Traktionsbatterien in schweren Elektrofahrzeugen (4/5)
Neben den Hybrid-Oberleitungsbussen und Elektrobussen, die in den letzten beiden Lektionen unserer Batterie-Universität ebenfalls behandelt wurden, werden wir uns diesmal mit dem Einsatz von Batterien in anderen schweren Elektrofahrzeugen im Stadtverkehr beschäftigen. Dazu gehören Brennstoffzellen- und Hybridbusse, batteriebetriebene Straßenbahnen und Züge, schwere Nutzfahrzeuge für städtische Dienstleistungen und andere Einsatzmöglichkeiten.
1. Brennstoffzellen-Elektrobusse
a) Fahrzeuge und ihr Einsatz
Im Zusammenhang mit Brennstoffzellenbussen wird manchmal auch von Wasserstoffbussen gesprochen. Dies ist jedoch nicht ganz zutreffend. Wasserstoff kann auch in einem Fremdzündungsmotor verbrannt werden, ähnlich wie zum Beispiel Erdgas. Wie Testprojekte gezeigt haben, ist diese Verwendung von Wasserstoff zwar auch umweltfreundlich, aber sehr unwirtschaftlich. Deshalb wird Wasserstoff heute fast ausnahmslos in der Brennstoffzelle verwendet. Dort wird ein schwacher elektrischer Strom erzeugt, indem ein Elektron von einem Wasserstoffatom abgetrennt, durch einen Stromkreis geleitet und mit dem verbleibenden Wasserstoffkation und Sauerstoff zu Wasserdampf rekombiniert wird.
Der betriebliche Vorteil von Brennstoffzellenbussen gegenüber reinem Batteriestrom liegt vor allem in der Reichweite pro Tankfüllung, die mit der eines Dieselbusses vergleichbar ist. Es ist gerade dieser Vorteil, weshalb Brennstoffzellenbusse weiterentwickelt werden. Der Hauptnachteil ist die Notwendigkeit einer Wasserstoff-Tankinfrastruktur sowie eines komplexeren und teureren Antriebssystems, das sich im Preis des Fahrzeugs niederschlägt.
In unserer Batterie-Universität werden wir diesen Antrieb nicht im Detail behandeln, aber wir werden die Rolle der Traktionsbatterien in diesem System näher betrachten.
b) Traktionsbatterie
Es gibt zwei grundlegende Konzepte für den Antrieb von Brennstoffzellenbussen.
Bei dem ersten Konzept ist die Brennstoffzelle die Hauptenergiequelle. Ein Beispiel für dieses Konzept ist der Brennstoffzellenbus von Van Hool. Die Hauptenergiequelle ist eine 80-kW-Brennstoffzelleneinheit, die durch 36-kWh-Lithium-Titan-Oxid-Batterien (LTO) ergänzt wird.
Beim zweiten Konzept ist die Hauptenergiequelle eine Traktionsbatterie. Diese kann, ähnlich wie beim „Nacht“-Elektrobus, an einer Steckdose aufgeladen werden und wird während der Fahrt durch eine Brennstoffzelle mit geringerer Leistung als im ersten Fall nachgeladen. Dieses Konzept wird z. B. von Solaris in ihrem Brennstoffzellenbus verwendet.
Beide Konzepte sind richtig und unterscheiden sich in ihrer Eignung für eine bestimmte Betriebsart. Während ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit von 80 kW oder mehr als Hauptenergiequelle, ergänzt durch eine kompensierende Kleinbatterie, für den Stadt- und Vorortbetrieb geeignet ist, ist ein Fahrzeug mit einer kleineren Brennstoffzelleneinheit und einer größeren Batterie auch für längere Strecken geeignet.
Aber auch diese Definition ist nicht ausnahmslos gültig. Einige Hersteller haben für dieses Konzept niedrigere Brennstoffzellenleistungen, z. B. 70 kW, und einige haben deutlich höhere Leistungen, bis zu 120 kW. Schauen wir uns die Gründe dafür einmal genauer an.
