Die zwei Leben der Auto-Batterie

Irgendwann ist fertig: Nach vielen Jahren im Alltagseinsatz sinkt die Kapazität von Auto-Akkus unter die Richtwerte. Um E-Mobilität langfristig möglichst nachhaltig zu gestalten, müssen sich Autohersteller deshalb jetzt schon der Nachhaltigkeits-Frage widmen: Wie geben wir unseren Batterien ein zweites Leben?

Erinnern wir uns an die berühmte Batterien-Werbung der 80er- und 90er-Jahre. Das Häschen trommelt und trommelt. Aber irgendwann würde auch dieses Spielzeugtier aufgeben, weil die beworbene Batterie nicht mehr funktioniert.

Einst viele Auto-Batterien, heute ein grosses Ganzes: Blick auf die zum Multi-Use-Speicher gewordenen gestapelten e-tron-Batterien am EUREF-Campus in Berlin. (AUDI)
Einst viele Auto-Batterien, heute ein grosses Ganzes: Blick auf die zum Multi-Use-Speicher gewordenen gestapelten e-tron-Batterien am EUREF-Campus in Berlin. (AUDI)

Es liegt in der Natur der Sache: Batterien und Akkus werden immer besser, funktionieren immer länger, und dies bei einer immer energieintensiveren Nutzung. Aber auch heute sinkt ihre Kapazität mit der Zeit, bis sie ihre Aufgabe nicht mehr genügend erfüllen können. Das mag bei einem Elektroauto noch in weiter Ferne liegen. Doch bei den Nachhaltigkeits-Fragen von morgen arbeiten die Ingenieure schon heute an Lösungen.

Ein jeder kennt es von seinem Smartphone: Nach zwei Jahren im Gebrauch entlädt sich der Akku schneller als nach einem Jahr. Wobei er sich nach einem Jahr schon schneller entladen hatte als beim Kauf.

Der gleiche Prozess findet auch bei den Batterien eines Elektroautos statt. Natürlich viel langsamer. Wie bei der regulären Fahrzeuggarantie auch gewährt Audi beim e-tron auf der Hochvoltbatterie eine Garantie, die sämtliche Mängel an Material und Herstellung abdeckt. Selbstverständlich ist die Garantiezeit nicht mit der Lebenszeit der Batterie gleichzusetzen. Die Werksgarantiefrist auf der Batterie des e-trons beträgt acht Jahre beziehungsweise 160’000 Kilometer.

Was, wenn die Batterie nicht mehr taugt?

Das Trommel-Häschen ist ein Beispiel, das Smartphone ein anderes. Die Frage nach dem Leben der Energiezellen stellt sich auch beim Elektroauto. Umso mehr, als in den Batterien viel Produktionsenergie und zahlreiche kostbare und nicht nur umweltfreundliche Rohstoffe stecken. Wer Elektromobilität als nachhaltig thematisiert, muss sich deshalb die Frage stellen: Wie verwende ich die Batterien weiter, die fürs Auto nicht mehr taugen?

180-Grad-Wende des Zwecks in Davos

Januar 2020, Davos: Die Elite aus Politik und Wirtschaft trifft sich am Weltwirtschaftsforum (WEF). Ebenfalls vor Ort: die offizielle Shuttle-Flotte von WEF-Partner Audi. Rund neunzig Prozent der Autos – also rund hundert Fahrzeuge – sind elektrisch angetrieben.

Die Audi-Flotte und der Lade-Container in Davos. (AUDI)
Die Audi-Flotte und der Lade-Container in Davos. (AUDI)

Geladen werden diese quasi durch ihre Vorgänger. In drei mobilen Ladestationen sind jeweils vier gebrauchte e-tron-Batterien verbaut. Exemplare, die nicht mehr genügend Speicherkapazität für den Einsatz im Strassenverkehr bieten, aber als Ladehilfe immer noch ihren Dienst tun. Quasi eine 180-Grad-Wende ihres Zwecks.

Eckdaten dieser Lösung: Jeder Container verfügt über eine Gesamtlade-Leistung von ungefähr 700 kW und über drei Lade-Säulen, die je 150 kW abgeben sowie eine Speicherkapazität von rund 1,0 MWh aufweisen. Dies in Kooperation mit dem Schweizer Technologieunternehmen ABB.

