Mehr als eine Batterie

Um einen echten Wandel im Mobilitätssektor herbeizuführen, reicht es nicht aus, einen leistungsstarken und effizienten Elektromotor zu entwickeln. Es bedarf eines systemischen Ansatzes, der Faktoren wie den Energiemix und die Gestaltung des Lebenszyklus in die Gleichung einbezieht. Ein gutes Beispiel ist das Batterie- und Energiemanagementsystem von Deep Blue.

Auf der ganzen Welt arbeiten Wissenschaftler an dem Energiespeicher der Zukunft. Am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge bei Boston entsteht zum Beispiel eine Festkörperbatterie, die eine höhere Energiedichte haben könnte als moderne Lithium-Ionen-Akkus. Eine Arbeitsgruppe deutscher Forschungsinstitute am Helmholtz-Institut Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung erwartet in den nächsten Jahren marktreife Natrium-Ionen-Batterien. Und es gibt weitere Kandidaten für neuartige Stromspeicher: Magnesium-Luft, Nickel-Zink, Kalzium oder Aluminium. Am Schweizer Forschungsinstitut Empa spricht man schon vom Zeitalter der „Post-Lithium-Technologien“.

Der Hintergrund des milliardenschweren Forschungswettlaufs: Während sich die maximale Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien in den vergangenen zehn Jahren mehr als verdoppelt hat, sind die Grenzen des technisch-physikalisch Machbaren irgendwann erreicht. „Für die Mobilitätswende brauchen wir leistungsstarke Batterien, die mit Ökostrom geladen werden“, sagt Dr. Ralf Plieninger, Geschäftsführer beim Weltmarktführer für Elektromobilität auf dem Wasser. Im Torqeedo Headquarter werden diese globalen Forschungsaktivitäten deshalb genauestens analysiert. „Weiterentwicklungen der Batterietechnik werden dafür sorgen, dass Elektromobilität für neue Anwendungsfelder praktikabel ist“, so Plieninger. „Der Anteil klimaneutraler Mobilität wird sich dadurch erhöhen.“ Der Optimismus und diese gewisse Gelassenheit, die aus diesen Worten sprechen, haben zwei Gründe: Zum einen verwendet Torqeedo schon heute leistungsstarke Deep Blue Batterien mit BMW i3 Technologie. Die Kapazität der Module erhöht sich in regelmäßigen Abständen – zuletzt um 34 Prozent bei gleichem Footprint.

Zum anderen ist „Torqeedo ein Hersteller von elektrischen Antriebssystemen“, wie Thomas Wiedemann, Vice President Program Management, sagt. Der Systemgedanke ist zentraler Bestandteil der Strategie: Torqeedo garantiert für die Deep Blue Batterien, dass diese nach neun Jahren immer noch mindestens 80 Prozent der ursprünglichen Kapazität aufweisen. Wem das nicht ausreicht und wer bereit ist, die Deep Blue Batterie im Jahr 2030 aufzurüsten, kann sein Boot möglicherweise mit Brennstoffzellen oder Festkörper-Lithiumbatterien betreiben. „Aber der elektrische Antriebsstrang und das Energiemanagementsystem des Bootes bleiben bestehen, und man kann einfach neue Energiespeicher hinzufügen“, so Wiedemann. „Sobald eine neue Technologie marktreif ist, ist unser System bereit dafür.“

Windräder auf dem Fabrikdach
Elektromobilität ist vor allem dann klimawirksam, wenn die Batterien so nachhaltig produziert und geladen werden wie möglich. „Es ist ein gutes Zeichen, dass auf den Fabriken unseres Batterielieferanten BMW große Windräder stehen“, sagt Thomas Wiedemann. „Der CO2-Footprint unserer Batterien ist auch deshalb besser als der Footprint der Batterien der chinesischen Hersteller.“ Aber das ist nicht der einzige Grund, warum Torqeedo seit Jahren mit dem Münchner Automobilkonzern zusammenarbeitet – die von BMW hergestellten Batterien haben eine hohe Energiedichte, eine lange Lebensdauer und werden nach höchsten Qualitäts- und Sicherheitsstandards hergestellt. Außerdem liegen zwischen den Firmensitzen nur 20 Kilometer, und auch strategisch denkt man in eine ähnliche Richtung.

„Für uns ist es wichtig, dass Recycling von Beginn an mitgedacht wird und wir einen geschlossenen Kreislauf etablieren“, erklärt Wiedemann. „Durch eine Partnerschaft mit einem Weltkonzern wie BMW können wir das erreichen. Und wir sind in der Lage, einen positiven Einfluss auf die Lieferketten auszuüben und dafür zu sorgen, dass Metalle wie Lithium und Kobalt mit minimaler Schädigung von Menschen und Umwelt gewonnen und verarbeitet werden.“
BMW kauft das gesamte Kobalt und Lithium, das für die Herstellung von Batterien benötigt wird, direkt ein. Dann werden die Zellen von Samsung nach den hohen Standards von BMW hergestellt. So wird sichergestellt, dass die Lieferketten transparent sind und den Werten unserer Unternehmen entsprechen – und dass die Versorgungssicherheit garantiert ist. Gemeinsam mit Samsung, BASF und der Deutschen Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) hat BMW außerdem eine Initiative für nachhaltige Kobaltgewinnung im Kongo gestartet.

