Freitag, 24 Mai 2024 11:59

Kolumne: Auf den Punkt gebracht – Gibt es Game Changer bei Batterien? – Kostenvergleich der Antriebsstrang Komponenten Verbrenner versus E-Auto

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Abb. 1: JAC Yiwei, das erste E-Auto mit Natrium-Ionen-Batterie. VW Beteiligung JAC hat die Massenproduktion in China gestartet Bild: JAC

Haben Sie schon einmal versucht ein E-Auto zu verkaufen? Das ist schwierig, wie Ihnen jeder Autohändler bestätigen wird; aber ein gebrauchtes E-Auto zu verkaufen ist fast unmöglich.

Zwei wesentliche Faktoren sind der schnell fortschreitende technische Fortschritt, vor allem der Batterietechnik und die immensen Reparaturkosten bei Ausfall wichtiger Komponenten wie der Batterie.

Entwicklungszeit Booster

Bei deutschen Herstellern lag bisher die Entwicklungsgeschwindigkeit für ein neues Modell bei mehr als 50 Monaten. Tesla schafft 18 - 24 Monate und chinesische Hersteller liegen bei etwa 14 – 18 Monaten Entwicklungszeit. Nun machen auch deutsche Hersteller ihren Entwicklungsabteilungen Dampf und wollen die Entstehungszeit für neue Modelle auf 36 Monate reduzieren.

Fabless E-Auto Hersteller in China

Bei neuen E-Auto Herstellern entsteht ein ähnliches Geschäftsmodell wie in der Halbleiterbranche mit Fabless IC Herstellern wie Nvidia, AMD oder Qualcom. Diese konzentrieren sich auf Design und Sales ihrer Chips, haben aber die Waferproduction, das Testing und Packaging an Drittfirmen ausgelagert.

China hat im letzten Jahr 26,1 Mio. PKW und etwa 4 Mio. Nutzfahrzeuge gebaut. Dem gegenüber besteht laut Insidern eine Kapazität von 42 Mio. Fahrzeugen. Dies nutzen die vorgenannten Fabless E-Autohersteller und lassen den E-Motor, die Batterie, die Leistungselektronik bis zum Fahrgestell und Chassis von Fremdfirmen produzieren.

Kostenvergleich der Komponenten von E-Auto versus Benziner

Für einen etwa 140 KW/190 PS starken Mittelklasse Wagen ergeben sich folgende Kosten. Ein Benzinmotor kostet 3000 bis 4000 €. Demgegenüber kostet ein permanenterregter Synchronmotor 1200 bis 1400 €, dazu kommt die Leistungselektronik mit 800 bis 1200 €, d. h. insgesamt 2200 bis 2400 €.

Mit 300 € ist das Eingang-Getriebe für ein E-Auto sehr günstig, während ein Doppelkupplungsgetriebe bei einem Verbrenner mit 2100 € in die Kalkulation eingeht.

Andersherum sieht es beim Energiespeicher aus. Bei den in Deutschland am häufigsten verbauten Lithium-Ionen-Batterien mit Nickel-Mangan-Cobalt Kathode (Abb. 2,3,4) schlagen vor allem die Rohstoffpreise zu Buche. Lithium-Ionen Batterien sind Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) in Bezug auf die Energiedichte in Wattstunden pro Kilogramm Batteriegewicht überlegen, haben aber auch den höchsten Preis. Rund 90 € pro kWh sind die Kosten auf Zellebene und 128 € pro kWh auf Batteriepack-Ebene.

Eine 60 kWh Batterie kostet etwa 8000 €, der Benzintank nur ganze 100 €. Identisch sind die Kosten für die Heizung und Kühlung mit jeweils 1000 €.

Zusammengefasst ergeben sich etwa 11600 € für den Antriebsstrang bei einem E-Auto versus 6200 bis 7200 € für den Antriebsstrang eines gleichstarken Verbrenners.

