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Autobahnkreuz

Mobilität der Zukunft
Folge 1: Energie und Verkehr zusammen denken

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Die wissenschaftliche Grundlage ist da, nun müssen die Technologien in die breitere Anwendung. Wie der DLR Projektträger den Transfer beschleunigt.

Interview von Evelyn Bargs-Stahl
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Verkehrs- und Energiewende sind unmittelbar miteinander verwoben, sagen Dr. Jens Erler, Dr. Tania Hancke und Jenny von Wnuck Lipinski vom DLR Projektträger. Sie betreuen diverse geförderte Forschungsprojekte für verschiedene Ressorts.

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Zukunft der Mobilität

In einer kurzen Reihe beleuchten die DLR Projektträger Expertinnen und Experten Dr. Jens Erler, Dr. Tania Hancke sowie Jenny von Wnuck Lipinski die Trends rund um die Themen Energie- und Verkehrswende.

Folge 1: Energie und Verkehr zusammen denken

Folge 2: Herausforderung Ladeinfrastruktur – Abschied vom Plug-in-Hybrid

Folge 3: Verkehrswende im urbanen und ländlichen Raum

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Evelyn Bargs-Stahl: Im Koalitionsvertrag der aktuellen Bundesregierung findet man formulierte Ziele für die Zukunft von Energie und Mobilität. So sollen bis zum Jahr 2030 mindestens 80 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Energien kommen, 15 Millionen E-Autos auf den Straßen sein und eine Million öffentliche Ladepunkte zur Verfügung stehen. Was muss getan werden, damit wir die formulierten Ziele erreichen?

Jens Erler: Die Zielsetzung der Bundesregierung in Bezug auf die erneuerbaren Energien ist eine Reaktion auf das Pariser Klimaschutzabkommen von 2015, in dem sich die internationale Gemeinschaft auf eine Begrenzung der globalen Erwärmung von zwei Grad bis 2050 im Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter geeinigt hat. Für uns in Deutschland stellt die 80-Prozent-Vorgabe eine Herausforderung dar. Wenn wir hier über erneuerbaren Strom reden, meinen wir vor allem Windkraft und Solarenergie, ein bisschen Biogas, Geothermie und Wasserkraft. Vor allem in dem letztgenannten Bereich sind aber eigentlich alle potenziellen Standorte bereits erschlossen. Das heißt, die Energiewende wird hauptsächlich im Bereich Wind- und Solarkraft stattfinden. Da diese aber größeren Schwankungen unterworfen sind, besteht die große Herausforderung darin, die notwendigen Speicherkapazitäten auszubauen. Derzeit verfügen wir noch über Kohle- und Gaskraftwerke, mit denen wir Schwankungen in der Energieerzeugung kompensieren können, aber wenn wir – wie im Koalitionsvertrag vereinbart – aus der Kohle aussteigen wollen, müssen Speicher flexibel diese Energie aufnehmen können, um in Zeiten von geringer Erzeugung darauf zugreifen zu können. Gerade im Hinblick auf die aktuelle geopolitische Situation spitzt sich die Thematik zu.

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Bei einer Überproduktion von Strom könnten die Fahrzeuge diesen flexibel aufnehmen und bei Bedarf auch wieder ins Stromnetz abgeben. Wir müssen die Autos also als fahrende Speicher sehen.

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Dr. Jens Erler
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ist wissenschaftlicher Referent des DLR Projektträger in der Abteilung für Elektromobilität und neue Antriebe. Als Physiker beschäftigt er sich mit der Elektromobilität und betreut Projekte des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).
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Portrait Dr. Jens Erler - DLR Projektträger
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E-Autos sichern die Netzstabilität

Evelyn Bargs-Stahl: Was haben diese Überlegungen mit der Zukunft der Mobilität zu tun?

Jens Erler: Wenn die Mobilitätswende dazu führt, dass wir in Zukunft Millionen von Elektroautos auf den Straßen haben, dann hat im Prinzip jeder Haushalt eine sehr große Batterie in der Garage stehen. Kritiker des Ausbaus warnen davor, dass auf diese Weise große Lasten für das Stromnetz entstehen. Aus unserer Sicht bietet die Elektromobilität aber eine Chance: Bei einer Überproduktion von Strom könnten die Fahrzeuge diesen flexibel aufnehmen und bei Bedarf auch wieder ins Stromnetz abgeben. Wir müssen die Autos also als fahrende Speicher sehen.

Tania Hancke: Das Speicherpotenzial wird deutlich, wenn man nur mal an die Pendler denkt, die morgens mit ihrem Auto zum Arbeitsplatz fahren und ihren Wagen dann den ganzen Tag auf dem Parkplatz stehen lassen. In dieser Zeit kann ich Schwankungen im Stromnetz gut mit diesen Fahrzeugflotten kompensieren, während ich zum Beispiel Feuerwehr- oder Krankenwagen dafür nicht nutzen kann.

