Warum Batterien für Elektrofahrzeuge immer günstiger und sauberer werden

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Es gibt immer noch viele Menschen in der Automobilindustrie und viele politische Entscheidungsträger, die Zweifel an der Zukunft vollständig batterieelektrischer Fahrzeuge (BEV) hegen. Sie wissen nicht, warum die Batterien von Elektrofahrzeugen immer billiger und sauberer werden, und sie sehen nicht, warum sie wirklich reichlich vorhanden sein werden. Der Gedanke ist, dass sie jetzt zu teuer sind und auch in Zukunft zu teuer sein werden. Diese Zyniker denken auch oft, dass sie zu schmutzig sind, um jetzt zu produzieren, und dass sie es auch in Zukunft sein werden, dass sie jetzt zu schwer sind und in Zukunft zu schwer sein werden. Und nicht zuletzt glauben sie, dass BEVs derzeit knapp sind und in Zukunft nicht mehr verfügbar sein werden.

Mithilfe des Wright-Gesetzes, des Moore-Gesetzes für Batterien und der Daten des United States Geological Survey (USGS) können alle Schreckensgeschichten, die diese Zweifel nähren, entlarvt werden. Gemeinsam können wir sehen, dass Batterien billiger, sauberer, leichter und reichlich vorhanden sein werden.

Das Mooresche Gesetz ist eine Technologiekostenkurve

Eine Technologiekostenkurve (TCC) beschreibt, wie sich die Produktionskosten und Kapazitäten einer Funktionalität oder eines Produkts im Laufe der Zeit entwickeln. Es prognostiziert nicht nur einen Kostenrückgang, sondern auch eine Kapazitätssteigerung. Die bekannteste Technologiekostenkurve ist das Mooresche Gesetz. Darin wird die Entwicklung der Rechenleistung als Halbierung der Kosten und Verdoppelung der Anzahl der Transistoren auf einem integrierten Schaltkreis (IC) alle 18 Monate beschrieben. Es ist eine gerade Linie im logarithmischen Maßstab.

Die Symmetrie dieses TCC macht ihn so bemerkenswert und einfach zu bedienen. Nicht alle TCCs sind so schön; Bei der Batterie halbieren sich die Kosten alle fünf Jahre und die Dichte verdoppelt sich alle zwölf Jahre.

Der Input für eine Technologiekostenkurve ist der stetige Fortschritt der Wissenschaft im Laufe der Zeit. Die durchschnittliche Zeit für den Transfer neuen Wissens in die Technologie beträgt etwa 10 Jahre. Wenn man sich also die anwendbaren neuen wissenschaftlichen Erkenntnisse ansieht, die einen TCC für die nächsten 10 Jahre gültig machen.

Wrights Gesetz und Lernkurve (Erfahrungskurve)

Andere Leute benutzen Wrights Gesetz Kostenrückgang vorherzusagen. Das Wrightsche Gesetz beschreibt eine S-förmige Erfahrungskurve. Darin heißt es, dass bei jeder kumulierten Verdoppelung der produzierten Einheiten die Kosten um einen konstanten Prozentsatz sinken. Mit anderen Worten: Je mehr Erfahrung man mit der Herstellung eines bestimmten Produkts hat, desto schneller und kostengünstiger lässt es sich produzieren. Dies wird am Anfang schnell gehen und später langsamer. Im Gegensatz zum Mooreschen Gesetz geht es dabei nicht um die Zeit, sondern nur um produzierte Einheiten.

Nicht nur der Preis ist wichtig, sondern auch die geplante Kapazitätsentwicklung

Beide Arten von Gesetzen entstanden aus der Beobachtung des Preisverfalls im Laufe der Zeit. Bei der Suche nach einem Kausalzusammenhang sah Wright einen Zusammenhang mit der kumulierten Produktionsmenge, Moore mit der Zeit. Ein Schlüssel ist die Geschwindigkeit, mit der sich die wissenschaftlichen Erkenntnisse weiterentwickelten.

Wrights Gesetz und TCCs gibt es unterschiedliche Fälle, in denen sie am besten angewendet werden. Das Wrightsche Gesetz ist auf komplexere Produkte anwendbar. Es hat seinen Ursprung in der Luftfahrtindustrie, als man die Kosten und die Geschwindigkeit beobachtete, mit denen Flugzeuge hergestellt wurden. Es gilt auch für Kernkraftwerke und Autos. TCCs eignen sich im Allgemeinen am besten für Einzelteile wie Chips, Festplatten und Batterien.

