SIEMENS

Das Perpetuum Mobile wird es auch in Zukunft nicht geben, aber wie wäre es, wenn ein Auto nicht nur Energie benötigt, sondern auch welche abgeben kann? Zum ersten Mal in der Geschichte der Mobilität wollen Ingenieure aus Fahrzeugen mehr machen als klassische Fortbewegungsmittel, nämlich mobile Energiespeicher. Das geht nicht mit Verbrennungsmotoren, aber es geht mit einer Batterie, die nicht nur Strom tanken, sondern auch wieder abgeben kann – also bidirektional funktioniert.
Die Vision hinter der Elektromobilität ist aus dem Spannungsfeld entstanden, dass immer mehr Menschen individuell mobil sein wollen und dass der Energiebedarf gerade in Schwellenländern wie Indien und China enorm ansteigt. Beide Ansprüche wurden bisher vor allem durch fossile Energieträger befriedigt: Seit über 100 Jahren werden Automobile mit Verbrennungsmotoren und die Turbinen der meisten Kraftwerke mit Kohle oder Erdgas angetrieben. Doch die Zeit drängt: Diese Ressourcen werden knapp, und der Klimawandel wird durch den erhöhten CO₂-Ausstoß beschleunigt. Die Energieversorger setzen deshalb vermehrt auf erneuerbare und CO₂-freie Energien wie Wind und Sonne, doch deren Ertrag schwankt je nach Wetter. Mit zunehmendem Anteil solcher Energieträger am Strommix eines Landes steigt daher auch der Bedarf nach schnell einsetzbaren Zwischenspeichern für den Strom.
Wie wäre es denn, hierfür die Batterien von Elektroautos zu nutzen, die an jeder Steckdose Strom tanken oder liefern können – je nach Bedarf und Preis? Wenn viel Strom zur Verfügung steht, etwa nachts oder bei starkem Wind, wäre der Strompreis niedrig – zum Beispiel bei 5 Cent/kWh – und dementsprechend viele Autos würden diesen günstigen Strom "tanken". Wenn hingegen Flaute herrscht oder mittags gerade viel Strom zum Kochen benötigt wird, läge der Preis beispielsweise bei 30 Cent/kWh und viele Autobesitzer würden sich entschließen, die Energie mit Gewinn ins Netz abzugeben. Mit einer intelligenten Steuerung könnten dies auch die am Netz hängenden Fahrzeuge selbst entscheiden – dann nämlich, wenn sie wissen, wie weit ihr Besitzer heute noch fahren muss und welche Batterieladung er daher benötigt. Die meiste Zeit des Tages stehen Pkw sowieso still und könnten daher – ob auf Büroparkplätzen, in Parkhäusern oder zu Hause – ständig mit dem Stromnetz verbunden sein. Wenn die Strompreise sich flexibel nach Angebot und Nachfrage richten, vermeidet dies auch das Problem, dass zu bestimmten Zeiten gleichzeitig sehr viele Autos Strom tanken wollen – denn dann würde einfach der Preis in die Höhe schießen.

Das Auto als Einnahmequelle. Als Faustregel kann man sagen, dass einer Windturbine mit 3 MW Spitzenleistung etwa 300 Elektrofahrzeuge als Stromspeicher gegenüberstehen sollten. Mit solchen mobilen Speichern ließen sich gleich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Die Energieversorgungsunternehmen hätten – vorausgesetzt, die Akkus können die ständigen Lade- und Entladevorgänge verkraften – einen gewissen Puffer für überschüssige Energie aus regenerativen Quellen, und den Fahrzeugbesitzern stünde eine Geldeinnahmequelle zur Verfügung, die ihnen hilft, die relativ teuren Batterien zu finanzieren. Denn auch in absehbarer Zukunft wird die Batterie eine der teuersten Komponenten eines Elektroautos sein: Für eine Reichweite von 100 km ist bei einem Mittelklasse-Elektroauto eine Batterie mit etwa 15 kWh Energieinhalt notwendig – und die kostet heute noch über 10.000 €. Natürlich ließen sich mit einem derartigen mobilen Kraftwerk auch noch andere Geschäftsmodelle vorstellen, als die Amortisation durch die Stromeinnahmen: So muss der Autobesitzer die Batterie nicht unbedingt kaufen. Er könnte sie auch von einem Energieversorgungsunternehmen leasen – das damit sozusagen seine Stromspeicher dezentralisiert und über die "Zweitnutzung" als Autoantriebsquelle die Kosten für den Speicher senkt.
Wie auch immer künftige Elektroautos aussehen werden und welche Rolle sie im Stromverbund spielen werden – im Konzept der "Elektromobilität" werden alle wichtigen Akteure mit einbezogen sein müssen: Die Stromproduzenten ebenso wie die Automobilhersteller und -zulieferer und nicht zuletzt auch die Politik, die einem solchen Paradigmenwechsel den Boden bereiten müsste.
In Deutschland wurde hierzu der erste Schritt im November 2008 getan, als gleich vier Ministerien zur "Nationalen Strategiekonferenz Elektromobilität" einluden: das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), das Ministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), das Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) und das Ministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Sie brachten Energieversorger wie E.ON, RWE oder Evonik, die Automobilindustrie und ihre Zulieferer wie Volkswagen, Daimler, Continental oder Bosch sowie Elektrofirmen wie Siemens und Forschungsinstitute zusammen. "Mein Ziel ist es, mit der Elektromobilität einer neuen Mobilitätskultur und einer neuen Stadt- und Raumplanung zum Durchbruch zu verhelfen", sagte Verkehrsminister Wolfgang Tiefensee auf der Konferenz, und Umweltminister Sigmar Gabriel ergänzte, dass Elektroautos als Pufferspeicher eine wichtige Verbindung zu erneuerbaren Energiequellen schaffen. Auch für Deutschland werde dies immer wichtiger, sagte er, denn das BMU will den Anteil der regenerativen Stromquellen von heute etwa 15 % auf bis zu 40 % im Jahr 2020 erhöhen. Staatssekretärin Dagmar Wöhrl vom BMWi betonte die Notwendigkeit der engen Zusammenarbeit von Energieversorgungsunternehmen und Automobilherstellern, denn insbesondere bei Energiespeichern, der Fahrzeugtechnik und der Netzintegration müssten noch beträchtliche Investitionen in Forschung und Entwicklung aufgebracht werden.
Entsprechende Allianzen haben sich bereits zwischen den Konzernen gebildet: BMW kooperiert mit Vattenfall, Daimler mit RWE und Volkswagen nicht nur mit Evonik, sondern seit kurzem auch mit Toshiba, um die Akkutechnologie gemeinsam voranzutreiben. Gerade leistungsstarke Batterien seien eine Schlüsseltechnologie, die es zu fördern gelte, sagte Thomas Rachel vom BMBF. Innerhalb der Konjunkturprogramme, die von der Bundesregierung bereitgestellt werden, können in einem Zeitraum von drei Jahren 500 Mio. € für Mobilitätsforschung ausgegeben werden. Dazu gehört die Entwicklung der Infrastruktur ebenso wie der gesamte Bereich der Elektrofahrzeugtechnik. Das Ziel wurde auf der Konferenz ganz klar umrissen: Deutschland soll Leitmarkt für Elektromobilität werden.

