The future battery

Die Batterie der Zukunft

Wie stark hat sich die Batterie während den vergangenen 150 Jahren entwickelt? Verglichen mit anderen Fortschritten war die Verbesserung im besten Fall mittelmässig. Eine Batterie enthält verhältnismässig wenig Leistung, ist unförmig, schwer und hat eine kurze Lebenserwartung. Die Batterieleistung ist somit sehr teuer. Je kleiner die Batterie ist, umso höher werden die Kosten pro Watt Leistung. Noch hängt die Menschheit von der Batterie als eine wichtige Leistungsquelle ab.

Die Geschwindigkeit des Fortschritts der Technologie der tragbaren und mobilen Geräten hängt stark von der Batterie ab. Diese Energiequelle ist so wichtig, dass die Entwicklungsingenieure die tragbaren Geräte um die Batterie herum entwickeln, eher als umgekehrt. Mit jeder wesentlichen Verbesserung der Batterie öffnet sich die Tür zu neuen Produkten und verbesserten Anwendungen. Es ist der Verdienst der Batterie, wenn wir von Haus und Bureau entfernt kommunizieren können. Je besser die Batterie ist, umso grösser ist unsere Mobilität und unsere Freiheit.

Die grössere Einsatzzeit von neuen tragbaren Geräten kann nicht nur der höheren Energiedichte der Batterie zugeschrieben werden. Grosse Verbesserungen wurden erreicht durch Reduktion des Stromverbrauchs der tragbaren Geräte. Einige dieser Verbesserungen werden jedoch wieder aufgehoben durch die Nachfrage nach höheren Rechengeschwindigkeiten von Laptops und schnellerer Datenübermittlung von Zellulartelefonen.

Wenn das Elektromobil den Durchbruch als Transportsystem nicht geschafft hat, ist das wegen der Batterie. Kurze Distanzen zwischen dem Wiederaufladen und begrenzte Lebenserwartung der Batterie waren zu beklagen. Der Benutzer wünscht eine Batterie, die dieselbe Lebenserwartung aufweist wie das Fahrzeug selbst, aber die Batteriehersteller zögern, die verlangte Garantiezeit von 8 bis 10 Jahren abzugeben.
Die Forschung im Bereich der Batterien schreitet gleichmässig fort. Der durchschnittliche, jährliche Kapazitätsgewinn beträgt etwa 6%. Im Vergleich dazu zeigt die Mikroelektronik viel bessere Werte.

Gordon Moore machte 1965 eine bemerkenswerte Voraussage, als er sagte, dass die Anzahl Transistoren pro integrierte Schaltung sich alle zwei Jahre verdopple. Durch Intels unerbittliche, technologische Fortschritte, wurde das Gesetz von Moore (www.intel.com/research/silicon/moreslaw.htm) weitergeführt und wurde auch ins 21. Jahrhundert übernommen. Vergleichbare Fortschritte würden eine Grosse Autobatterie zur Grösse eines Geldstückes schrumpfen lassen, wenn sie sich auf Batterien anwenden lassen würden.

Wird die Treibstoffzelle die Batterie eines Tages ersetzen?

Mehr als 2000 Organisationen weltweit sind in die Entwicklung von Treibstoffzellen involviert. Dafür gibt es einen guten Grund - es handelt sich um ein grosses Konzept. Und doch hat die Treibstoffzelle seit ihrer Erfindung 1839 durch Sir William Grove bis heute nur einen kleinen Einfluss auf unser tägliches Leben gewonnen. Im Vergleich dazu erfreut sich der Verbrennungsmotor, der ungefähr zur gleichen Zeit wie die Treibstoffzelle erfunden wurde, einer viel breiteren Anwendung.

Die Treibstoffzelle wurde im Gemini Weltraum Programm 1960 angewendet, gefolgt von Versuchen in Bussen und Fahrzeugen um 1990. Eines der grössten Hindernisse waren die hohen Energiekosten. Die Kosten pro Watt mussten um einen Faktor Zehn reduziert werden, um mit anderen Quellen konkurrenzfähig zu werden, wie z.B. mit dem Verbrennungsmotor.