Technologiekostenkurven wie das Mooresche Gesetz berücksichtigen mehr Aspekte als nur den Preis. Das Mooresche Gesetz beschreibt auch die Anzahl der Transistoren und damit die Leistung. Oft war es wichtiger als das Preisniveau, zu wissen, wie hoch die zukünftige Kapazität von Chips in zehn Jahren sein könnte. Diese Informationen bestimmten den Zeitplan für das Design von Produkten mit langen Entwicklungszeiten, wie etwa Smartphones.

Bei Batterien ist es auch wichtig zu wissen, welche Kapazität zu erwarten ist

Für Batterien und ihre Anwendungsfälle gibt es vergleichbare Situationen. Zur Veranschaulichung: Die Dichte verdoppelt sich alle 12 Jahre und die Preissenkung für Elektrofahrzeugbatterien beträgt alle 5 Jahre 50 %. Umgerechnet auf das Jahr 2030 im Vergleich zu 2020 können wir eine Batterie mit gleichem Gewicht und fast doppelter Kapazität zum halben Preis oder mit halbem Gewicht und gleicher Kapazität für ein Viertel des Preises haben.

Diese Informationen können die Planung neuer Produkte leiten. Wir wissen beispielsweise, welche Dichte (400 kWh/kg) für Kurzstrecken-Kleinflugzeuge benötigt wird. Für die Wahrscheinlichkeit, dass Flugzeuge vom Typ Boeing 737 oder Airbus A320 mit Batterien auf Strecken bis zu 1.000 km und später 2.000 km fliegen, sind deutlich mehr als 400 kWh/kg nötig.

Heutzutage machen Batterietechnologietrends vollelektrische Pickup-Trucks und Sattelzugmaschinen für den Fernverkehr möglich. In zwei bis vier Jahren können die in Europa und Asien beliebten Kleinwagen ausreichend große Batterien zu einem akzeptablen Preis bekommen. Das Abschleppen eines Wohnwagens oder Bootes im Urlaub wird für den Chevy Bolt oder Nissan LEAF der nächsten Generation (oder deren Nachfolger) kein Problem sein.

Und anders als diese Technologieverbesserungsgesetze vorhersagen, werden sie auch schneller und sicherer sein und dabei weniger knappe Rohstoffe wie Kobalt verbrauchen. Das wissen wir, weil es das ist, was Unternehmen wie CATL, BYD, Tesla und andere Batteriehersteller jetzt tun.

Es ist möglich, genügend Batterien zu produzieren

Die Erwartung, dass Batterien nicht in den von der Industrie benötigten Mengen verfügbar sein werden, ist so alt wie beim Toyota Prius. Ursprünglich ging man davon aus, dass es einfach nicht genug abbaubares Lithium gab, um überhaupt einen großen Teil der Autoflotte durch Prius-ähnliche Fahrzeuge zu ersetzen. Nun ist es der Mangel an Minen und Verarbeitungskapazitäten für die Rohstoffe, der den Übergang zum rein elektrischen Fahren verlangsamt. Entgegen allen Prognosen von Branchenexperten gelang es der Branche jedoch, die Produktion etwa so schnell zu steigern, wie die Nachfrage stieg. Allerdings rückt der Zeitpunkt, an dem die prognostizierten Engpässe zum Problem werden, immer näher. Wenn die Industrie jedoch weiterhin die Eröffnung neuer Minen vorantreibt und die Verarbeitungskapazität erhöht, ist es möglich, dass dieser Moment auf unbestimmte Zeit in der Zukunft bleibt.

Laut USGS sind genügend Lithiumreserven und -ressourcen vorhanden, um dreimal so viele Batterien herzustellen, wie für den gesamten Landtransport erforderlich sind. Dies gilt ohne Vorkommen und andere Lithiumquellen, die aus verschiedenen Gründen nicht in Betracht gezogen werden. Über vermeintliche Lithiumknappheit folgt ein separater Artikel.

Es ist sauberer, Batterien herzustellen, als wir denken …

… aufgrund der Nachfrage nach grüner Energie, reduzierter Transportkosten und neuer Technologie.

Die Annahmen rund um das CO₂ Der Fußabdruck der Batterieproduktion ist systematisch zu hoch.