Weltspitze der Elektromobilität. Bei vielen Komponenten der Elektromobilität, sei es in der Energieversorgung oder im Automobilbereich, ist Deutschland bereits an der Weltspitze: Die effizientesten Kraftwerke, ob konventioneller Art oder auch Windkraftwerke und solarthermische Anlagen, werden hier konstruiert, ebenso wie Systeme für eine verlustarme Stromübertragung über lange Strecken. Auf der Automobilseite ist Deutschland bei Elektromotoren und der Fahrzeugelektronik nach wie vor international führend. Anders jedoch bei der Batterietechnik, die insbesondere in China und Korea vorangetrieben wird – nur etwa 1 % aller Lithium-Ionen-Batterien wird in Deutschland hergestellt. Doch auch hier gibt es neue Entwicklungen, wie der Zukunftspreis des Bundespräsidenten vor zwei Jahren belegte: Drei Wissenschaftler des Evonik-Ablegers LiTec waren nominiert, weil sie einen Separator für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt haben, der einen möglichen Kurzschluss verhindert und damit die Hochleistungsakkus wesentlich sicherer macht. Denn unter den Experten herrscht Einigkeit, dass derzeit nur Lithium-Ionen-Zellen für Elektroautos in Frage kommen, weil sie die erforderliche Leistungsdichte bereitstellen können. Hier will das Bundesforschungsministerium mit der Innovationsallianz "Lithium-Ionen-Batterie" nun eine Aufholjagd in Gang setzen.
Zugleich sollen im Forschungsprogramm "Mobilität und Verkehrstechnologien" des Bundeswirtschaftsministeriums moderne Antriebssysteme vorangetrieben werden. Dabei geht es neben Hybridkonzepten auch um die Leistungselektronik im Auto. Ein gut motorisiertes Elektroauto braucht eine Batterie mit 42 kWh Energieinhalt, um bei 15 kWh pro 100 km eine Reichweite von fast 300 km zurückzulegen. Bei der üblichen Spannung von 230 V und 16 A würde dann aber ein voller Ladevorgang etwa zwölf Stunden dauern. "Doch bei 400 V und 25 A könnte der Autofahrer bereits nach zwei Stunden wieder eine Langstrecke zurücklegen", stellt Prof. Gernot Spiegelberg fest. 400 V gibt es auch in jedem deutschen Haushalt, da dies die Spannung des üblichen Drehstromanschlusses ist. "Um sie zu nutzen, fehlen aber bisher die notwendigen Schnittstellen zwischen Auto und Stromnetz", sagt Spiegelberg.
Spiegelberg leitet bei Corporate Technology, der zentralen Forschung von Siemens, ein Team für Elektromobilität. Hier sowie in den Sektoren Energy und Industry beschäftigt sich Siemens schon seit einiger Zeit intensiv mit dem Thema Elektromobilität. Dabei geht es sowohl um die Anforderungen an das Elektrofahrzeug selbst wie um die Gestaltung der Infrastruktur der Stromnetze. Unter anderem untersuchen die Siemens-Ingenieure die Energieerzeugung und -verteilung, das Verkehrs- und Energiemanagement, die Systeme für die Verbrauchserfassung und flexible Abrechnung (Smart Metering), die nötige Leistungselektronik, die Software und Sensorik und natürlich auch die elektrischen Antriebe und die Rückgewinnung und Speicherung von Energie. Da Elektroantriebe nicht nur als Stromspeicher dienen können, sondern aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades zudem Energieressourcen effizienter nutzen als Verbrennungsmotoren, könnte die Elektromobilität künftig ein wichtiger Bestandteil des Umweltportfolios von Siemens werden.
"Bis 2020 sehe ich allein in Deutschland ein Potenzial von 4,5 Millionen Elektroautos, die ihre Energie über das bestehende Stromnetz beziehen könnten", sagt Spiegelberg. "Und das ist noch konservativ geschätzt, denn diese 4,5 Millionen Fahrzeuge wären nur die Hälfte der sowieso auszutauschenden Zweitwagen, die auch am Wochenende nie mehr als 70 km pro Tag zurücklegen." Damit würde dann jedes zehnte Auto in Deutschland ganz ohne Benzin fahren.