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Tesla Model 3: Enttäuschende Energiedichte der Akkuzellen, oder Upgrade-Geschäftsmodell?

Glaubt man Elon Musk, dann handelt es sich bei den neuerdings gefertigten 2170er-Zellen um die Akkus mit der "weltweit höchsten Energiedichte", zum günstigsten Preis. Doch neue Informationen zu den Modulen im neuen Model 3 deuten auf eine Energiedichte, die auf dem Niveau der alten 18650er-Zellen liegt. Denkbar wäre, dass Tesla mit späteren Updates oder Upgrades mehr Kapazitäten freischaltet.

von Bernd Rubel am 4. September 2017

Das seit kurzem gefertigte und hierzulande vermutlich Ende 2018 oder Anfang 2019 erstmals ausgelieferte Tesla Model 3 wird neue Batteriezellen und ein an die Fahrzeugabmessungen angepasstes Akku-Pack besitzen. Schon früh wurde bekannt, dass Tesla mit den 2170er-Zellen auf ein neues Format setzt, seit einigen Tagen gibt es neue – wenn auch noch inoffizielle – Details.

Die neuen Zellen besitzen im Unterschied zu den bisher verbauten Zellen im Model S und Model X einen Durchmesser von 21 Millimeter und eine Länge von 70 Millimetern. Bisher verbaute Tesla handelsübliche 18650er-Zellen mit einem Durchmesser von 18 Millimetern und einer Länge von 65 Millimetern – ähnlich den Zellen, die in dieser Bauweise auch in Notebooks und anderen technischen Geräten eingesetzt werden. Interessant bei solchen signifikanten Veränderungen ist die Frage, ob damit neben der reinen Veränderung der Form auch wesentlich wichtigere Verbesserungen stattfinden, z.B. hinsichtlich der Energiedichte.

Die weiterhin in Partnerschaft mit Panasonic entwickelten Zellen werden in der sogenannten Gigafactory gefertigt, die ihren Energiebedarf irgendwann über Solarmodule und Windkraftanlagen decken soll. Über die Zellchemie und andere relevante Faktoren gibt es bisher nur wenige Angaben, was letztendlich zu Unsicherheiten und offenen Fragen führt.

Das in einem Tesla Model 3 verbaute Akku-Pack mit einer Standard-Kapazität von 50kWh besteht aus 2976 einzelnen 2170er-Zellen, die zu sogenannten “Bricks” von je 31 Zellen gebündelt werden. Diese Bricks befinden sich in vier voneinander getrennten Modulen, wobei die zwei äußeren Module je 23 Bricks und die zwei inneren Module je 25 Bricks beherbergen. In den momentan verbauten “Long Range” Batterien mit 74kWh befinden sich hingegen 4416 Zellen, die zu Bricks mit je 46 Zellen zusammengefasst werden. Der Einbau erfolgt längs zum Fahrzeug, so dass sich (in der Grafik links und rechts) vorne und hinten die weiteren benötigten Komponenten befinden.

Durch das größere Zellformat konnte Tesla die Zahl der einzelnen Zellen erheblich reduzieren, jede von ihnen kann nun mehr Energie speichern. In einem Tesla Model S oder Tesla Model X mit 100kWh befinden sich zwar nur – vergleichbar mit den o.e. “Bricks” – 16 Batteriemodule, diese beherbergen allerdings je 516 Zellen. Ein Elektroauto mit dieser Gesamtkapazität bringt es also auf 8256 einzelne 18650er-Zellen.

Mit dem Einbau der neuen Zellen ergeben sich im Unterschied zu den wesentlich teureren Modellen “S” und “X” auch einige Änderungen, die nicht auf den ersten Blick ersichtlich sind. So hat sich Tesla offenbar endgültig von der ursprünglichen Idee verabschiedet, die Batteriemodule in Wechselstationen austauschen zu wollen. Die neuen Module im Model 3 sind fest mit dem Fahrzeug verschraubt und könnten nur dann entnommen werden, wenn man Teile der Innenverkleidung ablösen würde.