Das erste Missverständnis vieler ist, dass CO₂ Die Produktion ist nicht wie bei der Verarbeitung von Eisenerz zu Eisen und Stahl Teil des Batterieproduktionsprozesses.

Das zweite Problem besteht darin, dass die Schätzung von CO₂ Die Produktion der verbrauchten Energie orientiert sich an den branchenüblichen Standards. Dennoch verlangen grüne Unternehmen häufig umweltfreundliche Produkte, die mit grüner Energie hergestellt werden, und produzieren daher weniger CO₂. Wenn ausschließlich grüne Energie aus Wind, Wasser oder Sonne genutzt wird, entsteht kein CO₂ Produktion überhaupt. Aluminium kann beispielsweise aus einer Anlage in Island stammen, die Geothermie nutzt. Die Gigafactory in Nevada nutzt ausschließlich Wasserkraft und einen Teil der Energie von den Solarpaneelen auf dem Dach. CATL verfügt über eine emissionsfreie Batteriefabrik.

Ein drittes Problem besteht darin, dass einige Studien auf älteren, kleineren und ineffizienten Batterieanlagen basieren und den Energiebedarf viel zu hoch einschätzen.

Darüber hinaus wurden die Transportkosten erheblich gesenkt. Der Business Case für die Tesla-Gigafabrik in Nevada bestand darin, dass die Batteriematerialien zweimal um die Welt reisten, bevor sie in ein Auto eingebaut wurden. Durch die Zentralisierung der Produktion und die Verkürzung der Lieferwege könnten die Kosten und der CO2-Ausstoß erheblich gesenkt werden₂ vom Transport. Jetzt sehen wir Initiativen zur lokalen Verarbeitung aller in Batterien verwendeten Materialien, wodurch der Transport weiter verkürzt wird.

Und neue Technologien reduzieren CO₂ Emissionen für die Produktion von Elektrofahrzeugbatterien noch weiter erhöhen. Beispielsweise verbrauchen die von Tesla und Fraunhofer unabhängig voneinander eingeführten Trockenelektrodentechnologien, die von einer Reihe von Batterieherstellern verwendet werden, nur 1/10 der Energie des Prozesses, den sie ersetzen.

Weil CO₂ Da die Produktion nicht Teil des Batterieproduktionsprozesses selbst ist, kann die Batterieproduktion im Laufe der Zeit zu 100 % umweltfreundlich werden. Ich wette, dass Bergbau und Transport wahrscheinlich die letzten CO-Quellen sein werden₂ Produktion eliminiert werden.

ESG trägt zur Reduzierung der CO2-Emissionen bei

Ein zusätzlicher Impuls kommt von der ESG-Berichterstattung (Umwelt, Soziales und Unternehmensführung), die viele Unternehmen mittlerweile in Verbindung mit ihrer jährlichen Finanzberichterstattung erstellen. Die ESG-Berichterstattung ist ein neues Phänomen und variiert zwischen erwartet und vorgeschrieben. Es geht nicht nur um die Anzahl der Frauen im Vorstand. Es wird über „handwerkliche“ Kinderarbeit in der Kobaltindustrie, dem Holz, das für den Bau von Gebäuden verwendet wird, und Maßnahmen zur Verringerung des Treibhausfußabdrucks berichtet. Es wird oft als Greenwashing bezeichnet, aber für dieses Greenwashing muss ein Unternehmen etwas tun, und das hilft, umweltfreundlichere Produkte herzustellen.

Der menschliche Faktor

Der einzige Zweifel, der über die Zukunft des Transports mit Batterien besteht, ist, ob die Menschen dies akzeptieren werden. Sind zu viele Menschen nicht bereit, sich von dem Klang ihres ICE zu verabschieden, der der Nachbarschaft zeigt, wie cool der Fahrer ist? Werden sie ein Schaltgetriebe mit mindestens 6 Gängen verlangen? Sind sie süchtig nach Benzingeruch und regelmäßigen Besuchen an der Tankstelle? Oder zahlen sie vielleicht lieber den dreifachen Preis pro Kilometer/Meile für das Privileg, ein Wasserstoff-Brennstoffzellenauto fahren zu dürfen?

Menschen sind wankelmütig – oft lässt sich nicht vorhersagen, wofür sie sich entscheiden werden. Aber ich habe den Verdacht, dass es sich in diesem Fall um batterieelektrisches Fahren handeln wird.

Geschrieben in Zusammenarbeit mit Jolanda Vinkhuyzen.