Batterien für Elektrobusse (3/5)
Im letzten Artikel der Batterie-Universität haben wir uns mit der Auswahl der optimalen Traktionsbatterietechnologie für einen Hybrid-Oberleitungsbus beschäftigt. Während die Anforderungen an einen Hybrid-Oberleitungsbus bei den meisten Projekten sehr ähnlich sind, unterscheiden sie sich bei Elektrobussen. Die Anforderungen für den Einsatz von Elektrobussen sind von Projekt zu Projekt sehr unterschiedlich, egal ob es sich um ein Überlandfahrzeug, ein Vorortfahrzeug oder den am häufigsten eingesetzten Elektrobus für den reinen städtischen Personennahverkehr handelt.
Im Gegensatz zu Hybrid-Oberleitungsbussen muss sich der Betreiber bei der Beschaffung der Fahrzeuge auch mit der Ladeinfrastruktur auseinandersetzen. Die Elektrifizierung des städtischen Busverkehrs ist daher eine komplexe Lösung aus geeigneter Fahrzeugtechnik, Traktionsbatterien und einer geeigneten Ladestrategie.
Alles dreht sich um die Reichweite
Zu Beginn des Artikels haben wir die verschiedenen Arten des Elektrobusbetriebs aufgelistet, die meist konventionelle Busse nachahmen. Am häufigsten wird über den elektrischen Busverkehr in Städten gesprochen, für den die meisten Fördermittel zur Verfügung gestellt werden. Das ist verständlich angesichts der Tatsache, dass sich diverse Hauptstädte der Welt zum emissionsfreien Verkehr verpflichtet haben.
Auch die Zahl der Zulassungen von Elektrobussen über 3,5 Tonnen zeigt, dass der Markt für Elektrobusse zu wachsen beginnt. Nach Angaben des Verbands der europäischen Automobilhersteller vom April 2020 betrug der Zuwachs bei den so genannten ECVs (elektrisch aufgeladene Fahrzeuge) im Vergleich zum Vorjahr 170,5 %. In absoluten Zahlen bedeutet dies einen Anstieg der Zulassungen von 594 im Jahr 2018 auf 1607 im Jahr 2019, wobei der Anteil der neu zugelassenen Dieselbusse über 3,5 Tonnen bei 85 % lag.
Bei Elektrobussen – ob im Stadt-, Vorort- oder Fernverkehr – ist es wichtig, wie viele Kilometer sie am Tag zurücklegen können. Da es noch keine hinreichend universelle Batterietechnologie gibt, die mit einer einzigen Ladung ähnliche Fahrten wie bei Dieselbussen und mit einer ähnlichen Ladezeit wie beim Tanken ermöglicht, müssen wir die geeignete Traktionsbatterietechnologie für den jeweiligen Einsatz auswählen. Schauen wir uns also genauer an, was bei der Auswahl einer geeigneten Batterie für Elektrobusse zu beachten ist.
Elektrobusse in der Stadt
Für die Elektrifizierung des städtischen Busverkehrs ist es sehr wichtig, die Möglichkeiten zum Aufbau einer Ladeinfrastruktur zu beurteilen. Während es für Elektroautos bereits einige wenige Ladestandards gibt, die sich vor allem je nach Kontinent, in dem sie eingesetzt werden, unterscheiden, sind Ladestandards für Elektrobusse noch in der Entwicklung begriffen. Neben der Wahl der Lademethode ist auch die Wahl der Ladehäufigkeit wichtig. Beim Einsatz eines Elektrobusses im Stadtverkehr kann die Ladehäufigkeit je nach den Möglichkeiten der baulichen Infrastruktur gewählt werden.