Zudem besitzt das Model 3 außer dem Ladeanschluss am Heck des Fahrzeugs keinen weiteren Ladeanschluß mehr. In verschiedenen Szenarien und Patenten zum Model S und Model X hatte Tesla die Möglichkeit vorgesehen, das Elektroauto komfortabel über einen Anschluß im Fahrzeugboden laden zu können, diese Idee wurde nun offenbar – vermutlich auch aus Kostengründen – verworfen.

Kälte ist der Feind des Elektroautos

Für Interessenten, die in kälteren Regionen wohnen, sind die elementaren Veränderungen beim Kühl- und Heizsystem relevant. Akkus müssen bei niedrigen Außentemperaturen vorgeheizt werden, was beim Model S und Model X über ein spezielles Heizsystem erfolgt. Dieses fehlt beim Model 3. Stattdessen werden die einzelnen Zellen bzw. das gesamte Modul über die Wärme des Antriebsstrangs auf Temperatur gebracht. Die Software des Fahrzeugs sendet bei entsprechend niedrigen Temperaturen ein Signal an den Elektromotor, der dann auch im Parkzustand – und dementsprechend ohne Drehmoment, selbstverständlich – die benötigte Energie und Wärme produziert. Elementar dürfte sein, dass sich die Akkuzellen auch selbst und gegenseitig erwärmen, während sie den Strom für den Elektromotor liefern. Inwieweit dieses Prinzip Auswirkungen auf die Kapazität und Reichweite des Model 3 bei konstant kälteren Temperaturen hat, wird man messen müssen. Vermutlich werden die Ingenieure einen Kompromiss angepeilt haben, der die vergleichbaren Nachteile viel zu kalter Akkuzellen adäquat ausgleicht.

Sehnlichst erwartet: Fortschritte bei der Energiedichte

Unklarheiten gibt es bei der Funktionalität der Batterie hinsichtlich der Stromabgabe. Elektrofahrzeuge sollen – so der langfristige Grundgedanke – in einem modernen Grid nicht nur in der Lage sein, Strom zu speichern. Sie sollen ihn als dezentrale und schnell reagierende Speicher auch wieder an das Grid abgeben können (V2G). Bisher deutet sich an, dass ein Model 3 normale 110V oder 230V Geräte mit Strom versorgen könnte, darüber hinaus gibt es nur Spekulationen. Tesla fertigt mit den sogenannten Powerwalls separate Speicherpacks, denen man eventuell die Idealrolle im Grid zukommen lassen will.

  • 50000Wh / 2976 Zellen = 16,8Wh pro Zelle
    74000Wh / 4416 Zellen = 16,8Wh pro Zelle
    100000Wh / 8256 Zellen = 12,1Wh pro Zelle
  • Volumen 1865er-Zelle (V = π·r2·h) = 16540,485
    Volumen 2170er-Zelle (V = π·r2·h) = 24245,241
    Differenz = 7704.756 (146, 58%)

Zusammengefasst lässt sich anhand der Beispielrechnungen festhalten, dass die neuen 2170er-Zellen entgegen anderslautender Versprechen wohl noch (!) nicht der sehnlichst erwartete Fortschritt in puncto Energiedichte sind. Das neue Zellformat besitzt rechnerisch ein um circa 46% vergrößertes Volumen. Während man bei den 18650er Zellen von ca. 12Wh ausgeht, erhoffte man sich bisher von den neuen 2170er Zellen ca. 21Wh, mindestens aber achtzehn oder neunzehn Wh. Immerhin hatte Elon Musk gegenüber Analysten behauptet, man fertige nun mit den 2170ern die Zellen mit der höchsten Energiedichte der Welt und sei zudem am billigsten.

Aus den nun bekannt gewordenen Werten (Kapazität, Anzahl der Zellen) ergeben sich rechnerisch ca. 17Wh, was mehr oder weniger exakt der proportionalen Erhöhung des Volumens entspricht. Das wäre, angesichts des vermeintlichen technologischen Vorsprungs bei der Batteriezellenforschung und -fertigung noch ziemlich enttäuschend.