Die Batterie ist immer ein wesentlicher Bestandteil eines Brennstoffzellenbusses. Aufgrund ihrer physikalischen Funktionsweise (siehe oben) kann die Brennstoffzelle eine konstante Leistung bereitstellen, die aber für die Anforderungen des Busantriebs nicht ausreichend ist. Auch sollte das System nicht wiederholt aus- und eingeschaltet werden. Kurz gesagt, die Brennstoffzelle muss eine konstante Leistung liefern, z. B. 80 kW, wie im Beispiel von Van Hool gezeigt. Die Energie aus diesem Wasserstoffgerät fließt in die Traktionsbatterie, die über den Traktionsumrichter die Elektromotoren mit Energie versorgt und auch Energie für den Nicht-Traktionsverbrauch liefert. Die erforderliche Traktionsleistung für 12-Meter-Fahrzeuge beträgt in der Regel 200 bis 250 kW. Die Traktionsbatterie muss daher für diese Leistung ausgelegt sein.
Eines der wichtigsten Merkmale von Stadtbussen ist das Gewicht, weshalb für Brennstoffzellanwendungen eine kleine Batterie gewählt wird, die als Puffer dient. Ihre Aufgabe ist es, die für den Antrieb benötigte Leistung auszugleichen und gleichzeitig die Energie aus der Rückspeisung beim Bremsen zu absorbieren. Eine kleine Batterie benötigt wenig Platz und ist leicht, was Schlüsselfaktoren für einen Stadtbus sind. Die Zyklen sind ebenfalls wichtig, aber weniger wichtig als bei vollelektrischen Bussen. Ein solcher Brennstoffzellen-Stadtbus steht häufig still, und während dieser Zeit wird die Traktionsbatterie über das Wasserstoffsystem geladen. Die Entladetiefe der DOD-Batterie (Entladungsgrad, vom englischen DOD, depth of discharge) ist daher relativ gering.
| Konfigurace systému | Systemkonfiguration |
| Cyklus | Zyklus |
| Stáří systému: 0 let | Systemalter: 0 Jahre |
| Napětí při zatížení (V) | Spannung bei Last (V) |
| SoC [%] | SoC [%] |
| Cas (s) | Zeit (s) |
| Nabíjecí napětí | Ladespannung |
| Dolní mez baterií | Unterer Grenzwert der Batterie |
| Horní mez baterií | Oberer Grenzwert der Batterie |
| SoC = stav nabití baterie | SoC = Ladezustand der Batterie |
Das Diagramm oben zeigt als Beispiel eine LTO-Batterie mit 40 kWh für einen Brennstoffzellenbus im Stadtverkehr. Wie in der schwarzen Kurve zu sehen ist, liegt der Energieverbrauch im Bereich von 60 bis 30 %, d.h. bei DOD = 30 % (wir haben den DOD-Wert für die Lebensdauerberechnung auf 30 % gerundet).
Allerdings ist die Temperatur ein Problem, da die Leistung der Traktionsbatterie während des Betriebs sehr hoch ist und die Batterie viel Abwärme produziert, die sie aufheizt. Das Kühlsystem muss diesen Wärmeverlust ausgleichen, aber die Betriebstemperatur der Batterie wird immer höher sein als die Temperatur des Kühlmediums, egal ob Luft oder Flüssigkeit.
In dem Beispiel im Diagramm steigt die Temperatur der Batterie auf 45 °C, und in der folgenden Tabelle können wir die Lebensdauer der Batterie abziehen.
| 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) | Zyklische Lebensdauer (Anzahl der Zyklen, bis 80 % der ursprünglichen Kapazität erreicht sind) |
Wir wissen, dass die durchschnittliche Temperatur der Batterie 45 °C und die Entladetiefe der Batterie zu Beginn ihrer Lebensdauer 30 % beträgt. Anhand der Tabelle subtrahieren wir einfach die Anzahl der Zyklen, die die Batterie durchlaufen kann, bevor ihre Kapazität auf 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität sinkt. In der Tabelle haben wir die Zelle markiert, die dieser Zahl entspricht.
Das Diagramm zeigt, dass die Batterie insgesamt 12 Mal pro Tag geladen und entladen wird. Wenn wir davon ausgehen, dass jede dieser Ladungen und Entladungen die gleiche Energiemenge verbraucht, kann die Batterie insgesamt 110.278/12 = 9.189 Tage oder bis zu 25 Jahre lang betrieben werden.