Aufladen an Bushaltestellen
Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der ein Elektrobus an einer Bushaltestelle hält, sich innerhalb der ersten Sekunden automatisch mit der Ladestation verbindet und sich mit genügend Energie für die Fahrt zur nächsten Haltestelle auflädt. Der gesamte Vorgang dauert nur wenige Sekunden, und das Fahrzeug fährt zur nächsten Haltestelle weiter. Was wie Science-Fiction klingt, gibt es bereits. Seit 2013 erleben die Fahrgäste in Genf diese Zukunftsvision. Ein Schlüsselelement ist das 600-kW-Ladesystem TOSA, ein weiteres die Traktionsbatterie des Elektrobusses. Schauen wir sie uns genauer an.
Wenn eine 20-sekündige 600-kW-Ladung ausreicht, um die nächste Haltestelle zu erreichen, kann die Traktionsbatterie logischerweise sehr klein sein. Nehmen wir an, der Gesamtverbrauch des Elektrobusses beträgt 1,5 kWh/km. Eine 20-sekündige Ladung von 600 kW ergibt eine Batteriekapazität von 3,33 kWh (eigentlich etwas weniger, da die Ladeverluste berücksichtigt werden müssen), was für eine Strecke von 2,86 km ausreichen würde. Die Anzahl der Zyklen pro Betriebstag wird ebenfalls sehr hoch sein, und die Batteriekapazität muss so gewählt werden, dass die Batterie hohen Lade- und Entladeleistungen standhalten kann und gleichzeitig die erwartete Lebensdauer von vielen Jahren erreicht.
Wenn wir uns die Lebensdauer von Traktionsbatterien bzw. deren Technologie genauer ansehen, sind wir an der zyklischen Lebensdauer interessiert. Jede Batterietechnologie hat ihre eigene zyklische Lebensdauer, die von der Entladetiefe der Batterie abhängt (die Energiemenge in Prozent, die nach jeder Ladung entnommen wird, und die durchschnittliche Zelltemperatur). Manchmal spricht man auch von der C-Rate (dem Verhältnis von Leistung zu Kapazität der Batterie), aber die C-Rate wird von der verfügbaren Kapazität (je höher die Leistung, desto weniger Kapazität kann die Batterie entladen oder laden) und der Temperatur (höhere C-Rate = höherer Wärmeverlust der Batterie) beeinflusst. Die zyklische Lebensdauer wird in den meisten Fällen entweder durch eine Kurve (siehe Beispieldiagramm) oder eine Tabelle (siehe Beispieltabelle) beschrieben.
| Počet cyků | Anzahl der Zyklen |
| Kapacita baterie % | Batteriekapazität in % |
| Cell average temperature (C°) | Durchschnittliche Zelltemperatur (°C) |
| Depth of Discharge DOD (%) | Entladetiefe DOD (%) |
| Cycle life (number of cycles until 80% of the original capacity is reached) | Lebensdauer-Zyklen (Anzahl der Zyklen, bis 80 % der ursprünglichen Kapazität erreicht sind) |
Wie wählt man also die richtige Batterie für das Aufladen an Bushaltestellen aus? Wie bereits erwähnt, sollten Gewicht, Größe und Kapazität der Batterie so klein wie möglich sein und gleichzeitig eine hohe Ladeleistung (z. B. 600 kW laut Genf) und eine Lebensdauer von mehreren Jahren haben. Was mich betrifft, so würde ich die gleiche Batterielebensdauer wie bei einem Elektrobus bevorzugen, was zwar möglich, aber in der Anfangsinvestition teurer ist. Es ist auch möglich, einen Austausch der Traktionsbatterie während der Lebensdauer des Fahrzeugs einzuplanen oder mit dem Fahrzeughersteller eine Batteriegarantie für die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs zu vereinbaren – die damit verbundenen Kosten schlagen sich im Preis nieder, aber die Ungewissheit in Bezug auf den Austauschtermin entfällt. Wenn die geplante Lebensdauer des Fahrzeugs 12 Jahre beträgt, ist es also möglich, eine Batterie für sechs Jahre zu wählen und sie nach sechs Jahren zu ersetzen, oder eine Batterie mit einer Lebensdauer von 12 Jahren zu wählen. Für eine Verkehrsart wie in Genf sind andere Technologien als LTO nicht möglich.
