Die Beliebtheit von Blei
-Säure-Batterien: Blei-Säure-Traktionsbatterien sind besonders beliebt für leichte Nutzfahrzeuge, Golfwagen, Freizeitboote, Flurförderzeuge wie Gabelstapler, Flughafen-Bodenabfertigungsgeräte (GSE), Elektrofahrräder und Mobilitätsfahrzeuge für Menschen mit Behinderungen. Seit zwanzig Jahren wird nach besseren Alternativen gesucht, und nun, wie beim Warten auf den Bus, kommen gleich zwei auf einmal: Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren, auch Ultrakondensatoren genannt.
Vielfältige Vorteile.
Tatsächlich bilden diese Fahrzeuge hinsichtlich ihres Energiebedarfs keine einheitliche Gruppe. Zwar haben sie alle eine begrenzte Reichweite, doch werden sie trotz dieser geringen Reichweite von nur 8 bis 32 Kilometern weiterhin gekauft. Das Gewicht der Blei-Säure-Batterie in Golfwagen, Freizeitbooten, Bodenabfertigungsfahrzeugen und anderen Fahrzeugen mit hoher Mobilität sorgt jedoch für einen niedrigen Schwerpunkt und verhindert so ein Umkippen. Bei Landfahrzeugen kann das Gewicht zudem die Bodenhaftung verbessern.
Wenn Gewicht zum Problem wird:
Im Gegensatz dazu ist das Gewicht bei E-Bikes und kleinen Mobilitätsfahrzeugen, die im Auto oder zu Hause verstaut werden können, buchstäblich ein Problem. Die meisten E-Bikes werden von Menschen gekauft, die in Wohnungen leben und das Fahrrad oder zumindest den Akku über Nacht dort aufbewahren möchten, um ihn aufzuladen und Diebstahl vorzubeugen. Bei den meisten E-Bike-Konstruktionen ist der Akku in einem erhöhten Gehäuse oder mittig im Rahmen verbaut, was das Gewicht erheblich erhöht. Ein kluger Kopf auf einer kürzlich stattgefundenen Sitzung der British Electric Bike Association im britischen Parlament bezeichnete dies treffend als „einen Ziegelstein im Schmetterlingskleid“.
Nachteile von Blei-Säure-Batterien:
Verschiedene Gründe sprechen gegen Blei-Säure-Traktionsbatterien. Dazu gehört die Unannehmlichkeit, drei Sätze für einen Gabelstapler zu benötigen – einen in Betrieb, einen beim Laden und einen zum Abkühlen. Hinzu kommen die Handhabung der Säure, die kurze Lebensdauer, das umweltschädliche Blei – trotz umfangreicher Recyclingverfahren – und die geringe Energie- und Leistungsdichte, die die Batterien enorm groß macht und wertvollen Fahrzeugraum verschwendet. Verschiedene Fahrzeugtypen weisen diese Probleme in unterschiedlichem Ausmaß auf. Beispielsweise kann eine Mobilitätshilfe für Menschen mit Behinderungen eine ernsthafte Krise auslösen, wenn sie aufgrund eines Stromausfalls oder einer Entladung nicht mehr funktioniert.
Motorräder benötigen Bordladegeräte.
Auch Elektromotorräder, einschließlich teilweise oder vollständig elektrisch betriebener Fahrräder und Elektroroller, bei denen die Füße des Fahrers auf einer Plattform ohne Pedale ruhen, benötigen ein Ladegerät. In diesen Fällen spart eine kleinere Batterie als eine Blei-Säure-Batterie Platz und Gewicht und ermöglicht so den bequemen Einbau eines Bordladegeräts, das bei allen Mobilitätsfahrzeugen bereits Standard ist. Ein Bordladegerät reduziert die Reichweitenangst, da wir viel eher unterwegs und am Zielort laden können, sofern eine Haushaltssteckdose ausreicht. Darüber hinaus werden bodengestützte Elektrofahrzeuge (GPEs) heutzutage immer häufiger eingesetzt, oft auch von Fluggesellschaften gemeinsam genutzt. Die zusätzliche Leistung – beispielsweise zum Ziehen einer größeren Flugzeugflotte – und die größere Reichweite, die sich in selteneren Ladezeiten (d. h. weniger Ausfallzeiten) äußert, sind von Interesse. Auch die Zuverlässigkeit gewinnt zunehmend an Bedeutung.