Eine solche Lebensdauer ist unnötig lang, und es besteht die Möglichkeit, die Batterie zu optimieren, indem entweder ein größerer Teil ihrer Kapazität genutzt und die Leistung der Brennstoffzellen verringert wird oder eine Batterie mit geringerer Kapazität verwendet wird. Geringere Kapazität = geringere Kosten, geringeres Gewicht – das sind zwei wichtige Bereiche.
Während das erste Konzept mit einer Batterie als Ausgleichselement Brennstoffzellen als Hauptenergiequelle hat, hat das zweite Konzept eine Traktionsbatterie als Hauptenergiequelle und die Brennstoffzellen werden zum langsameren kontinuierlichen Nachladen verwendet. Dieses Konzept ist einem herkömmlichen Elektrobus sehr ähnlich, bei dem die Brennstoffzellen ein wirksames Mittel zur Erhöhung der Energie im System und damit der Reichweite sind. Die Batterie hingegen muss so viel Kapazität wie möglich haben. Um eine ausreichende Fahrzeugauslastung zu gewährleisten, muss sie aber auch möglichst leicht sein.
| Průběh aktuální kapacity baterie během jednoho dne v provozu | Aktuelle Batteriekapazität während eines Betriebstages |
| AKTUÁLNÍ KAPACITA BATERIE V KWH | AKTUELLE BATTERIEKAPAZITÄT IN KWH |
| POČET HODIN V PROVOZU | ANZAHL DER BETRIEBSSTUNDEN |
Im zweiten Diagramm sehen wir eine Simulation einer Fahrt eines Brennstoffzellenbusses mit einer Batterie mit großer Kapazität, hier konkret 200 kWh, und einer Brennstoffzelleneinheit mit 50 kW. Der Bus fährt jeweils 100 km und hält dann für 30 Minuten an. Die Brennstoffzellen liefern weiterhin Energie an die Batterie.
Da die Batterie nicht kontinuierlich durch Schnellladung mit hohen Ladeleistungen geladen wird und ihre Kapazität auf dem Niveau der Antriebsleistung liegt (1C bei C-Rate => Umrichterleistung = Batteriekapazität), ist es optimal, eine Lithiumbatterie mit der höchsten spezifischen Energie zu wählen, d. h. NCA (Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid). Diese ist jedoch in der Regel nicht verfügbar, da sie von den Herstellern für den elektrischen PKW-Verkehr in vollem Umfang genutzt wird. Deshalb ist es ratsam, eine NMC-Batterie (Lithium-Nickel-Magnesium-Kobalt-Oxid) zu verwenden. Die zyklische Belastung ist so bemessen, dass die Batterie während des Betriebstages einen vollständigen Zyklus durchführt (z. B. bis zu 80 % der Entladetiefe). In diesem Fall kann die Batterie je nach Hersteller 3.000 bis 4.000 Zyklen durchlaufen. Dies entspricht 4.000 Betriebstagen oder 11 Jahren Betrieb an 360 Tagen pro Jahr.
Eine LFP-Batterie (Lithium-Eisen-Phosphat) kann jedoch auch in Betracht gezogen werden, wurde aber in Brennstoffzellenbussen praktisch nicht verwendet. LFP-Batterien haben im Vergleich zu NMC eine deutlich geringere spezifische Dichte (NMC-Zellen haben eine spezifische Energie von über 220 Wh/kg, einige LFP-Hersteller geben eine spezifische Energie von bis zu 120 Wh/kg an). Wenn wir theoretisch eine LFP-Batterie mit 100 kWh verwenden, die kurzzeitig eine Leistung von 2C, also 200 kW, bewältigen kann und die wir mit 100 kW aus Brennstoffzellen aufladen, könnten wir eine solche Batterie als drittes Konzept auf halbem Weg zwischen dem kleinen LTO-Batteriekonzept und dem großen NMC-Batteriekonzept einsetzen.