Die Gründe dafür liegen auf der Hand. LTO (Lithiumtitanat), das wir in der Beispieltabelle aufgeführt haben, kann kurzzeitig mit 12C geladen werden. Nimmt man die Leistung einer herkömmlichen Busschnellladestation von 450 kW und teilt sie durch 12, erhält man eine Kapazität von 37,5 kWh. Wenn wir also vor jeder Ladung 3,75 kWh verbrauchen und bei einem Stopp nachladen, würde die Entladetiefe DOD in Prozent nur 10 % betragen und die Batterie würde 2.500.000 Zyklen durchlaufen, bevor sie 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität erreicht (angenommen, wir behalten eine durchschnittliche Zelltemperatur von 25 °C bei).
Gehen wir also von einer Lebensdauer von 12 Jahren bei 360 Betriebstagen pro Jahr aus: 12 × 360 Zyklen = 4.320 Betriebstage. Teilt man die Anzahl der Zyklen der LTO-Batterie durch die Anzahl der Tage der 12 Betriebsjahre, erhält man 578 Zyklen pro Tag.
Die Anzahl der Ladestopps könnte also bis zu 578 pro Betriebstag betragen, sodass die Batterie nach 12 Jahren 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität aufweist, also 30 kWh.
Vergleich von zwei verschiedenen bestehenden Batteriesystemen
TITAN RAPID ist ein für ultraschnelles Laden konzipiertes LTO-Batteriesystem mit einer Kapazität von 42 kWh, das in zwei Batterieboxen mit Abmessungen von jeweils 1380 × 713 × 360 mm und einem Gesamtgewicht von 950 kg unterteilt ist.
Das AKM POC ist ein NMC-Batteriesystem mit einer Kapazität von 176 kWh, das in fünf Batterieboxen mit den Abmessungen von 1546 × 750 × 216 mm und einem Gesamtgewicht von 1665 kg unterteilt ist.
Beim Anschaffungspreis sind die beiden Batterien fast gleich auf (leicht zugunsten der LTO), aber die LTO ist erheblich leichter und benötigt weniger Platz im Fahrzeug. Für die NMC-Batterie (Lithium-Nickel-Magnesium-Kobalt-Oxid) wird ein Volumen von 1,25 m³ benötigt, für die LTO-TITAN-Schnellbatterie ein Volumen von 0,7 m³.
Bewertung des häufigen Ladebetriebs
Je häufiger ein Elektrobus geladen wird, desto mehr können in ihm kleine und leistungsstarke Batterien verwendet werden, für die die LTO-Chemie ideal ist. Dieser Ansatz scheint für den Stadtverkehr optimal zu sein, steht aber der Notwendigkeit gegenüber, eine leistungsfähige und kostspielige Ladeinfrastruktur aufzubauen.
Wenn wir uns jedoch für das kontinuierliche Laden mit ausreichend hoher Leistung, z. B. an Endstationen, entscheiden, ist es möglich, die oben erwähnten Vorteile von LTO gegenüber NMC zu nutzen und eine relativ kleine, aber leistungsstarke Batterie zu verwenden. Im Gegensatz zur NMC-Technologie ermöglicht sie einen Dauerbetrieb rund um die Uhr, da sie in der Lage ist, innerhalb weniger Minuten von 0 auf 100 % aufzuladen. Bei NMC und anderen Hochenergiebatterien würde es hingegen mehrere Stunden dauern. Ein Beispiel ist die Stadt Ostrava, die zwei Elektrobusse mit dieser LTO-Traktionsbatterie im Einsatz hat, die binnen 5 Minuten für eine weitere Stunde aufgeladen werden können.
Aber welche Batterien ziehen wir in Betracht, wenn es nicht möglich ist, eine solche Infrastruktur in der Stadt aufzubauen?
