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Mar 20, 2023

Was bedeuten Verbesserungen der Batterieenergiedichte wirklich für Lastkraftwagen, Schiffe und Flugzeuge?

Die Zukunft aller Bodentransporte und einer ganzen Reihe von Luft- und Schifffahrtstransporten

Die Zukunft des gesamten Bodentransports und eines Großteils der Luft- und Seeschifffahrt, die elektrisch, kohlenstoffarm, leiser und viel weniger stinkend sein wird, ist in greifbarer Nähe. Es wäre unhöflich, nicht mit beiden Händen danach zu greifen.

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Im Moment, in dem ich dies schreibe, sind es noch etwa 30 Stunden, bis ich mit Leuten auf der Bühne sitze, deren Hauptberuf die Energieversorgung von Schiffen ist, vor einem großen Publikum globaler technischer Führungskräfte eines großen privaten europäischen Schifffahrtsunternehmens. Sie veranstalten ihren jährlichen technischen Gipfel und haben mich eingeladen, mit den anderen Diskussionsteilnehmern und ihren Experten darüber zu diskutieren, wie die Schifffahrt tatsächlich dekarbonisiert werden kann.

Natürlich gibt es, wie ich ihnen sagen werde, völlig gute Gründe, sich zu fragen, was zum Teufel ich da mache. Im Gegensatz zu so ziemlich allen anderen im Raum produziere, verkaufe oder kaufe ich keinen Treibstoff für Schiffe. Ich kaufe, verkaufe oder betreibe keine Schiffe. Ich entwerfe keine Schiffe, wie es viele im Publikum tun. Ich gebe keine Angaben zum Energiebedarf von Schiffen, was wiederum die Teilnehmer tun.

Megatonnen fossiler Brennstoffe in der Seeschifffahrt vor dem Auftanken, Diagramm des Autors

Aber ich bin dort, weil ich für die Seeschifffahrt das getan habe, was ich für die Luftfahrt, Wasserstoff, Stahl, V2G und Netzspeicherung getan habe. Ich habe viel Zeit damit verbracht, mich mit dem Problemfeld zu befassen, alle angeblichen Lösungen zu vergleichen, Nachfrage- und Angebotskurven in einem vernünftigen Szenario für Jahrzehnte nach vorne zu projizieren und dann meine Meinung mit unterstützenden Beweisen zu teilen. Da es hier viel um Energie geht, bedeutet das, dass Dinge, die ich in einem Bereich lerne, auch in einem anderen Bereich anwendbar sind. Ich kann Erkenntnisse etwas leichter gegenseitig befruchten als Menschen, die ihre ganze Zeit damit verbringen, in einem Bereich zu arbeiten.

Das bedeutet natürlich, dass ich wirklich aufpassen muss, dass ich kein führendes Beispiel für das Dunning-Kruger-Syndrom bin, und manchmal mache ich Fehler, die die Leute mir zur Last legen, aber das sind meist beherrschbare Probleme mit nur einer kleinen Nebenbeschäftigung gelegentlicher Demütigungen .

Was hat das mit der Energiedichte der Batterie zu tun? Nun, einer der Leute auf der Bühne morgen ist ein Vertreter von Echandia Marine AB. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, Batterien in Schiffe einzubauen, was meiner Meinung nach ein wichtiger Keil zur Dekarbonisierung der Seeschifffahrt ist. Meiner Prognose für das Jahr 2100 zufolge werden die gesamte Binnenschifffahrt und zwei Drittel des Kurzstreckenseeverkehrs mit Batterien betrieben, und diese Batterien werden zunehmend mit kohlenstoffarmem bis -freiem Strom aufgeladen. Die Langstreckentransporte werden auch in diesem Jahrhundert noch flüssige Treibstoffe benötigen, da es bis zum Jahr 2100 wahrscheinlich nicht gelingen wird, 16.000 Tonnen Bunkertreibstoff durch Batterien zu ersetzen, um den Pazifik zu überqueren.

Das Echandia-Material stellt einen ganz besonderen Punkt im Meeresbereich dar. Sein Batteriesystem reicht für 40 Seemeilen (NM), etwa 74 Kilometer. Das hört sich nicht nach viel an, deckt aber viele große Boots- und Schiffsreisen ab.

Das System verwendet Lithium-Titanoxid-Batterien (LTO). Das ist es, was das Unternehmen an diesem Punkt der Dekarbonisierungsreise für nützlich und verkäuflich hält. Diese Chemie weist keine besonders hohe Energiedichte auf, weist aber gute Zyklusraten auf und eignet sich gut für Anwendungen mit hohem Stromverbrauch. Gut für heutige Drehmoment- und PS-Anforderungen auf Schiffen.

Kurzer, nerdigerer Exkurs: Wenn wir über Energiedichte und Batterien sprechen, sprechen wir über Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Diesel verbraucht etwa 9.007 Wh/kg. Jet-A-Flugtreibstoff benötigt etwa 7.778 Wh/kg. Sie werden normalerweise nicht so dargestellt, weil Menschen, die fossile Brennstoffe verkaufen oder im Transportwesen verwenden, keine Stromeinheiten verbrauchen.