Tesla Akkus (2014): enormes Potential für das Vehicle-to-Grid (V2G)

Denkbar wäre allerdings zum Einen, dass es sich um eine “künstliche” Limitierung handelt, bei der die insgesamt zur Verfügung stehende Batteriekapazität durch eine Software beschränkt wird. Tesla könnte die besagten 2976 Zellen in alle ausgelieferten Model 3 verbauen, würde dann aber eine tatsächlich höhere Gesamtkapazität von z.B. 60kWh (statt 50kWh) erst im Rahmen eines kostenpflichtigen Upgrades freischalten. Im gewählten Bespiel ergäbe sich für die einzelne 2170er-Zelle eine Energiedichte von ca. 20Wh, was dem ursprünglich in der Branche erhofften technologischen Fortschritt sehr nahe käme. Auch für die momentan produzierte “Long Range” Variante mit momentan 74kWh käme ein solches Geschäftsmodell in Frage und würde dann sicherlich öffentlichkeitswirksam vermarktet. Aber, wie geschrieben, das sind reine Spekulationen.

Über den Sinn und Unsinn, rund 10kWh eventuell ungenutzt – weil nicht freigeschaltet – durch die Gegend zu fahren, kann man sich natürlich streiten, immerhin werden bei der Produktion von Akkus enorme Rohstoff- und Energieressourcen benötigt. Zudem würde ein derart limitiertes Model 3 – sollte das Szenario zutreffen – zugunsten des Upgrade-Geschäftsmodells unnötig schwerer und teurer. Ein Blick auf die Preismodelle der Kalifornier wird in den kommenden Monaten zeigen, ob es hier entweder die versprochenen signifikanten technologischen Verbesserungen bei der Energiedichte gibt, oder ob man sich den technologischen Fortschritt einfach nur zusätzlich bezahlen lassen will.

Denkbar wäre auch, dass Tesla erst nach der Auslieferung an eine signifikante Zahl von Kunden dazu übergeht, eine eigentlich bereits realisierbare höhere Gesamtkapazität kostenlos freizuschalten. Eventuell will man in der Anfangsphase verhindern, dass Kunden die Batterie zu häufig zu 100% aufladen und setzt deshalb eine generelle Beschränkung der Kapazität. Eine vollständige Ent- und Aufladung von Lithium-Ionen-Batterien gilt als eine der Hauptursachen für eine schnelle Alterung der Batterien, inklusive dem schleichenden Verlust der Aufnahmekapazität.

In allen erdenklichen weiteren Szenarien kann man auch darüber nachdenken, dass Tesla evtl. eine Reduzierung des Materialbedarfs oder des Gewichts gelungen ist, die nicht aus einem reinen Volumenvergleich der beiden Zellformate ersichtlich ist. Aus der Angabe des Gesamtgewichts der Zellen würde man dann ableiten können, ob sich statt einer Verbesserung der volumetrischen Energiedichte eine Verbesserung der gravimetrischen Energiedichte ergibt – dann wären Elon Musks Äußerungen gegenüber den Investoren nachvollziehbar. Direkte Vergleiche mit anderen Herstellern fallen gelegentlich schwer, da dort z.T. völlig andere Zellen gefertigt werden (LG setzt vorwiegend auf Pouch-Bag-Zellen, Samsung SDI fertigt prismatische Zellen).

Das Batteriemodul des Tesla Model 3 im Überblick:

1. Charge port connector 2. Fast charge contactor assembly 3. Coolant line to PCS 4. PCS – Power Conversion System 5. HVC – High Voltage Controller 6. Low voltage connector to HVC from the vehicle 7. 12V output from PCS 8. Positive HV power switch 9. Coolant line to PCS 10. HV connector to cabin heater and compressor 11. Cabin heater, compressor and PCS DC output fuse 12. HV connector to rear drive unit 13. HV pyro fuse 15. HV connector to front drive unit 16. Negative HV power switch 17. Connector for 3 phase AC charging

via electrek.co