Elektrobusse mit Nachtaufladung
Elektrobusse, die für die Aufladung über Nacht ausgelegt sind, benötigen eine ausreichende Kapazität der Traktionsbatterie für den ganztägigen Betrieb, die über Nacht auf dem Betriebshof aufgeladen wird. Für Traktionsbatterien ist daher eine Eigenschaft sehr wichtig, nämlich die spezifische Energie. Die spezifische Energie ist das Verhältnis zwischen der Kapazität und dem Gewicht der Traktionsbatterie, d. h. wie viele Wh in 1 kg Batteriegewicht passen. Das folgende Diagramm zeigt die spezifische Energie der am häufigsten verwendeten Batteriezellentypen. Es handelt sich also um eigenständige Zellen ohne Modularisierung, Batterieboxen, Kühlung, Elektronik usw.
| Lead Acid | Blei-Säure |
Ganztagsbatterien haben eine so hohe Kapazität, dass die Leistung, die sie für den Antrieb des Fahrzeugs bereitstellen, normalerweise die C-Rate 1C nicht überschreitet, d. h. die Leistung des Motors/der Motoren ist kleiner oder gleich der Kapazität der Traktionsbatterie. Wenn wir das Gewicht der Traktionsbatterie begrenzen, wählen wir die Technologie mit der höchsten Kapazität pro Gewichtseinheit.
Das Diagramm zeigt die NCA-Technologie. NCA oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid hat die höchste Dichte unter den heute gebräuchlichen Lithium-Batterietypen. Die Hersteller erreichen spezifische Energien zwischen 250 und 280 Wh/kg, und in den Labors nähern sie sich bereits 300 Wh/kg.
Der Nachteil von NCA-Zellen ist, dass sie im Vergleich zu beispielsweise NMC relativ wenige Ladezyklen zulassen. Dennoch ist NCA zu einer Schlüsseltechnologie in der Automobilindustrie für die Produktion von Elektrofahrzeugen geworden. Hier liegt jedoch ein Stolperstein für den Einsatz dieser Technologie in Elektrobussen. Der größte Hersteller von NCA-Zellen ist Panasonic, der seine Kapazitäten für mehrere große Elektroautohersteller, insbesondere Tesla, lange im Voraus gebucht hat. Die Verfügbarkeit dieser Zellen für andere potenzielle Integratoren ist daher gering, eher gleich null.
Als nächstes ist NMC an der Reihe. LCO (Lithium-Kobalt-Oxid) ist keine geeignete Technologie für Elektrobusse, da es im Gegensatz zu NMC (Lithium-Nickel-Magnesium-Kobalt-Oxid) weniger sicher ist, weniger Zyklen aufweist und nicht für Kurzzeitleistungen über 1C geeignet ist. Bei so genannten Hochenergie-Elektrobussen, d. h. solchen mit einer Batterie mit hoher Kapazität, sind in der Regel NMC-Batterien anzutreffen.
Auch bei uns in der Tschechischen Republik gibt es mehrere ähnliche Vorhaben. Ein Beispiel ist die Stadt Třinec, wo ARRIVA seit 2017 eine Flotte von Elektrobussen des Typs Škoda Perun HE mit Li-Polymer-Traktionsbatterien (Lithium-Polymer) mit einer Kapazität von 222 kWh einsetzt. Nach den vorliegenden Informationen können diese Busse mit einer einzigen Ladung 150 bis 200 km zurücklegen, gefolgt von einer nächtlichen Aufladung von etwa sechs Stunden.
An dieser Stelle sollte der Unterschied zwischen Li-Ionen- und Li-Polymer-Batterien erwähnt werden. Einfach ausgedrückt, sind sich beide sehr ähnlich, wobei der Elektrolyt bei Li-Ionen-Batterien flüssig ist, während er bei Li-Polymer-Batterien meist in Gelform vorliegt. Die positiven Elektroden sind jedoch bei beiden gleich, meist NMC, LFP oder LCO. Allerdings sind sie im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien teurer in der Herstellung.