Vergleichen wir nun das Gewicht der NMC- und der LFP-Batterie (nur die Batteriezellen werden berücksichtigt). Die NMC-Batterie hat eine Kapazität von 200 kWh und eine spezifische Energie von 220 Wh/kg, die LFP-Batterie eine Kapazität von 100 kWh und eine spezifische Energie von 120 Wh/kg. In diesem Fall sind beide Batterien ungefähr gleich schwer. Allerdings ist die LFP-Batterie mit 100 kWh deutlich preisgünstiger als die NMC-Batterie mit 200 kWh.
2. Hybrid-Busse
a) Fahrzeuge und ihr Einsatz
Diesel-Hybrid-Busse erleben eine Renaissance, da sie beim Anfahren (innerhalb weniger hundert Meter, bis zu einer Geschwindigkeit von etwa 20 km/h) Batterien für den elektrischen Antrieb nutzen und diese durch regeneratives Bremsen wieder aufladen. Der Diesel bleibt der Hauptantrieb, aber dank des Hybridkonzepts lassen sich bis zu 30 % Kraftstoff einsparen, ganz zu schweigen vom Geräuschpegel beim Anfahren. Die meisten Bushersteller bieten diesen Antrieb inzwischen an. Neben Batterien werden auch Superkondensatoren als Energiespeicher verwendet, die widerstandsfähiger gegen häufiges Auf- und Entladen sind und deren um eine Größenordnung geringere Energiedichte hier keine große Schwierigkeit darstellt.
Beim Plug-in-Hybridantrieb wird der vollelektrische Antrieb mit einer Plug-in-Ladung und einem Dieselmotor kombiniert. Ein 12 m langer Plug-in-Hybrid (oder Elektro-Hybrid) von Volvo hat zum Beispiel eine vollelektrische Reichweite von etwa 7 km mit einer Batterieladung. Wenn die Kapazität sinkt oder zusätzliche Leistung benötigt wird, schaltet der Antrieb auf Hybrid um, wobei das Drehmoment je nach den aktuellen Betriebsbedingungen automatisch zwischen dem Elektro- und dem Dieselmotor aufgeteilt wird.
b) Traktionsbatterie
Der Stadtverkehr, sei es ein PKW oder ein Hybrid-Stadtbus, ist durch häufiges Anhalten und Anfahren belastet. Dies bedeutet eine hohe Leistung für das Anfahren des Fahrzeugs sowie eine Energierückgewinnung zurück in den Energiespeicher. Wir verwenden bewusst die Bezeichnung Energiespeicher, da, wie in der Einführung zu den Hybridbussen erwähnt, teilweise Superkondensatoren anstelle von Batterien eingesetzt werden. Diese haben den Vorteil, dass sie eine sehr hohe C-Rate erreichen können und eine lange Zykluslebensdauer haben, was ideal für einen Start-Stopp-Hybridantrieb ist. Diesen Weg geht zum Beispiel Mercedes mit dem Citaro Hybrid.
Das Konzept eines Hybridbusses mit Batterie ist sehr ähnlich – eine kleine Batterie liefert die Energie zum Anfahren und gewinnt die Bremsenergie zurück. In Hybridfahrzeugen werden nicht nur Lithium-Ionen-Batterien, sondern auch andere Chemikalien wie Nickel-Metallhydrid (NiMH-Batterien) verwendet. Bei einem Hybridantrieb werden deren Energiereserven, ob Superkondensatoren oder Batterien, mit einer sehr geringen Entladetiefe genutzt und können so eine lange Lebensdauer erreichen – genau wie das Fahrzeug selbst.
Im Gegensatz zu Hybridfahrzeugen ähnelt das Konzept von Plug-in-Hybridfahrzeugen eher dem von herkömmlichen Elektrobussen. Auch hier kann die Batterie mit einem externen Ladegerät aufgeladen werden. Der Unterschied besteht darin, dass die Reichweite mit reinem Batteriestrom im Vergleich zu Elektrobussen deutlich geringer ist. In der Regel beträgt sie bis zu zehn Kilometer. Wenn wir also von einem Verbrauch von 1,5 kWh/km ausgehen, wie in der vorhergehenden Lektion über Elektrobusse, und als End-of-Life-Bedingung festlegen, dass die Batterie 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität erreicht, sollte die Hybridbatterie eine Kapazität von mindestens 18,75 kWh haben.