Große Schiffs- und große Düsentriebwerke sind absurd effiziente Tiere, so gut wie es nur geht. Jahrzehnte gezielter Innovation, anspruchsvolle Kunden und brillante Ingenieure werden tendenziell zu diesem Ergebnis führen. Aber die Carnot-, Diesel- und Brayton-Zyklen haben harte thermodynamische Grenzen, an die sie stoßen. Große Schiffsmotoren wandeln etwa 50 % der in ihren Kraftstoffen enthaltenen Energie in Vorwärtsbewegung um. Moderne Düsentriebwerke wandeln 55 % des Kerosins, das sie verbrauchen, in nutzbare Energie um, zumindest wenn sie sich in einer Höhe von 30.000 bis 38.000 Fuß und mit optimaler Reisegeschwindigkeit befinden.

Das bedeutet, dass Schiffsmotoren etwa 4.500 Wh/kg Nutzenergie aus Diesel gewinnen und Flugzeugtriebwerke vielleicht 4.300 Wh/kg. Die von Tesla verwendeten Batterien haben etwa 269 Wh/kg, und obwohl elektrische Antriebe viel effizienter sind, wandeln sie nicht alles in Vorwärtsbewegung um, normalerweise etwa 85 % oder vielleicht 225 Wh/kg. Es gibt einen großen Unterschied zwischen 4.300–4.500 Wh/kg und 40–225 Wh/kg. Diesel und Jet-A-Kerosin haben angesichts der Effizienzunterschiede eine etwa 20-mal höhere Energiedichte als die von Tesla verwendeten Batterien, und offensichtlich ein größerer Faktor für die LTO-Batterien von Echandia.

Aber es gibt hier eine Geschichte, die es wert ist, erzählt zu werden. Die von Tesla verwendeten Batterien haben die dreifache Energiedichte von LTO, was bedeutet, dass die Verwendung derselben Batterien in Schiffen, wie es einige Leute bereits tun, bei gleichen Batteriegrößen zu einer Reichweite von etwa 120 NM führt. Nicht viel aufregender als 40 NM, aber etwas interessanter.

Kürzlich haben zwei verschiedene Firmen Ankündigungen zur Batterieenergiedichte gemacht. Das chinesische Unternehmen CATL, mit einem Marktanteil von 37 % weltweit führend bei Batterien für Elektrofahrzeuge, und Amprius, ein Startup aus dem Silicon Valley, das tatsächlich Batterieprodukte vertreibt, gaben jeweils Angaben von 500 Wh/kg an, was etwa dem Doppelten der Energiedichte von Tesla entspricht.

Doppelter Tesla für die Seeschifffahrt, und aus 120 Seemeilen werden 240 Seemeilen. Hmm. Damit sind viel mehr Seewege abgedeckt. Aber wir sind noch nicht fertig.

Auch in den USA und China gab es erneut einige sehr interessante Durchbrüche. Silizium ist eine der heiligen Gral-Chemikalien in Batterien. Es hat das Potenzial für 2.600 Wh/KG. Nach Berücksichtigung von Effizienzberechnungen ist das etwa die Hälfte dessen, was die See- und Luftfahrt heute erhält. Und es ist ungefähr das Fünffache dessen, was CATL und Amprius angekündigt haben.

Für die Seeschifffahrt bedeutet das vielleicht eine Reichweite von 1.200 Seemeilen. Und das deckt alle Binnenschifffahrtsstrecken und zwei Drittel der kurzen Seestrecken ab. Sie werden damit keinen Container oder Massengutfrachter über den Atlantik oder Pazifik schieben, aber Sie werden ein Roll-on-Roll-off-Schiff (Roro) oder ein Handelsfrachtschiff über praktisch jede Linienroute auf der Welt schieben.

Ich frage das Stena Sphere-Publikum: „Gibt es Linienrouten von Stena Line, die länger als 1.200 Seemeilen sind?“ Nachdem ich mir die geplanten Routen auf einer Karte angesehen habe, bin ich mir ziemlich sicher, dass die Antwort „Nein“ lautet. Aber ich bin nicht mit ihrem Geschäft vertraut, also könnten es ein oder fünf sein. Die Mehrheit liegt jedoch deutlich darunter.

Die Batterien werden sich übrigens größtenteils in Schiffscontainern befinden. So versenden große Batteriespeicherfirmen wie Tesla, Convergent Energy + Power und Wärtsilä, die das Stromnetz und große Hinter-dem-Zähler-Einsätze versorgen, sie jetzt vorverpackt, konfiguriert und verkabelt, sodass sie auf einer Platte platziert und angeschlossen werden , und einfach arbeiten. Da die Massengutschifffahrt stark zurückgeht, da 40 % der Massengüter aus fossilen Brennstoffen bestehen und auf einen Bruchteil ihres derzeitigen Volumens sinken und die 15 % des Roheisenerzes viel stärker vor Ort verarbeitet werden, wird ein noch größerer Anteil der Seeschifffahrt auf Containerschiffe umsteigen. Und Containerschiffe und Häfen befördern bereits Container, die an das Stromnetz angeschlossen werden müssen, obwohl sie derzeit Strom für die Kühlung beziehen. Schiffe und Züge werden sich Containerbatterien teilen, und sie werden hauptsächlich in Umschlaghäfen aufgeladen, obwohl Züge zeitweise auch über regeneratives Bremsen und Oberleitungsleitungen verfügen werden, die die Batterien mit Saft versorgen.