Jens Erler: Zur Verdeutlichung: Nehmen wir mal an, wir würden das von der Bundesregierung gesteckte Ziel mit den 15 Millionen Elektrofahrzeugen erreichen und es würde sich um rein batteriebetriebene Wagen mit einer Akku-Kapazität von 50 Kilowattstunden handeln – das ist heutzutage für eine Mittelklasse normal und wird in Zukunft wahrscheinlich auch in der Kompaktklasse verfügbar sein. Dann käme man auf eine Gesamtkapazität von 750 Gigawattstunden. Damit ließe sich der durchschnittliche Strombedarf des ganzen Landes für acht Stunden abdecken. In Relation zu den bestehenden Speichertechnologien ist das fast schon spektakulär: Derzeit gibt es mit den Pumpspeicherkraftwerken im Prinzip nur eine zuverlässige kommerziell verfügbare Speichertechnik. Diese Anlagen sind extrem wichtig, bieten aber aus geografischen Gründen kaum noch Ausbau-Potenzial. Die Speicher der prognostizierten E-Fahrzeuge wären um den Faktor 20 größer als die Summe der aktuellen Pumpspeicherkraftwerke.

Evelyn Bargs-Stahl: Und warum kommt diese Erkenntnis noch nicht in die Anwendung? Also warum werden E-Autos nicht schon im größeren Stil als Stromspeicher genutzt?

Jens Erler: Die Schnittstelle zwischen Auto und Stromnetz ist aktuell noch nicht marktreif. Selbst wenn man es wollte, könnte man noch kein Auto auf dem Markt kaufen, das über die gängige Ladesäulenschnittstelle diese Funktionalität bietet. Aktuell arbeiten wir über entsprechende vom BMWK geförderte Projekte mit daran, dass diese Technologie in den nächsten zwei oder drei Jahren kommt.

Bürgerinnen und Bürger als aktiver Teil der Energiewende

Jenny von Wnuck Lipinski: Letztlich funktioniert die Mobilität der Zukunft ganz anders als wir sie derzeit mit Verbrennungsmotoren kennen. Das Konzept geht nur auf, wenn die Menschen aktiv an der Energiewende teilhaben und ihre E-Autos zumindest teilweise als Puffer im Stromnetz zur Verfügung stellen. Die Bereitstellung der Batterie als Puffer kann vergütet werden, jedoch muss man sich im Klaren sein, dass hier eine entsprechende Gegenleistung erbracht wird. Innerhalb der Batterien finden während des Lade- und Entladevorgangs Redox-Reaktionen statt, die zu einer Degradation der Leistungsfähigkeit, also einer Abnutzung, führen können. Eine Rolle spielt dabei, wie tief und bei welchen Temperaturen entladen wird. Es gibt bereits gute Bewältigungsstrategien, die vor allem ein gutes Batterie-Management-System übernimmt. Doch theoretisch wächst die Wahrscheinlichkeit, dass etwas schiefgeht, dass etwa die Akkuleistung leidet, mit jedem Ladezyklus. Das muss transparent an die Bürgerinnen und Bürger kommuniziert werden.

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Die Mobilität der Zukunft funktioniert ganz anders als wir sie mit Verbrennungsmotoren kennen. Das Konzept geht nur auf, wenn die Menschen aktiv an der Energiewende teilhaben und ihre E-Autos zumindest teilweise als Puffer im Stromnetz zur Verfügung stellen.

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Jenny von Wnuck Lipinski
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ist Chemikerin und wissenschaftliche Referentin in der Abteilung für Elektromobilität und neue Antriebe. Sie beschäftigt sich mit den Themen Wasserstoff und Batterien und betreut Projekte des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).
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Portrait Jenny von Wnuck-Lipinski - DLR Projektträger
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Jens Erler: Der Ansatz, Mobilität und Energiewende zusammen zu denken hat immense Vorteile. So gibt es Studien, die darauf hinweisen, dass sich durch die Nutzung von bidirektionalem Laden die Netzausbau-Kosten um die Hälfte reduzieren lassen. Die Frage ist nur, welche Anreize man setzen kann, damit der Kunde sich auch an der Sicherung der Netzstabilität beteiligt? Letztendlich stellt man die eigene Fahrzeugbatterie zur Verfügung, um Netz-Dienstleistungen zu erbringen, was zu einer frühzeitigen Alterung führen kann. Diese Abnutzung muss für die Kunden kompensiert werden. Auch das wird in vom BMWK geförderten Projekten untersucht.

Ohne Wasserstoff geht es nicht

Evelyn Bargs-Stahl: Welche Rolle spielt der Wasserstoff-Antrieb in der Gesamtgemengelage?