Betrachten wir nun das gesamte Antriebssystem. Plug-in-Hybride können zwei Arten von Antriebssystemen haben. Bei der ersten Art arbeiten der Elektromotor und der herkömmliche Verbrennungsmotor parallel (so genannter Parallel-Hybrid), d. h. sie können zusammen oder getrennt arbeiten oder sich das erforderliche Antriebsmoment teilen. Bei der zweiten Art des Hybridantriebs fungiert der interne Verbrennungsmotor als Generatormotor, der eine Batterie auflädt, die dann den/die Elektromotor(en) versorgt (so genannter Seriell-Hybrid).
Zur Veranschaulichung des Unterschieds zwischen PHEVs und HEVs (Plug-in-Hybrid und Hybrid) dient die folgende Abbildung.
| SOC & PHEV | SOC & PHEV |
| charging from an external source | Aufladen von einer externen Quelle |
| driving an internal combustion engine | Antrieb durch internen Verbrennungsmotor |
| driving on battery | batteriebetriebener Antrieb |
| hybrid operation – battery, internal combustion engine | Hybridbetrieb – Batterie, interner Verbrennungsmotor |
Der Unterschied zwischen PHEVs und HEVs liegt in der Funktionsweise der Batterie. Ein PHEV kann von Anfang bis Ende wie in der gesamten Kurve dargestellt betrieben werden – Laden, Fahren mit Verbrennungsmotor, Fahren nur mit Batterie und Hybridbetrieb mit Verbrennungs- und Elektromotor. Im HEV-Betrieb arbeitet die Batterie nur wie im letzten Teil der gezeigten Kurve – sie oszilliert immer entlang einer bestimmten SOC-Ladezustandsgrenze.
3. Batteriebetriebene Schienenfahrzeuge für die Personenbeförderung
a) Fahrzeuge und ihr Einsatz
Straßenbahnen mit Batterietanks für den Betrieb ohne Oberleitung werden auch im Ausland im städtischen Verkehr eingesetzt. Diese sind in der Regel für kurze Strecken von einigen hundert Metern bis zu mehreren Kilometern ausgelegt.
Ein Beispiel ist die Straßenbahn Škoda ForCity Classic für die türkische Stadt Konya. Die Länge der Strecke beträgt hier 4 km mit Oberleitung und 2 km ohne Oberleitung. Die Straßenbahn für dieses Projekt ist so konzipiert, dass sie über eine Strecke von bis zu 15 km unabhängig fahren kann.
Auf einer größeren Kapazitäts- und Leistungsskala stoßen wir auf den Einsatz von Traktionsbatterien in Personenzügen (elektrische Einheiten). Bei diesen löst die Speicherung von Batterieenergie das Problem des elektrischen Betriebs auf kürzeren, nicht elektrifizierten Abschnitten neben einer elektrifizierten Hauptstrecke. Eine investitionsintensive Elektrifizierung ist also nicht erforderlich.
Ein Beispiel ist der FLIRT Akku von Stadler für den deutschen Regionalbetreiber NAH.SH. Diese elektrischen Einheiten haben unter optimalen Bedingungen eine Batteriereichweite von bis zu 150 km. Die längste nicht elektrifizierte Strecke, auf der sie eingesetzt werden sollen, wird voraussichtlich 80 km lang sein – ähnlich wie bei den Straßenbahnen für Konya ist also genügend Betriebsreserve vorhanden. Die Batterien werden während des Aufenthalts an den fünf Stationen und während des Betriebs auf der Strecke über die Schütz-Infrastruktur aufgeladen.
b) Traktionsbatterie
Wie bei den Elektrobussen und somit bei allen Elektrofahrzeugen hängt die Wahl der geeigneten Batterieanwendung für Schienenfahrzeuge von dem Einsatzzweck ab, für den sie bestimmt sind. Man kann sagen, dass der Betrieb von batteriebetriebenen Schienenfahrzeugen sozusagen noch in den Kinderschuhen steckt. Es gibt jedoch weltweit mehrere Projekte, die Erfahrungen mit batteriebetriebenen Fahrzeugen sammeln. Wie aus der Einleitung hervorgeht, müssen die Fahrzeuge auch in städtische Anwendungen wie U-Bahnen und Straßenbahnen, und Eisenbahnanwendungen, d. h. Personen- und Güterzüge, unterteilt werden.
