BMW Formel E Genf 2019
Wird die Batterietechnik von morgen bereits heute in der Formel E eingesetzt?
Auf der Rennstrecke von Monteblanco in Spanien, hinter verschlossenen Toren und abseits der Presse, rollten einige der weltweit größten Rennteams eine neue Generation von Elektroautos für einen zweitägigen Test auf die Strecke.
Hinter jedem Fahrer, umhüllt von Glasfaser, verbarg sich der fortschrittlichste Batteriepack der Welt. Er wurde entwickelt, um in der nächsten Saison der Formel E, einer vor vier Jahren eingeführten vollelektrischen Meisterschaft, die bereits die Formel 1 als faszinierendsten Motorsport konkurriert, mit hoher Geschwindigkeit auf unebenen Straßen zu fahren.
Elektroautos sind nicht ideal für den Rennsport. Obwohl sie sauber sind, fehlt ihnen das Gebrüll von F1-Motoren und sie klingen stattdessen wie eine Waschmaschine mit vollem Spin. Das Aufladen ist auch weniger einfach als das Tanken mit Benzin, so dass die Fahrer Mitte des Rennens in neue Autos steigen.
Doch das Treiben um Elektroautos hat die größten Automobilhersteller der Welt, darunter Renault, Audi und Jaguar, zu Rennen in den angesagtesten Städten der Welt, darunter Rom, New York und Berlin, geführt. F1 hat eine riesige Fangemeinde von 1,4 Milliarden, hat sich aber den Ruf erworben, dass es sich um einen Stau und kein Überholen handelt, während die Formel E sich in jeder Saison verbessert hat und ihr Publikum von 65 auf 200 Millionen erhöht hat.
Porsche, Mercedes-Benz und Aston Martin wollen alle neue Teams aufstellen. Treibende Kraft für diese Erfolge ist die Batterietechnologie, die in der Formel 1 begann. Williams, eines der ältesten Teams der F1, erfand ein Schwungradsystem, das die Energie des Bremsens aufnahm und in einen elektrischen Schub umwandelte, indem es Autos aus Kurven in die Geraden katapultierte. Williams führte die Technologie kommerziell ein, bevor das Unternehmen sie an GKN, einen 11 Milliarden Dollar schweren Maschinenbaukonzern mit Sitz in Großbritannien, verkaufte.
Bei Wein, Linguine und Pistazienbiscotti in einem italienischen Restaurant in Paris hatte sich eine Gruppe von Politikern und Motorsportbossen, darunter der ehemalige Ferrari-Chef Jean Todt und EU-Kommissar Antonio Tajani, unterdessen auf die Einführung einer Elektroversion der Formel 1 geeinigt, und Williams wurde mit dem Bau der Batterien beauftragt.
Es wurden sechs Monate für einen Prototyp und nur ein Jahr für die Rennbereitschaft gegeben, aber in der ersten Saison legte jedes Auto eine Strecke zurück, die größer war als der Erdumfang, angetrieben von Batterien, die ein iPhone 13 Jahre lang in Betrieb halten konnten.
Die Verbesserungen seit der Einführung zeigen das Tempo des Wandels. Das Batteriedesign ist ein Kompromiss zwischen Leistung, Reichweite und Brandschutz, aber in vier Jahren sind die Geschwindigkeiten in der Formel E von 137mph auf 186mph gestiegen, während sich die Reichweite von 17 auf 39 Runden mehr als verdoppelt hat.
Jedes Team darf seinen eigenen Motor und sein eigenes Getriebe bauen, aber jedes Auto hat eine identische Batterie, die ein Viertel des Gewichts des Autos ausmacht, das Williams für die ersten vier Saisons entworfen hat. Dann verlor man die Ausschreibung an McLaren, das zwei Jahre Zeit hatte; die Technologie entwickelt sich so schnell, dass die Organisatoren der Rennen die Verträge, die sie vergeben, verkürzt haben.
Von der Energieverfügbarkeit bis zum Leistungsverlust ist die Batterietechnologie eine endlose Schikane des Fachchinesisch, aber die Schlüsselgröße ist die Energiedichte: Wie viel Energie können Zellhersteller auf engstem Raum verpacken? Die Techniker müssen dann Kompromisse eingehen zwischen der Geschwindigkeit, mit der die Zellen Energie freisetzen (hohe Entladeraten summieren sich zu hohen Höchstgeschwindigkeiten) und der Betriebsdauer der Batterie (Gesamtreichweite). Verdopple das eine und du halbierst das andere.