Eine ähnliche Zusammenarbeit gab es im Januar auch zwischen Audi und den Hahnenkammrennen in Kitzbühel, dem Grossanlass des Ski-Weltcups. Dort stand erstmals ein Lade-Container im Einsatz, in dem nicht ganze e-tron-Batterien, sondern einzelne Module verbaut waren.

Zahlreiche weitere Anwendungen an Grossanlässen waren oder sind geplant, zum Beispiel im Rahmen der Formel-E-Saison 2019/20. Da aufgrund der Corona-Krise aber die meisten Rennen der Elektro-Rennserie im Frühling und Sommer abgesagt werden mussten, gab es bislang auch weniger Verwendung für die nachhaltige Container-Lösung.

Jedenfalls: Eine Batterie ist eine Batterie. Ob sie sich nun im Auto befindet und dabei hilft, es zu bewegen. Oder ob sie ausserhalb dabei hilft, es aufzuladen. Findet der Energiespeicher so sein «zweites Leben», spricht man von einer «Second Life»-Batterie.

Schnittmodell einer Batterie des Audi e-tron. (AUDI)
Schnittmodell einer Batterie des Audi e-tron. (AUDI)

Warum entlädt sich eine Batterie denn?

 Aber wieso eigentlich das Ganze? Wir begreifen, dass Batterien mit der Zeit an Leistung verlieren, weil wir es ständig erleben. Was ist der Grund für diese kontinuierliche Entladung? 

Grob gesagt: In einer Batterie wird aus chemischer Energie elektrische Energie. Dies geschieht mittels der sogenannten Redoxreaktion, «Redox» ist ein Schachtelwort, das Reduktion und Oxidation kombiniert. Ein Pol gibt Elektronen ab (Oxidation), welche der andere Pol wieder aufnimmt (Reduktion). Deshalb die bekannten Plus- und Minus-Zeichen, deshalb auch die Wichtigkeit, eine Batterie in der richtigen Stellung in ein Gerät einzusetzen. 

Beim Ladevorgang oxidiert das Plus, beim Entladevorgang das Minus. Allerdings entstehen bei diesem Prozess auch Nebenprodukte. Anders gesagt: Es wandern niemals sämtliche Elektronen von Plus nach Minus oder umgekehrt. Einige von ihnen gehen Mal für Mal auf dem Weg «verloren», man könnte sagen, dass sie sich «verlaufen».

Das bedeutet: Mit der Zeit verlaufen sich immer mehr Elektronen. Die Zahl jener Elektronen, die von Plus nach Minus – und umgekehrt – wandern, wird tiefer und tiefer. Die Kapazität der Batterie nimmt deshalb ab.

Arbeiter verlegen im e-tron-Werk in Brüssel Hochvoltkabel. (AUDI)
Arbeiter verlegen im e-tron-Werk in Brüssel Hochvoltkabel. (AUDI)

Natürlich wussten Anbieter von E-Mobilität von Anfang an um diesen Nachteil der Redoxreaktion. Rund ums «Second Life» von Batterien wird dementsprechend nicht erst seit gestern geforscht. Im Fall von Audi ist eine Denkwerkstatt in Berlin ein entscheidender Treiber für kreative Lösung rund ums (Weiter-)Leben der Batterien.

Dieser Think Tank besteht aus 23 Mitarbeitern, 8 von ihnen arbeiten fix in der Denkwerkstatt, die 15 weiteren alternierend jeweils für ein halbes Jahr. Sie stammen aus anderen Abteilungen, von anderen Standorten, an die sie nach den sechs Monaten wieder zurückkehren.

Hauptfokus dieser cross-funktionalen Teams: Geschäftsmodelle und Dienstleistungen zur Weiterentwicklung des Unternehmens erarbeiten, insbesondere für den Weg zur «Digital Car Company». Eine wichtige Rolle spielt dabei die Vernetzung mit der Start-up- und Digitalbranche.

Die Denkwerkstatt von Audi in Berlin – rechts im Bild: Das Batterypack. (AUDI)
Die Denkwerkstatt von Audi in Berlin – rechts im Bild: Das Batterypack. (AUDI)

Eine Entwicklung dieses Teams war 2018 das Audi Batterypack. Ein roter Koffer, 15 Kilogramm schwer, im Handgepäck-Format, standardisiert. Drin: ein einzelnes Batteriemodul eines Audi e-tron, das dort sein «Second Life» verbringt. Sein Einsatz ist zum Beispiel im professionellen Handwerksbereich oder als als «Starterbatterie» für Elektroautos als denkbar.