Etwa 25% kostengünstiger sind LFP Batterien, die aber nur eine Batteriedichte von 160 kWh/KG haben, also mehr Platz und Gewicht für die gleiche Reichweite benötigen. Lithium-Eisenphosphat-Batterien werden zum Beispiel in folgenden Modellen verbaut:

BYD: Seal, Atto 3, Han, TANG
Tesla: Model 3 Hinterrad-Antrieb, Model Y Hinterrad-Antrieb
MG: MG4 Standard, ZS EV Standard, MG5 Electric Standard
ORA: ORA Funky Cat 48 kWh

Abb. 2: Höchstkurse pro Jahr für Kathodenmaterial Nickel in $/t

Abb.3: Durchschnittspreis für Kathodenmaterial Mangan in $/t

Abb. 4: Durchschnittspreis für Kathodenmaterial Kobalt in $/t

Audi kontert mit Spitzentechnologie

Der neue Batterie-Pack von Audi besteht aus 12 Zellmodulen mit je 15 prismatischen Zellen. Gesetzt hat man dabei auf die NMC 811 Technologie mit einer Kathoden Chemie basierend auf 80 % Nickel, 10 % Mangan und 10 % Cobalt. Dabei erreicht man eine außergewöhnliche Energiedichte von 300 Wh/kg auf Zellen-Level. Der Energieinhalt des Systems beträgt 100 kWh mit einem Spannungspegel von 800 V, die eine Reichweite von 625 km zulässt.

Audi versucht sich hiermit vom chinesischen Massenmarkt Technologie abzusetzen.

Abb. 5: Aufbau des Audi A6 e-tron Batteriesystems mit 300 Wh/kg Energiedichte

Game Changer: Natrium-Ionen-Batterie?

Die Natrium-Ionen-Batterie könnte ein Game Changer werden. Sie ist bis zu 40 % günstiger (Ziel 50 $/kWh) als Li-Ionen-Akkus. Dazu unabhängig von kritischen Materialien wie Cobalt oder Lithium, das unter problematischen Verhältnissen gefördert wird. Auch die Brandgefahr ist bei diesem Typ wesentlich geringer, der außerdem weniger Wärme abstrahlt, also engere Packungsdichte der Zellen zulässt.

Erste Fahrzeug Serien wie der JAC Yiwei EV sind seit einigen Monaten auf dem Markt (Abb. 1). Die Kapazität der Batterie beträgt 25 kWh bei einer Energiedichte von 120 Wh/kg. Die Reichweite soll 252 km nach dem chinesischen Standard E10X betragen. Auch BYD will mit dem Typ Seagull bald folgen, ebenso wie Weltmarktführer CATL, die beide erheblich in diese Batterie-Technologie investiert haben.

Auf den Punkt gebracht

Die Entwicklungszeiten für einen neuen Autotypen betragen mit 14 - 24 Monaten bei chinesischen Herstellern und Tesla etwa die Hälfte deutscher Hersteller, die von 50 Monaten als neues Ziel 36 Monate anstreben
Die Komponenten-Kosten für ein Mittelklasse E-Auto mit 140 KW/190 PS Leistung betragen für den kompletten Antriebsstrang einschließlich Batterie und Elektronik etwa 11600 €. Die Kosten für einen gleichstarken Verbrenner inklusive Motor, Doppelkupplungsgetriebe, Tank etc. betragen etwa 6500 €
Die preistreibenden Rohstoffkosten von Lithium, Mangan, Cobalt, Nickel sind nach Rekordständen in 2021/2022 wieder auf relatives Normalmaß zurückgekehrt. Lithium Carbonat erreichte in 2022 einen Spitzenpreis von 80 000 $/t. Anfang diesen Jahres wurden weniger als 14000 $/t bezahlt
Die gerade in China begonnene Massenproduktion von Natrium-Ionen- Akkus könnte ein Game Changer werden. Akku-Preisziele von deutlich < 50 € pro Wh und fehlende Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen sind Hoffnungsträger

Wer die Abbildung 6 Energiedichte in Wh/kg betrachtet, erkennt, dass hier noch ein ordentliches Stück Entwicklungs-Weg zu bestreiten ist. Für 1000 km Fahrstrecke verbraucht ein moderner Diesel Pkw ca. 50 kg (61 l) Kraftstoff, ein Wasserstoff Fahrzeug kommt mit etwa 7 kg H₂ aus. Ein E-Auto benötigt bei einem Verbrauch von 18 KWh/100 km rund 180 KWh. Eine entsprechende Batterie für eine Non-Stop Fahrt würde also mindestens 750 kg wiegen und heute etwa 25.000 € kosten.

Abb. 6: Energiedichte in Wh/kg Batteriegewicht bzw. Treibstoffgewicht