Doch McLaren hat das Unmögliche geschafft, indem sie beide erhöht hat. Es hat die Anzahl der Zellen pro Auto von 165 auf 209 erhöht und damit die Gewichtsgrenze überschritten, aber auch eine nahezu Verdoppelung der Energiedichte erreicht. Es macht den Sport „schneller und glatter“, rühmt sich McLaren, „wodurch die Notwendigkeit für Fahrer entfällt, während eines Rennens das Auto zu wechseln“. Wie hat es zu einem so großen Gewinn geführt?
In jeder Batterie befindet sich eine Mischung aus flüssigen Metallen, die von den Zellenherstellern ständig optimiert werden. Lithium und Nickel haben eine hohe Energiedichte, erwärmen sich aber schnell und können explodieren oder Feuer fangen. Kobalt hat eine enge Molekularstruktur, so dass die Batterien wiederholt aufgeladen werden können, ohne dass die Leistung der Batterien beeinträchtigt wird, während Mangan die Gesamttemperatur niedrig hält.
Die chemische Zusammensetzung der Batterien der Formel E ist ein streng gehütetes technisches Geheimnis, aber eine Möglichkeit ist, dass McLaren ein nickelhaltiges Konzept mit 811 Chemikalien verwendet, bei dem acht Teile Nickel für jeden Teil Kobalt und Mangan verwendet werden. 811 Formeln sind bekannt, gelten aber als Jahre von der kommerziellen Produktion entfernt. Eine alternative Erklärung ist, dass McLaren möglicherweise einen bahnbrechenden Bestandteil hinzugefügt hat: Aluminium.
Aluminiumbatterien weisen eine hohe Energiedichte und schnelle Ladezeiten auf und sind zudem nicht brennbar. Der Nachteil ist die schlechte Akkulaufzeit, aber das Hinzufügen von Graphit kann das Problem lösen, so Wissenschaftler der Stanford University. Vanadiumbatterien könnten theoretisch ähnliche Ergebnisse liefern, aber es wurden weniger Tests an Vanadium durchgeführt.
Zeigen die Hinweise darauf, dass die Formel E zu Aluminium umgeschlagen ist? Williams, der auf der Suche nach einer Lösung für McLaren’s System ist, sagte der FIA, dass die neuen Batterien ein hohes Maß an „Degradierung“ aufweisen, was bedeutet, dass sie sich schwer tun könnten, die Leistung Rennen für Rennen aufrechtzuerhalten. Das wäre das Markenzeichen einer Aluminiumbatterie. McLaren sagt, dass sie das Problem lösen können.
So oder so könnte Aluminium den globalen Batteriemarkt verändern und die Umstellung auf Elektrofahrzeuge beschleunigen. Zu den heutigen Preisen kostet es 2.287 Dollar pro Tonne, gegenüber 15.235 Dollar für Nickel und 83.250 Dollar für Kobalt, was einem Viertel des Preises entspricht. Es ist zudem leichtgewichtig, sparsam im Verbrauch und kann zuverlässig aus Ländern wie Kanada und Australien bezogen werden, während Kobalt zwei Drittel der Produktion auf die Demokratische Republik Kongo, eines der chaotischsten Länder der Welt, entfällt.
Der Motorsport war schon immer ein „Testfeld“ für neue Technologien, die in zwei Jahrzehnten auf Autobahnen alltäglich sein werden, sagen Rennbosse. Weitere Innovationen, die von der Formel E vorangetrieben werden, sind Batteriekühlrohre, eine Motorentstörvorrichtung und Bremsen, die als Ladegeräte fungieren, die Energie aus den Rädern nehmen und wieder in die Batterie zurückführen und für alle vier gefahrenen Runden eine zusätzliche Runde gewinnen. Dabei werden die Ladezeiten immer schneller: Jedes Auto kann nun in weniger als einer Stunde aufgeladen werden.
Aber wenn Aluminium das unbekannte Metall in den neuen Batterien der Formel E ist, könnte es das größte Geschenk des Sports an den Automobilmarkt sein. „Es ist unglaublich, die Fortschritte zu sehen, die in nur vier Jahren gemacht wurden“, sagte Jean Todt. „Die Reichweite des Autos zu verdoppeln und die Leistung zu erhöhen, ist eine fantastische Leistung.“
ISE – September 2019