Für städtische Anwendungen ist eine kurze Strecke von einigen Kilometern für den Batteriebetrieb typisch. Die Batteriekapazität muss daher nicht groß sein, aber die Batterie muss eine hohe Entladeleistung und eine lange Zykluslebensdauer aufweisen. Für Stadtbahnfahrzeuge ist eine Lithium-Titan-Oxid-Batterie (LTO) am besten geeignet, da sie bei geringer Kapazität ausreichend Strom für das Antriebssystem liefern kann und eine lange Zykluslebensdauer hat. Dadurch muss sich der Betreiber nicht um einen häufigen Batteriewechsel kümmern.
Bei der Auslegung der richtigen Batteriekonfiguration, d. h. ihrer Kapazität, ist es optimal, eine Simulation des Batteriebetriebs durchzuführen, um zu bestätigen, dass sie in Bezug auf Spannung, Kapazität und Batterieleistung richtig gewählt ist.
Die Analyse des Batteriebetriebs ist bereits im Abschnitt über Brennstoffzellenbusse im ersten Diagramm dargestellt. Das folgende Diagramm zeigt ein Beispiel für die Analyse des Batteriebetriebs einer städtischen Straßenbahn. Die analysierte Batterie hat eine Konfiguration mit einer Nennspannung von 460 V DC und einer Kapazität von 60 kWh.
| Konfigurace systému | Systemkonfiguration |
| Cyklus | Zyklus |
| Stáří systému: 0 let | Systemalter: 0 Jahre |
| Napětí při zatížení (V) | Spannung bei Last (V) |
| SoC [%] | SoC [%] |
| Cas (s) | Zeit (s) |
| Nabíjecí napětí | Ladespannung |
| Dolní mez baterií | Unterer Grenzwert der Batterie |
| Horní mez baterií | Oberer Grenzwert der Batterie |
| SoC = stav nabití baterie | SoC = Ladezustand der Batterie |
Bei Zuganwendungen variieren Typ, Konfiguration und Verwendung von Traktionsbatterien stark. Es sei jedoch gesagt, dass es viel Raum für die Elektrifizierung des Zugverkehrs, sowohl im Güter- als auch im Personenverkehr, auf der Schiene gibt. Wir haben bereits den FLIRT Akku von Stadler erwähnt, der mit LTO-Batterien betrieben wird, ebenso wie der Desiro ECO von Siemens. Im Allgemeinen ist LTO auf der Schiene vorherrschend.
Betrachten wir jedoch auch andere Chemikalien und Beispiele für ihre Verwendung. Die NMC-Technologie wird von Bombardier in seinen Talent-3-Zügen eingesetzt, ebenso wie in den Zügen Coradia iLint H2 von Alstom, deren Hauptenergiequelle Brennstoffzellen sind, die nach dem oben für Brennstoffzellenbusse beschriebenen Prinzip arbeiten. Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien werden in den Elektrostar-Zügen von Bombardier eingesetzt.
Die Zukunft auf der Schiene liegt nicht nur in reinen Batterieanwendungen, sondern auch in Hybrid- und Brennstoffzellenanwendungen. Unabhängig davon, welche dieser Anwendungen sich durchsetzt, ist eines klar: Die Welt der Schiene folgt den Trends im Transportwesen, genau wie der Personen-, Bus- und Güterverkehr.