Die Verbesserungen der Treibstoffzelle im Verlauf der letzten 10 Jahre waren bescheiden. Versuche zur Massenproduktion sind gescheitert, obwohl vier staatliche Gesellschaften in Nordamerika zwischen 1999 und 2001 über 1000 Millionen Dollars in Aktion investiert haben. Auch wenn frühere Investitionen dank Produkteverkauf zurückbezahlt werden konnten, wird das Erreichen der Gewinnzone für Treibstoffzellen noch Jahre dauern.Heute sind 45% der durch die vier Gesellschaften investierten Gelder als verloren zu betrachten.

Verteidiger von Treibstoffzellen werben dafür, mit dem Argument, dass sie vorgesehen sind, die Batterie zu ersetzen, aber das Gegenteil ist der Fall in mobilen und tragbaren Anwendungen. Die Treibstoffzelle hat eine definierte Leistungsbandbreite, in der sie effizient arbeitet. Ausserhalb dieses Bereichs verliert die Treibstoffzelle an Effizienz. In kaltem Zustand beginnt sie schleppend zu funktionieren und begrenzte Ladung ist eine weitere Einschränkung. Bis diese Punkte gelöst sind, wird die Treibstoffzelle als Generator funktionieren, der die zum Führen des Fahrzeugs nötige Autobatterie auflädt.

Es gibt auch Probleme mit der Langlebigkeit der Anlage. Die Membranen, der Kern der Anlage, degenerieren zu schnell. Das Ersetzen der Anlage ist der grösste Ausgabenpunkt. Bis diese Probleme eine Lösung gefunden haben, wird die Treibstoffzelle für Spezialanwendungen reserviert bleiben, wie z.B. als Leistungsquelle (und Wasserherstellung) für Weltallflugkörper und auch für Unterseeboote. In solchen Fällen können keine Verbrennungen verwendet werden und keine giftigen Nebenprodukte können toleriert werden.

Experten glauben, dass Treibstoffzellen, so wie wir sie heute kennen, in Fahrzeugen nur dann Verwendung finden werden, wenn der fossile Brennstoff zur Neige geht, oder wenn seine Verwendung durch Gesetze verboten würde, aus Gründen des Umweltschutzes. Es sind Aussagen gemacht worden, dass Treibstoffzellen nie als Antriebselement für die Massenproduktion von Automobilen gewählt werde. Dies entspricht dem Gedanken, dass eine Dampfmaschine um 1800 nie vorgesehen war, ein Flugzeug anzutreiben.

Es werden ständig Verbesserungen an der Treibstoffzelle vorgenommen, aber die so erhaltenen Resultate sind schlechter, als bei anderen Technologien. Schliesslich wird die Treibstoffzelle vielleicht einen wichtigen Nischenmarkt finden, der sich ausserhalb der Domaine des umweltverschmutzenden Verbrennungsmotors liegt. Sollte ein wesentlicher Durchbruch erfolgen und sollte die Treibstoffzelle eine echte alternative Energiequelle werden, würde unsere Welt sauberer werden, und die gesamte Menschheit wäre dafür dankbar.

Was ist nächste "Wunderbatterie"?

Die nächste 'Wunderbatterie' ist nirgendwo in Sicht, und die Batterie bleibt der 'Schwachpunkt' in der absehbaren Zukunft. Solange die Batterie auf einem elektro-chemischen Prozess basiert, müssen Einschränkungen von Leistungsdichte und kurze Lebenserwartungen in den Überlegungen berücksichtigt werden. Wir müssen diese Einschränkungen akzeptieren und unsere Geräte darum herum bauen.

Das Volk möchte eine unerschöpfliche Energiequelle mit sehr kleinen Abmessungen, die billig ist, sicher und sauber. Ein radikales Umdenken wird nötig sein, um diesen unlöschbaren Durst für mobile und tragbare Leistung befriedigen zu können. Es ist jedermanns Vermutung, dass eines Tages eine super-elektro-chemische Batterie, eine stark verbesserte Treibstoffzelle, eine futuristische Atomfusions-Batterie oder irgend ein anderes Geräte zur Energiespeicherung diesen Wunsch erfüllen wird. Für viele aber wird dieser Durchbruch nicht mehr in unserem Leben erfolgen.

Referenzen: The Roethle Group, Inc, USA www.theroethlegroup.com
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Created: April 2003, Last edited: January 2005