Okay, das ist Echandia bei 40 NM, Tesla-for-Marine bei 120 NM, CATL/Amprius bei 240 NM und Silizium bei etwa 1.200 NM. Die 240 Seemeilen könnten nächstes oder übernächstes Jahr auf Schiffen sein. Basierend auf dem aktuellen Stand der Technologiereife könnte Silizium in einem Jahrzehnt problemlos in Schiffen sein. Hat jemand Reichweitenangst?

Wie wirkt sich das auf die Luftfahrt aus? Nun, die Energiedichten von Tesla reichen bereits für 300 Kilometer Start, Flug und Landung ohne Umleitung oder Reserveenergie. Eine Reihe von Unternehmen nutzen Hybridsysteme, bei denen nachhaltiger Flugtreibstoff (SAF) einen Generator zur Umleitung und Reserve antreiben kann, sodass sie 95 % der Zeit mit Batterien betrieben werden können, was einen sehr großen Schritt nach vorn in die Zukunft darstellt .

Die Ankündigung von CATL und Amprius geht von 600 Kilometern aus. Silicon beziffert diese auf 3.000 Kilometer. Wissen Sie, wie weit Gander, Neufundland und Irland voneinander entfernt sind? 3.000 Kilometer. Ja, das ist umwerfend. Die heute demonstrierte Technologie könnte etwa hundert Seelen über den Nordatlantik befördern. Daher meine Prognose, dass die Überquerung der Ozeane bis 2070 mit batterieelektrischen Flugzeugen völlig machbar sein wird und wir dann die nächsten 30 Jahre damit verbringen werden, Treibstoff verbrennende Jets auszusterben.

Was ist mit dem Straßengüterverkehr? Nun, der Tesla Semi wird heute von Pepsi verwendet. Es hat eine nachgewiesene, aber nicht von Dritten bewiesene Reichweite von 800 Kilometern, wenn es mit einer angemessenen Mischung an Sachen beladen wird. Pepsi ist 800 km mit Chips und 640 km mit kohlensäurehaltigem Bilgenwasser gelaufen. Aber nutzen wir doch die 800 km Reichweite. CATL/Amprius-Ankündigungen besagen, dass die Reichweite etwa 1.600 km beträgt, etwa die Hälfte eines großen US-Diesel-Sattelzugs von heute. Silizium gibt das Potenzial für 8.000 km, was einfach albern ist. Mit zunehmender Batterieenergiedichte wird es passieren, dass LKWs physisch kleinere Batterien haben werden, und dieser ganze Blödsinn über das Gewicht von batterieelektrischen LKWs wird verschwinden.

Zusammenfassend also:

Das ist keine Zauberei. Es ist nicht einmal mehr Wissenschaft. Das ist reine Ingenieurskunst. Wie David Cebon, Direktor des Centre for Sustainable Road Freight und Professor für Maschinenbau in Cambridge, bei unserem Gespräch letzte Woche sagte, geht es darum, den Strom zu den Ladegeräten zu bringen, nicht zu den Batterien in den Fahrzeugen. Es geht um das System, nicht um die Komponenten.

Die Zukunft des gesamten Bodentransports und eines Großteils der Luft- und Seeschifffahrt, die elektrisch, kohlenstoffarm, leiser und viel weniger stinkend sein wird, ist in greifbarer Nähe. Es wäre unhöflich, nicht mit beiden Händen danach zu greifen.

ist Mitglied des Beirats des Elektro-Luftfahrt-Startups FLIMAX, Chefstratege bei TFIE Strategy und Mitbegründer von distnc Technologies. Er moderiert den Redefining Energy – Tech-Podcast (https://shorturl.at/tuEF5) und ist Teil des preisgekrönten Redefining Energy-Teams. Er verbringt seine Zeit damit, Szenarien für die Dekarbonisierung für 40 bis 80 Jahre in die Zukunft zu entwerfen und Führungskräften, Vorständen und Investoren dabei zu helfen, heute kluge Entscheidungen zu treffen. Ob es um die Betankung der Luftfahrt, Netzspeicherung, Vehicle-to-Grid oder Wasserstoffnachfrage geht, seine Arbeit basiert auf Grundlagen der Physik, der Wirtschaft und der menschlichen Natur und ist geprägt von den Dekarbonisierungsanforderungen und Innovationen verschiedener Bereiche. Seine Führungspositionen in Nordamerika, Asien und Lateinamerika stärkten seine globale Sichtweise. Er veröffentlicht regelmäßig in mehreren Medien zu den Themen Innovation, Wirtschaft, Technologie und Politik. Er steht für Vorstands-, Strategieberater- und Vortragstätigkeiten zur Verfügung.

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