Jenny von Wnuck Lipinski: Das entscheiden die Anwender. Die Wasserstoff-Brennstoffzelle an sich funktioniert sehr gut. Sie hat einen Wirkungsgrad von über 50 Prozent – ein Verbrennungsmotor nur 25 bis 35 Prozent. Außerdem ist die Technologie bereits so ausgereift, dass es unterschiedliche kommerzielle Angebote gibt. Einmal hergestellt, ist Wasserstoff speicherbar. Aber im Effizienz-Vergleich mit der direkten Elektrifizierung kann Wasserstoff nicht mithalten. Das liegt vor allem daran, dass Wasserstoff hergestellt werden muss, um ihn zu nutzen. Um die Aufspaltung in Gang zu bringen, muss ich also erst einmal Energie hineinstecken, und das führt letztlich dazu, dass der Prozess im Gegensatz zur direkten Nutzung des Stroms im elektrischen Fahrzeug energetisch deutlich weniger effizient ist. Die Umwandlung von Strom hin zum Medium grüner Wasserstoff bedarf der gleichen Ressourcen wie die Erzeugung von grünem Strom und ist damit ein konkurrierender Pfad der grünen Energienutzung. Wandeln wir nun mehrmals zwischen den Energieträgern hin und her, wie wir es bei Wasserstoff tun, geht Potenzial verloren.

Evelyn Bargs-Stahl: Warum wird die Wasserstoffforschung dann trotzdem vorangetrieben?

Jenny von Wnuck Lipinski: Für einzelne Bereiche kann die Anwendung eines Wasserstoffbrennstoffzelle im Zuge der Energie- und Mobilitätswende sinnvoll sein. Nehmen Sie die Luftfahrt zum Beispiel: Vereinfacht gesagt: Ein Flugzeug wäre mit aktueller Batterietechnik zu schwer zum Abheben. Deswegen setzt beispielsweise Airbus ab den 2030ern auf Wasserstoff.

Tania Hancke: Für Schiffe und Züge wird ebenfalls darüber nachgedacht. Und auch die Frage der Langzeit-Energie-Reserve können wir aufgrund der guten Speichereigenschaften nicht ohne Wasserstoff denken. 15 Millionen Elektrofahrzeuge liefern uns eine Energiereserve von acht Stunden, wenn wir allerdings eine langfristige Dunkelflaute überbrücken wollen, benötigen wir Reserven für mehrere Wochen. Man kann dafür riesige Batteriespeicher oder Schwungräder bauen. Mit Wasserstoff ist es aber am wirtschaftlichsten.

Jens Erler: Auch das ist Teil der Vision der Bundesregierung. Für boden- beziehungsweise straßengebundene Mobilität muss man allerdings klar festhalten: Der Fokus liegt nicht auf Wasserstoff. Trotzdem gibt es einige Fahrzeugklassen, bei denen sich der Ansatz rechnen könnte. Je schwerer ein Fahrzeug ist und je größer seine Reichweite sein muss, desto eher könnte Wasserstoff interessant sein. Das gilt möglicherweise für LKW oder Reisebusse, eventuell auch für Züge.

Batterie-Produktion neu gedacht: Von der Grundlagenforschung zur Anwendung

Evelyn Bargs-Stahl: Für die Nutzung von E-Fahrzeugen spielen Batterien eine große Rolle. Für ihre Herstellung werden teils knappe Rohstoffe benötigt, die Produktion an sich ist energieintensiv und setzt Emissionen frei. Wie passt das ins Bild?

Jens Erler: In diesem Zusammenhang sind Wertschöpfungsketten ein wichtiges Thema. Wir werden in Europa in Zukunft eine ganze Menge Batterie-Fabriken haben. Die werden jetzt alle definiert, geplant und bald gebaut. Die Herausforderung ist es, Produktions-Technologien zu entwickeln, die geringe Treibhausgas-Emissionen nach sich ziehen. Momentan beschäftigen wir uns in einem vom BMWK geförderten und von uns betreuten Projekt beispielsweise mit der Frage, wie man etwa bei der Trocknung von Batterien im Herstellungsprozess Energie reduzieren kann. Ein anderes Problem sind die Ressourcen: Nickel, Lithium, Kobalt und viele andere Rohstoffe. Unser Ziel muss es sein, diese Materialien möglichst effizient in Europa und in Deutschland zu fördern und dann die Batterien, am Ende Ihres Lebenszyklus‘ auch möglichst gut zu recyceln.

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Die Herausforderung ist es, den Übergang zwischen Grundlagenforschung und Anwendungsbezug zu schaffen.

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Dr. Tania Hancke
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arbeitet als wissenschaftliche Referentin in der Abteilung Energie- und Verkehrssysteme des DLR Projektträgers. Die promovierte Ingenieurin betreut vor allem die Projekte des Bundesverkehrsministeriums zum automatisierten, vernetzten Fahren.
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Portrait Tania Hancke - DLR Projektträger
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Tania Hancke: Im Labor-Maßstab gibt es viele Ansätze, die Herstellungsverfahren zu ändern. Aber diese Ansätze so hoch zu skalieren, dass es wirtschaftlich wird, ist eine echte Herausforderung. Zudem arbeiten unterschiedliche Hersteller mit unterschiedlichen Verfahren und Zellchemien, die zum Teil geheim sind. Um Wertschöpfungsketten zu optimieren, müssten diese Informationen zugänglich sein. Die Herausforderung ist es, den Übergang zwischen Grundlagenforschung und Anwendungsbezug zu schaffen. Genau dieser Wissenstransfer ist unsere Kernkompetenz und der Schwerpunkt der von uns umgesetzten Fördermaßnahmen.

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