Schnelles Laden

In diesem Artikel erfahren Sie, welche Technologien sich für das Schnellladen eignen und welche Vorteile die LTO-Batterietechnologie aus wirtschaftlicher Sicht für diese Ladeart bietet. Dabei lassen wir PKWs, Reisebusse und LKWs außen vor. Hier konzentrieren wir uns auf die große Reichweite zwischen zwei Ladestationen ohne Zwischenstopp. Ein hervorragendes Beispiel für das Schnellladen ist das Segment der städtischen E-Busse mit regelmäßigen Stopps, Rückfahrten zu den Endstationen und durch den Fahrplan des öffentlichen Nahverkehrs bedingten Fahrerpausen. Diese Stopps und Pausenzeiten können zum Schnellladen genutzt werden. Daher wurde die Schnellladeoption eingeführt, die wirtschaftliche Vorteile bringen kann. Doch fangen wir von vorne an.

Eine Liste mit Abkürzungen und Begriffen finden Sie am Ende des Artikels.

Technologie

Dank der Entwicklungen bei den Batterien (Energiespeicherung) gibt es Alternativen zum Betrieb von Elektrofahrzeugen. Eine davon ist das Schnellladen. In kurzer Zeit kann die Batterie mit hoher Leistung aufgeladen werden, ohne dass sich das Batteriesystem extrem erwärmt und damit die Zykluszeit und die kalendarische Lebensdauer verkürzt.

Derzeit eignen sich LTO-Batterien am besten für die Schnellladung (die besten haben eine Lebensdauer von 25.000 bis 39.000 Zyklen bei 80 % DOD (Entladetiefe, vom englischen DOD, depth of discharge)). Dies ist eine Hochleistungstechnologie (HP). Die Schnellladung kann auch mit der derzeit am weitesten verbreiteten NMC- oder LFP-Batterietechnologie durchgeführt werden. Diese Technologien werden als Hochenergie (HE) bezeichnet. Einer der Nachteile ist die Notwendigkeit, eine Batterie mit einer großen Kapazität im Fahrzeug zu haben, von der nur ein kleiner Teil (z. B. 30 % von 400 kWh) zum Laden verwendet wird, um eine Überhitzung und damit eine Verkürzung der Lebensdauer der Batterie zu vermeiden. Mit NMC- und LFP-Technologien (LFP = LiFePo4) können etwa 2.000 bis 5.000 Zyklen bei 80 % DOD erreicht werden, was mindestens fünfmal weniger Lebensdauer als bei LTO-Batterien bedeutet.

Annähernder Vergleich verschiedener Technologien | Quelle: https://batteryuniversity.com/
  NMC LFP LTP
Technologie Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid: LiNiMnCoO2 Lithium-Eisen-Phosphat: LiFePO4 Nano-Lithium-Titanat
Energiedichte (Wh/kg) 150 - 200 90 - 120 52
Lade-/Entladerate (1C=1 kW/1 kWh) etwa 1C (asymmetrisch) etwa 1C (asymmetrisch) 7C (symmetrisch)
Zyklische Lebensdauer (100 % Entladetiefe) 1.000 - 2.000 2.000 25.000
Specific energy Spezifische Energie
Cost Kosten
Life span Lebensdauer
Performance Leistung
Specific power Spezifische Leistung
Safety Sicherheit

 

Elektrobusse im Stadtverkehr

Die Schnellladung ist derzeit im Stadtbusbetrieb am weitesten verbreitet. Die große Eignung dieser Option ergibt sich aus der Möglichkeit des Aufbaus einer Ladeinfrastruktur und der Notwendigkeit einer geringeren Reichweite, die für eine Ladung erforderlich ist (im Vergleich zu der Option des deponierten/langsamen Ladens mit hochenergetischen Batterien/langfristiger Kapazität). Im Allgemeinen basiert das Schnellladen auf Fahrzeugen, die mit Traktionsbatterien betrieben werden, die mit hoher Leistung (ca. 200 bis 800 kW) geladen werden. Es kann auf der Strecke, an Haltestellen oder nur an Endstationen erfolgen. Dieses Prinzip kann als Gelegenheitsladung bezeichnet werden (Anmerkung: Es handelt sich um eine Schnellladung während der Stillstandszeiten). Dieses Prinzip hat im Vergleich zu HE-Batterien die folgenden Vorteile:

  • kontinuierlicher Fahrzeugbetrieb – 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche (keine mehrstündige Aufladung notwendig),
  • mehrfache Verlängerung der Batterielebensdauer,
  • effiziente Rekuperation beim Bremsen (LTO kann mehr Energie aufnehmen),
  • Betrieb der HP-Batterie bei Minusgraden ohne zusätzliche Heizungen (ab ‑50 °C),
  • geringere Beanspruchung der Ladeinfrastruktur auf dem Betriebshof, da die Fahrzeuge unterwegs nach und nach aufgeladen werden,
  • Senkung der Gesamtbetriebskosten (TCO) und der Betriebskosten (im Vergleich zu Dieselfahrzeugen können die Betriebskosten auf ein Drittel gesenkt werden), wenn alle Aspekte richtig berücksichtigt werden.
Gelegentliches Aufladen des E-Busses Umeå, Schweden. Jahresdurchschnittstemperatur -0,8 °C ~ 6,7 °C. Tiefsttemperatur -42 °C (Ekova electric, Hybricon)

Natürlich könnte man argumentieren, dass es höhere Anforderungen an die städtische Ladeinfrastruktur und die reservierte Energie aus dem Netz gibt. Die Wahl des Betriebsprinzips von Elektrobussen im Stadtverkehr sollte in der Anfangsphase von einer Analyse mit sorgfältigen Berechnungen begleitet werden. Städte mit einem etablierten Straßenbahn- und Oberleitungsbusnetz haben es leichter, denn sie haben auf den Strecken Zugang zu ausreichend Strom aus dem Netz.

Ein praktisches Beispiel für die Berechnung der Batteriegröße könnte zum Beispiel eine 40 km lange Strecke durch die Stadt und zurück sein. Bei einem ungefähren (Winter-) Verbrauch von 1,6 kWh/km können wir leicht 64 kWh für die Strecke berechnen. Da wir die Batterie nicht vollständig entladen wollen (was 100 % DOD oder 0 % SOC bedeuten würde), erhöhen wir die Kapazität auf 80 kWh. Bei dieser Batteriekapazität benötigen wir nur ein Schnellladegerät an einer Endstation. Mit einer Leistung von 560 kW wird in 7 Minuten aufgeladen und der Bus kann zu einer weiteren Tour starten. Die Infrastruktur entlang der Strecke kann variieren. Wir können uns einfach darauf verlassen, dass wir mit zusätzlichen Schnellladegeräten entlang der Strecke, mit größeren oder kleineren Batteriekapazitäten, beliebige Werte erreichen und den öffentlichen Personennahverkehr optimieren können.

In letzter Zeit sind in ganz Europa viele neue Projekte verwirklicht worden und Inspirationen entstanden. So haben beispielsweise die Verkehrsbetriebe in der polnischen Stadt Zielona Gora eine zu 60 % elektrifizierte Flotte angekündigt.

Hybrid-Oberleitungsbus- und Straßenbahnverkehr

Oberleitungsbusse und Straßenbahnen können als interessante Elektrofahrzeuge betrachtet werden. Warum sollten sie eine Batterie haben, wenn sie die ganze Zeit über die Oberleitung aufgeladen werden? Der Hauptgrund ist die ständige Ausdehnung der Städte. Vor allem bei Oberleitungsbussen können wir mit einer zusätzlichen Batterie die Linien leicht in entlegenere Teile von Städten, Vororten und Dörfern erweitern, ohne Oberleitungen installieren zu müssen. Bei Straßenbahnen ist es zum einen unmöglich, die Oberleitung (Fahrleitung) in denkmalgeschützten Bereichen zu verlegen, und zum anderen ist die Netzkapazität unzureichend. Sobald sich das Fahrzeug wieder unter der Oberleitung befindet, beginnt die Batterie wieder zu laden.

Ein weiterer Grund ist die effiziente Energierückgewinnung beim Bremsen (Rekuperation), wodurch die Betriebsenergiekosten gesenkt werden. Früher wurden Superkondensatoren für die Energierückgewinnung verwendet, aber aufgrund ihrer ausreichenden Leistung und höheren Kapazität werden sie von LTO-Batterien verdrängt.

Dies ist eine sehr gute Lösung für Städte mit bereits bestehender Infrastruktur. Hybrid-Oberleitungsbusse verkehren in vielen europäischen Städten. In mehreren tschechischen Städten wie Pardubice, Pilsen, Brno, Zlín, Teplice, Hradec Králové, České Budějovice, Prag, Mariánské Lázně, Ostrava, Opava und Ústí nad Labem sind Hybrid-Oberleitungsbusse zu sehen.

Hafenanlagen (Fahrzeuge und Mobilkräne)

Ein weiterer Sektor, der derzeit elektrifiziert wird, ist der Containerumschlag. Containerumschlagequipment wie Shuttle Carrier und Straddle Carrier, FTFs, RTGs (gummibereifte Portalkräne) usw. werden auf elektrische oder hybride Varianten umgestellt.