Toleranz gegenüber häufigem Anhalten und Anfahren
: Viele Nutzfahrzeuge müssen häufiges Anhalten und Anfahren tolerieren. Die meisten herkömmlichen Pkw und Nutzfahrzeuge schalten ihren Motor heutzutage automatisch ab, sobald sie aus irgendeinem Grund zum Stehen kommen. Einige sogenannte Mikrohybridfahrzeuge sind eigentlich Elektrofahrzeuge, bei denen die regenerierte Energie die Räder kurzzeitig antreibt, ähnlich wie bei der Startfunktion der Batterie. In diesen Fahrzeugen kommt häufig die Blei-Säure-Batterie zum Einsatz, die jedoch bei niedrigen Temperaturen und starken Betriebszyklen Probleme hat.
Hohe Strombelastbarkeit:
Schnellladestationen müssen an tolerantere Batterien angeschlossen werden, da diese sonst durch den Funken beschädigt oder zerstört werden. Die neuen, energieautarken Stoßdämpfer, die derzeit in Nutz- und Militärfahrzeugen getestet werden, können ebenfalls plötzlich hohe Kilowatt-Leistungen abgeben, denen Blei-Säure-Batterien in der Regel nicht standhalten. Es zeichnet sich ein Trend hin zu zuverlässigeren und wirtschaftlicheren Wechselstrom-Traktionsmotoren ab, wodurch auch die regenerative Bremsung ohne zusätzliche Zündbatterien verbessert wird. Dies ermöglicht einen einfachen Austausch.
Gelegentlicher Austausch von Bleiakkumulatoren
: Lithium-Ionen-Akkus in Mobilitätsfahrzeugen lassen sich zwar grundsätzlich einfach austauschen, sind dann aber in den meisten Fällen instabil und erfordern möglicherweise einen längeren Radstand oder andere Stabilisierungsmaßnahmen. Ausnahmen bilden Elektrorollstühle und sehr leichte, faltbare oder abnehmbare 3- und 4-rädrige Scooter, die selbst in kleine Fahrzeuge passen. Andere Fahrzeuge müssen umkonstruiert werden, beispielsweise mit einem breiteren Radstand, Stahlkomponenten oder – paradoxerweise – Bleiakkumulatoren als Gewicht.
Rasante Verbreitung von Lithium-Ionen-Elektrofahrrädern außerhalb Chinas:
Der Kontrast zu den Motorrädern war auf dem BEBA-Treffen deutlich zu erkennen: Rund zwanzig Elektromotorräder waren mit Lithium-Ionen-Akkus ausgestattet. Dies verdeutlicht, wie die Lithium-Technologie außerhalb des chinesischen Hauptmarktes, wo Preis und Zuverlässigkeit die wichtigsten Kriterien sind, den Markt rasant erobert und einen Marktanteil von 100 % erreicht.
Standardisierter Ersatz:
Bleiakkumulatoren sind nun endlich verfügbar. K2 Energy Solutions (K2), ein in Nevada ansässiges Technologieunternehmen, das wiederaufladbare Batterien, Akkupacks und Systeme herstellt und vertreibt, hat eine neue Batterie vorgestellt, die seine Marktführerschaft im Bereich der Lithium-Ionen- und Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) weiter stärkt.