Ein weiteres Beispiel ist die Stadt Hranice, wo 3CSAD mit seinen Elektrobussen den Stadtverkehr betreibt. Die SOR-Elektrobusse legen 50 bis 150 km pro Tag zurück. Anders als die Elektrobusse in Třinec sind die Fahrzeuge hier mit LFP-Batterien (Lithium-Eisen-Phosphat) mit einer Kapazität von 172 kWh ausgestattet.
Ladeinfrastruktur für das Laden über Nacht
Das Laden über Nacht wird in der Regel wie bei Elektroautos gehandhabt, d. h. über Ladestandards wie CCS2 COMBO. Der Vorteil ist, dass dieser Standard in großem Umfang erprobt ist.
Wie wählt man eine geeignete Batterie für das Laden über Nacht aus?
Anders als beim Beispiel des häufigen Ladens, bei dem die LTO-Technologie eindeutig dominiert, hängt die Auswahl einer geeigneten Batterie für das Laden über Nacht von den Besonderheiten des jeweiligen Einsatzgebiets ab. Für kleinere Städte, in denen die Strecken kurz sind und die Häufigkeit der Fahrten nicht so hoch ist, sodass die tägliche Gesamtreichweite kürzer ist, z. B. um die 100 km, sind LFP-Batterien wahrscheinlich besser geeignet. Obwohl der spezifische Energieparameter im Vergleich zu NMC deutlich schlechter ist, sind sie billiger und erreichen mehr Zyklen. Kurzfristig wird auch eine höhere C-Rate im Vergleich zu NMC erreicht.
Andererseits ist die NMC-Technologie bei längeren täglichen Fahrten mit nur einer Ladung für Entfernungen über 100 km geeignet, da bei gleichem Gewicht mehr als das 1,5-Fache an Energie in kWh gewonnen werden kann als mit LFP-Batterien.
Zusammenfassung
Unter dem Gesichtspunkt des Aufbaus einer Infrastruktur für die Aufladung von Elektrobussen im Betrieb scheinen Fahrzeuge, die über Nacht geladen werden, die geeignete Wahl zu sein. Dies liegt jedoch am steigenden Verbrauch von Elektrobussen aufgrund höherer Anforderungen an den verkehrsfremden Verbrauch, d. h. Energie für Systeme, die nicht direkt mit dem Antrieb zusammenhängen, wie Klimaanlage, Heizung, Informations- und Abfertigungssysteme usw. Das Ergebnis ist eine begrenzte Reichweite pro Ladung, die für den täglichen Einsatz in Kleinstädten ausreichen mag, nicht aber für Großstädte, in denen die Busse sogar 20 Stunden am Tag verkehren.
Eine Kombination der beiden Ansätze, d. h. gelegentliches Aufladen im Verkehr in Verbindung mit Aufladen über Nacht, ist am besten geeignet.
Die Wahl der Traktionsbatterietechnologie hängt daher in hohem Maße von den Anforderungen des Fahrzeugbetriebs ab (Dauer zwischen den Ladevorgängen, Gewicht, Lebensdauer usw.), und es kann nicht eindeutig gesagt werden, welche Batterietechnologie für Elektrobusse am besten geeignet ist.
Ein Beispiel für einen abschließenden Vergleich sind die Ergebnisse des ZeEUS-Projekts in Barcelona, bei dem zwei verschiedene Betriebsstrategien verglichen wurden – kontinuierliches Laden mit dem Schunk-Bus-Up-Standard und nächtliches Laden nach einem vollen Betriebstag. Bei beiden Varianten hatten die Fahrzeuge eine Tagesreichweite von etwa 180 km, und die Schlussfolgerung des Projekts ist, dass die Dauerladetechnologie für den städtischen Betrieb in einer Großstadt wie Barcelona besser geeignet ist.
František Šťastný