Erwähnenswert ist die Firma Kalmar, die von der PEMA für ihre innovativen und branchenführenden Entwicklungen ausgezeichnet wurde. Mit ihrem Schnellladesystem namens Kalmar FastCharge™ beeindruckte sie die Jury unter den 21 teilnehmenden Unternehmen. Als Teil der FastCharge™-Option bietet Kalmar FTFs (fahrerlose Transportfahrzeuge), Shuttle Carrier und Straddle Carrier an. Die Fahrzeuge sind mit LTO-Batteriesystemen ausgestattet und werden während ihrer Standzeiten aufgeladen.

Im Vergleich zu Dieselfahrzeugen bietet die Elektrifizierung:

  • eine Reduktion der lokalen Emissionen auf null und somit ein besseres Klima für den Fahrer in der Kabine,
  • weniger Lärm, Vibrationen und Wärmeentwicklung,
  • eine bessere Kontrolle des Fahrers über das Fahrzeug, was:
  • eine sanftere Beschleunigung ermöglicht
  • und die Leistung erhöht,
  • keine langen Stillstandszeiten zum Austausch von Ersatzbatterien (Blei-Säure).

Da das Aufladen der Fahrzeuge auf der Strecke als natürlicher Teil des Betriebsablaufs erfolgen kann, können schnellere Umschlagzeiten und eine höhere Produktivität erzielt werden, während die Maschinenverfügbarkeit bis zu 90 % der Zeit beträgt.

Im Vergleich zu Dieselfahrzeugen und -kränen reduzieren Elektrofahrzeuge neben den lokalen Emissionen auch die Betriebskosten erheblich (im Durchschnitt werden die Kosten halbiert)!

  • Hafenanlagen – Containerumschlaggerät
  • Hafenanlagen – FTF

Weitere Industriezweige

Die Praxis hat bereits gezeigt, dass die Schnelllade-Elektrifizierung neben der Verbesserung der unmittelbaren Umgebung auch wirtschaftliche Vorteile hat. Wir können auch andere Bereiche nennen, für die diese Form der Elektrifizierung zweifellos wirtschaftlich sinnvoll ist. Dies sind insbesondere Bereiche, in denen sich Fahrzeuge und Maschinen in einem definierten Raum bewegen und häufiger aufgeladen werden können, wodurch Stillstandszeiten ausgenutzt werden (z. B. alle 3 Stunden für 8 Minuten).

Die folgenden Bereiche haben ein großes Potenzial:

  • Flughafeneinrichtungen – im Allgemeinen GSE (Bodenunterstützung, engl.: ground support equipment). Konkret zum Beispiel Flugzeugverschieber (Pushback, TaxiBot, stangenlose Schlepper), Förderbänder, Rolltreppen);
  • Baumaschinen – Bagger, Kräne;
  • Hafenschiffe – Fähren, Schlepper;
  • Lagerfahrzeuge – z. B. FTFs, Gabelstapler.

Im Folgenden finden Sie einen Überblick über die Vorteile des Schnellladens:

  • hohe Leistung mittels geringer Batteriekapazität (oft ohne den Einsatz von Klimaanlagen),
  • verlängerte Lebensdauer der Batterie (ähnlich der Lebensdauer des Fahrzeugs selbst),
  • geringere Gesamtbetriebskosten (TCO),
  • erhöhte Produktivität des Fahrzeugs – Aufladen unterwegs während der Stillstandszeiten, Betrieb rund um die Uhr.

Schlussfolgerung

Im Allgemeinen wurde die Entwicklung der Elektrifizierung in allen Bereichen von Hochenergiebatterien (Blei, NMC, LFP) angeführt. Für viele Fahrzeugbetreiber hatte in der Vergangenheit eine möglichst große Reichweite Priorität, da die Batterietechnologien nicht für eine schnelle Aufladung (LTO) ausgelegt waren. Angesichts der aktuellen technologischen Fortschritte können wir sagen, dass in den oben genannten Sektoren Schnellladebatterien betrieblich und wirtschaftlich sinnvoll sind. Deshalb wird hier eine GROSSE Entwicklung erwartet.

Es wird interessant sein zu sehen, welche Sektoren zukunftsweisend werden und durch Schnellladetechnologien elektrifiziert werden können. Darauf werden wir sicher nicht mehr lange warten müssen.

 

Terminologie und Ablürzungen:

Hochenergie, NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt), LFP (Lithium-Eisen-Phosphat)

Hochenergie, LTO (Lithium-Titan-Oxid)

Formen der Elektrifizierung:

  • Schnellladen
  • Gelegenheitsladen
  • Laden im Depot (langsames Laden)

DOD (depth of discharge) – Entladetiefe

SOC (state of charge) – Ladezustand

PEMA – Verband der Hafenausrüstungshersteller

TCO (total cost of ownership) – Gesamtbetriebskosten

 

Quellen:

https://www.kalmar.de/equipment-services/portalhubwagen/fastcharge-straddle/