Ein Speicher für das Symbol der Energiewende

Eine weitere Form von «zweitem Leben» gibt es am EUREF-Campus in Berlin zu sehen. EUREF steht fürs «Europäisches Energieforum», der Campus versteht sich als Symbol der Energiewende und als Cluster für Unternehmen aus den entsprechenden Themenfeldern. 2019 hat Audi dort einen Multi-Use-Speicher in Betrieb genommen, der ebenfalls aus früheren Autobatterien besteht.

Blick in den Energiespeicher am EUREF-Campus.
Blick in den Energiespeicher am EUREF-Campus.

Theoretisch kann der Speicher bei einer Kapazität von 1,9 mWh den ganzen Campus für rund zwei Stunden ohne Anschluss an ein Stromnetz mit Energie versorgen. Gleichzeitig erfüllt er eine Aufgabe, die nahe an der ursprünglichen Rolle der Batterien ist: Er versorgt Ladestationen für E-Autos mit Strom.

Daneben ist der EUREF-Speicher aber vor allem ein «intelligenter Puffer», der Netzschwankungen ausgleicht. Er reagiert auf Überkapazitäten im Stromnetz und nimmt dann überschüssige Energie ins Reservoir auf: Dann ist es beispielsweise nicht mehr nötig, deswegen Windkraftwerke in den Bundesländern um Berlin kurzfristig vom Netz zu nehmen. Umgekehrt hilft er dabei, das Netz bei Unterkapazitäten zu stabilisieren. Der Puffer verhindert also im extremsten Fall ein Blackout. 

Gegen Stromspitzen- und -baissen in Deutschland 

In einem ganz ähnlichen Zusammenhang hat Audi im Juni 2020 seine Zusammenarbeit mit Energie Baden-Württemberg (EnBW) bekannt gegeben. In einem ersten Schritt errichten die beiden Partner noch dieses Jahr auf dem Gelände des Heizkraftwerks Heilbronn einen Referenzspeicher aus gebrauchten Autobatterien, um die Möglichkeiten auszutesten.

«Second Life»-Batterien sollen in Baden-Württemberg unter anderem Stromspitzen aus der Windenergie auszugleichen helfen. (AUDI)
«Second Life»-Batterien sollen in Baden-Württemberg unter anderem Stromspitzen aus der Windenergie auszugleichen helfen. (AUDI)

Die Vision ist auch hier, dass die Batterienspeicher dabei helfen sollen, Hochs und Tiefs im Stromnetz auszubalancieren. Das Credo: Die Energie- und die Verkehrswende gehen Hand in Hand.

Sogar im eigenen Event-Center im Einsatz

Logischerweise setzt Audi die für den Strassenverkehr ausrangierten Batterien nicht nur für andere ein, sondern auch für sich selbst: zum Beispiel im Audi Brand Experience Center am Flughafen München.

Auf den ersten Blick stehen dort andere Anwendungen im Mittelpunkt: Die Solarzellen sind für jeden Besucher offensichtlich, deren 1650 sind es, Stromlieferanten für einen der grössten Ladeparks in Europa. Ein Plus des Gebäudes, das als Schulungszentrum und Event-Location dient, ist zudem sein Energiekonzept auf Basis von Geothermie.

Solarzellen in der Fensterfront: Das Audi Brand Experience Center am Münchner Flughafen. (AUDI)
Solarzellen in der Fensterfront: Das Audi Brand Experience Center am Münchner Flughafen. (AUDI)

Die Solarenergie entspricht dem Stromverbrauch von zehn Vier-Personen-Haushalten. Doch wie speichert man diese Energie? Dank zwei Batterien-Speichern, die aus ehemaligen Fahrzeug-Batterien erstellt wurden.

Das ist erst der Anfang 

Viele Beispiele zu «Second- Life»-Batterien sind solche aus den letzten zwölf Monaten: Das Audi Brand Experience Center wurde beispielsweise Ende 2019 vorgestellt. Das zeigt: Die Forschung und die Erkenntnisse zum Gebiet nehmen immer mehr Fahrt auf. Welche Möglichkeiten gebrauchte Auto-Batterien in fünf oder zehn Jahren bieten werden? Wir werden es sehen.

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