrzeugkarosserie um ein Vielfaches leichter macht. Bislang werden Carbonfasern hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrttechnik, bei der Produktion von Windrädern oder im Sport (Skier, Eishockeyschläger) eingesetzt. Doch Experten prognostizieren, dass sich die Carbonfasermärkte evolutionär entwickeln. Das setzt aber voraus, dass sich die hohen Prozesskosten bis 2020 um 90 Prozent reduzieren, die serienfertige Verfügbarkeit von Carbonfasern sichergestellt ist und die Frage des Recyclings geklärt ist.

Energiemanagement: Damit es kühl oder warm im Auto bleibt

Herkömmlichen Kraftstoffmotoren mangelt es an Effizienz. Denn rund zwei Drittel der Kraftstoffenergie gehen als Wärme verloren. Gefragt ist also ein Energiemanagement, um die Wärme zu nutzen. Eine Möglichkeit ist, den Motor thermisch mit Hilfe von Kunststoffen wie Polyurethan zu isolieren. Dadurch kommt der Motor schneller auf Betriebstemperatur, weniger Kaltstarts sind nötig und sechs bis neun Gramm CO2 pro gefahrenen Kilometer können eingespart werden. Ein positiver Nebeneffekt: Auch das Motorengeräusch wird isoliert, die Autos werden leiser. Für den Start-Stopp-Betrieb sowie für die Hybridtechnologie bietet die Motorisolierung Zukunftspotenzial. Doch nicht nur bei kraftstoffbetriebenen Fahrzeugen macht ein Wärmemanagement Sinn. Bei Elektroautos kommt es noch mehr darauf an, mit der Energie gut zu haushalten. Je weniger Energie für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums aufgewendet werden muss, desto länger reicht die Batterieleistung, desto größer wird die Reichweite.

Besonders beschichtete Autoscheiben verhindern bei starker Sonneneinstrahlung, dass sich der Innenraum aufheizt und gekühlt werden muss. Bei einer Außentemperatur von 30 Grad und Mittagssonne kann die Temperatur im Innenraum bei 20 Grad gehalten werden. Die Spezialfolien auf den Scheiben sind zwar lichtdurchlässig, reflektieren aber die wärmeintensive Infrarot-Strahlung. Die Infrarot-reflektierenden Pigmente in der Folie lassen sich umschalten, so dass sie bei kalten Außentemperaturen für wärmende Sonnenstrahlen durchlässig sind. Auch spezielle Lacke können die IR-Strahlung reflektieren und so zum Wärmemanagement im Auto beitragen. Hochleistungsschäume in Türen und Karosserie helfen ebenso zu verhindern, dass sich das Auto im Sommer aufheizt beziehungsweise, dass im Winter Wärme innen verloren geht. Mit all diesen Maßnahmen des Wärmemanagements lassen sich bis zu 45 Prozent an Energie einsparen.

Wärmespeicher: Effiziente Klimatisierung

Auch die abgegebene Wärmeenergie eines Motors lässt sich speichern. Mit einem Latentwärmespeicher, der ähnlich funktioniert wie ein Taschenwärmer/Wärmekissen, wird die Energie in einer Lösung gespeichert und kann durch eine chemische Reaktion wieder als Wärme abgegeben werden. Entweder entlädt sich die Wärme in der Kühlflüssigkeit. Das verkürzt die Kaltstartphase bei Verbrennungsmotoren und verringert dadurch die CO2-Emissionen. Oder die abgegebene Wärme ergänzt im Elektroauto die Heizung für den Innenraum, so dass sich die Reichweite des Fahrzeugs erhöht.

Die fünf Vorträge finden Sie im Downloadbereich dieses Dokumentes im PDF-Format.

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Ansprechpartner

Jörg-Olaf Jansen

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