BMW plant bei der Batterieproduktion mit einer Recyclingquote von 90 Prozent – und würde EU-Regulierungen damit übererfüllen. Die BMW Group arbeitet seit Kurzem auch mit Energiekonzernen wie Northvolt und Umicore zusammen, um einen geschlossenen Lifecycle-Kreislauf für nachhaltige Batteriezellen in Europa zu schaffen. Auf dem Weg dorthin sind mehrere Schritte zu berücksichtigen:

• Batteriezellen müssen so designt und in Fahrzeugen verbaut werden, dass sie nach Gebrauch leicht zu entfernen und zu zerlegen sind.
• Die Batterien sollten mit erneuerbaren Energien produziert werden.
• Ältere Batterien, die nicht mehr für den Einsatz im Mobilitätsbereich geeignet sind, können als stationäre Speichersysteme eingesetzt werden. In der BMW Fabrik Leipzig ist eine sogenannte Speicherfarm in Betrieb, die aus 700 alten BMW i3 Batterien besteht. Die Anlage gleicht die Energiespitzen und -täler der Windenergieerzeugung aus, indem überschüssige Energie in Zeiten hoher Produktion gespeichert und bei Windstille verteilt wird.
• Wenn auch das zweite Leben der Batterie zu Ende geht, mehr als 20 Jahre nach ihrer Herstellung, wird sie demontiert und die Rohstoffe werden zurückgewonnen. Ein Kreis schließt sich.

Laut einer Studie des Öko-Instituts könnten 2030 bereits zehn Prozent des weltweiten Lithium- und Kobaltbedarfs aus Recycling stammen. Im Jahr 2025 werden die ersten Batterien, die für die Elektromobilität verwendet werden, das Ende ihres Lebenszyklus erreichen, wodurch endlich genügend Rohstoffe für einen Batterie-Recycling-Markt zur Verfügung stehen werden. Bis 2050, wenn dieser Markt etabliert ist, schätzt die Studie, werden 40 Prozent des verwendeten Lithiums und Kobalts aus recycelten Quellen stammen.

Die Batterie als Investitionsgut
„Die Batterien bringen einen Nutzen über mehrere Jahrzehnte“, sagt Thomas Wiedemann. Und das passt ganz grundsätzlich zum Bootsbereich, in dem man typischerweise eher in Jahrzehnten rechnet und nicht – wie bei Autos – in kurzen Zeiträumen. Wenn man nach zehn, 15 Jahren die Batterie auf dem Boot ersetzt, kann man über die Datenschnittstelle viel über den Gebrauch und den Status ablesen. „Es wird einen Zweitmarkt für Batterien geben“, sagt Wiedemann. „Wenn man zum Beispiel in Mitteleuropa ein Boot mit Elektromotor vor allem an Sommerwochenenden nutzt“, rechnet er vor, „dann kommt man auf zwölf bis 15 volle Ladezyklen pro Jahr – und hat nach fünf Jahren, wenn ein Upgrade ansteht, eine fast brandneue Batterie.“ Durch ihre hohe Restkapazität werden die Bootsbatterien sehr attraktiv für Energiefarmen sein – die Batterie als Investitionsgut.

Das Lithium-Zeitalter geht nicht allzu bald zu Ende. Laut einer Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI könnte sich die Reichweite von Elektrofahrzeugen in den kommenden zehn Jahren durch höhere Energieeffizienz und eine verbesserte Energiedichte der Batterien bei gleicher Akkugröße verdoppeln.

Wenn die Torqeedo Ingenieure sich mit den BMW Kollegen über den Stand der Forschung austauschen wollen, müssen sie nicht weit fahren. Im 2019 eröffneten Kompetenzzentrum Batteriezelle von BMW in München werden Batteriezellen der nächsten Generation entwickelt. Im Fokus stehen Funktionen wie Energiedichte, Verbesserung der Lebensdauer, der Ladeeigenschaften und des Verhaltens bei unterschiedlichen Temperaturen, die auch für die Elektromobilität auf dem Wasser zentral sind. In einem hauseigenen Sicherheitslabor werden Batteriezellen auf Widerstandsfähigkeit unter extremen Bedingungen getestet. Im BMW Werk im bayerischen Dingolfing werden die Batteriezellen von Elektrotechnik-Experten manuell zu Modulen kombiniert und von Industrierobotern verschweißt – eine hochpräzise Hightech-Choreografie.

Hochpräzise Hightech-Choreografie
Die Deep Blue Batterien und Batteriezellenmodule werden dann in das Torqeedo Werk südlich von München geliefert. Die Module werden zur Herstellung der 48 Volt Power Batterien von Torqeedo verwendet, die in den Cruise Motorsystemen des Unternehmens zum Einsatz kommen. Jede Batterie wird in einem letzten Schritt auf Wasserdichtigkeit und Qualität geprüft. „Wir schätzen BMW Batterien“, sagt Torqeedo Geschäftsführer Ralf Plieninger, „weil sie sicher, leistungsstark und wertig sind.“
Die Zusammenarbeit der beiden bayerischen Pioniere ist ein eingespielter Prozess. „Während der Integration der Batterien in das Torqeedo Energiemanagementsystem haben wir viel investiert, um es zu optimieren“, erzählt Thomas Wiedemann. So erarbeitete die Entwicklungsabteilung von Torqeedo einen Aufhängungsrahmen, durch den die BMW Batterien gegen die Erschütterungen geschützt sind, die im maritimen Einsatz immer wieder auftreten. „Und wir haben viel Software geschrieben, damit unser System über eine Datenschnittstelle reibungslos mit der Batterie kommuniziert. Das war ein großer Schritt.“

Umweltfreundliches Bootfahren ohne Kompromisse – und so soll es auch sein. „Das sind die großen Vorteile der seriellen Herstellung“, sagt Thomas Wiedemann. „Die Produkte sind verlässlich, austauschbar und ermöglichen Upgrades.“ Ein solches System ist bereit für den nächsten technologischen Durchbruch.