Die neueste wiederaufladbare LFP-Batterie von K2, bekannt als K2B24V10EB, ist eine 24-V-Batterie mit 9,6 Ah und eignet sich ideal als Ersatz für Bleiakkus, wenn Sie eine leichtere, leistungsstärkere und robustere Lösung mit längeren Laufzeiten suchen. Sie wurde für Elektrorollstühle, Mobilitätshilfen und andere Anwendungen entwickelt, die derzeit Bleiakkus verwenden, wie beispielsweise in Motorrädern, bestimmten Pkw-Modellen oder Golfcarts. Mit einem Gewicht von nur 2,5 kg (5,5 Pfund) enthält sie keine schweren, teuren oder gefährlichen Metalle oder Chemikalien, die für andere Produkte typisch sind, und ist somit umweltfreundlicher. Tests zeigen, dass die Batterien bei sachgemäßer Verwendung schneller wieder aufgeladen werden und drei- bis fünfmal länger halten als herkömmliche Batterien. Auch nach längerer Lagerung behalten sie ihre Ladung.
Superkondensatoren:
Sollte der boomende Markt für Lithium-Ionen-Akkus die Anhänger von Blei-Säure-Batterien nicht schon beunruhigen, so sollten sie Superkondensatoren in Betracht ziehen, die in Elektrobusbatterien auch als Ultrakondensatoren bekannt sind. Superkondensatoren tragen insbesondere zum schnellen Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Akkus bei, speichern aber bisher nicht genügend Energie pro Volumen- oder Gewichtseinheit oder halten diese auch nicht lange genug, um Traktionsbatterien allein zu beeinflussen. Eine Ausnahme bilden Unternehmen wie Sinautec, die alle paar Kilometer Ladespulen entlang einer Buslinie integrieren, sodass der Bus mithilfe zuverlässigerer und langlebigerer Superkondensatoren eigenständig fahren kann. Diese Lösung hat sich jedoch aufgrund der hohen Kosten für den Straßenaushub nie flächendeckend durchgesetzt.
Superkondensatoren haben sich jedoch rasant weiterentwickelt. Sie sind in der Regel frei von giftigen oder preislich steigenden Materialien, wie beispielsweise Kobalt, das in den meisten derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Traktionsbatterien enthalten ist. Zudem verdoppeln sie die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien und verdreifachen die von Blei-Säure-Batterien. Ihre zuvor hohe Selbstentladung und geringe Energiedichte wurden verbessert. Mit jedem Entwicklungsschritt entstehen neue Anwendungsgebiete, beispielsweise Handykameras mit Blitzlicht für große Entfernungen.
Aktuell stehen Blei-Säure-Traktionsbatterien im Fokus.
Forscher der Cockrell School of Engineering an der University of Texas in Austin haben einen neuen Kohlenstoff-Superkondensator mit einem durchgehenden dreidimensionalen Netzwerk synthetisiert. Dieses Netzwerk zeichnet sich durch stark gekrümmte, atomdünne Wände aus, die hauptsächlich Poren mit einem Durchmesser von 0,6–5 nm bilden. Superkondensatorzellen, die mit diesem Material hergestellt werden, erreichen mit organischen und ionischen Flüssigelektrolyten hohe gravimetrische Kapazitäts- und Energiedichtewerte.
Diese Energiedichte nähert sich der von Bleiakkumulatoren an, während gleichzeitig die für Superkondensatoren charakteristische hohe Leistungsdichte erhalten bleibt. Laut Professor Rodney S. Ruoff lassen sich die Verfahren in der Materialwissenschaft und im Maschinenbau problemlos auf industrielle Maßstäbe skalieren.
Umfassendes Update
Die neuesten Entwicklungen bei Superkondensatoren, Lithium-Ionen-Batterien und Blei-Säure-Batterien für alle Arten von Elektrofahrzeugen werden auf der kommenden Veranstaltung „Electric Vehicles Land Sea Air“ am 28. und 29. Juni in Stuttgart ausführlich behandelt.
Führende Entwickler von Superkondensatoren – auch bekannt als asymmetrische Doppelschicht-Elektrochemische Kondensatoren, die die Eigenschaften von Lithium-Ionen- und Superkondensatoren vereinen – sowie zahlreiche Hersteller von Wasser-, Land- und Luftfahrzeugen, die Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien sowie verschiedene Brennstoffzellen für den Antrieb nutzen, werden Vorträge halten. Im Fokus steht die Zukunft der Elektromobilität, und die Veranstaltung hat eine internationale Reichweite.
Autor: Dr. Peter Harrop, Präsident, IDTechEx