4. Elektrische Schwerlastkraftwagen für den Stadtverkehr
a) Fahrzeuge und ihr Einsatz
Elektrische Schwerlastkraftwagen für den städtischen Dienst und den städtischen Güterverkehr stecken im Hinblick auf kommerzielle Verkehrsanwendungen noch in den Kinderschuhen. Dennoch können sie eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Bedingungen in den Städten spielen, sei es in Bezug auf die Emissionen oder die Lärmbelästigung. Man bedenke, dass diese Fahrzeuge oft in den Randstunden des Tages fahren, wenn die meisten Menschen schlafen.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Verhältnis zwischen dem Energieverbrauch für den Eigenantrieb und den Nebenantrieben deutlich anders sein wird als z. B. bei Elektrolinienbussen. Während es beim Elektrobus vor allem um die elektrische Heizung und Klimatisierung geht, muss beispielsweise ein Müllfahrzeug auch den Aufbau zum Be- und Entladen sowie zur Müllverdichtung antreiben. Die Ausstattung muss mit Traktionsbatterien und der Betriebsweise darauf abgestimmt werden.
Ein Beispiel für eine solche Fahrzeugplattform ist der Elektro-LKW FE Electric von Volvo mit einem Gesamtgewicht von 27 Tonnen und Batterien mit einer Kapazität von 200 bis 300 kWh. Sie sollen mit einer einzigen Ladung bis zu 200 km weit fahren, wobei eine schnelle Gleichstromladung mit 150 kW an einer genormten CCS-Steckdose etwa anderthalb Stunden und eine langsame Wechselstromladung mit 22 kW etwa zehn Stunden dauert.
b) Traktionsbatterie
Die Auswahl der geeigneten Batterie für diesen Fahrzeugtyp ist nicht mehr an ein bestimmtes Projekt gebunden, wie dies z. B. bei Elektrobussen der Fall ist. Für die Elektrifizierung von kommunalen Nutzfahrzeugen stehen mehrere Standardprodukte verschiedener Hersteller zur Verfügung.
Was die Traktionsbatterien betrifft, so ähnelt der Betrieb dieser Fahrzeuge am ehesten dem von Bussen mit Ladung über Nacht. Die Traktionsbatterie muss über eine ausreichende Kapazität für den ganztägigen Betrieb des Fahrzeugs verfügen. Im Falle von Müllfahrzeugen spielt auch die Größe der Traktionsbatterie eine wichtige Rolle.
5. Beispiele für weitere Batterieantriebe
In diese Kategorie fällt vor allem der Einsatz von batterieelektrischen Antrieben, die wir in unserer Universität bereits auf weniger konventionelle Weise behandelt haben.
a) Beispiel: elektromobile öffentliche Bibliothek
Ein Beispiel ist der Einsatz von zwei Elektrobussen als mobile öffentliche Bibliotheken in Göteborg, Schweden. Grundlage ist ein serienmäßiger 12 m langer Elektrobus von Volvo, dessen Karosserie von einem finnischen Spezialhersteller zu einer attraktiven Bibliothek umgebaut wurde (siehe Artikel in der Broschüre Electric buses for the city IX). Als Energiespeicher dient eine Traktionsbatterie mit einer Kapazität von 250 kWh, die über Nacht an einer genormten CCS/Combo2-Steckdose aufgeladen wird. Die fahrbare Bibliothek legt tagsüber etwa 70 bis 80 km zurück. In Bezug auf die tatsächliche Fahrleistung wären die Traktionsbatterien ziemlich überdimensioniert. Allerdings muss man den notwendigen Nicht-Traktionsverbrauch für Heizung und Klimatisierung berücksichtigen, der hier pro Kilometer deutlich höher ist als im Linienbetrieb.
Für ähnliche nicht-traditionelle Anwendungen ist es möglich, Batterien aus Linienfahrzeugen zu verwenden, die bereits durch andere ersetzt wurden. Selbst wenn die Kapazität dieser gebrauchten Batterien bereits 80 % oder weniger des ursprünglichen Wertes beträgt, können sie immer noch eine vollwertige Energiequelle für ein Fahrzeug sein, das nicht so oft fährt wie ein Auto, das nicht unbedingt auf die Belegung ausgerichtet ist. Wenn die Konstruktion des Fahrzeugs beispielsweise eine bestimmte Nutzung zulässt, können weitere Batterien aus den Originalfahrzeugen verwendet werden. Dies würde die Lebensdauer der Batterien nicht nur bei stationären Anwendungen, die wir in der nächsten Lektion unserer Batterie-Universität besprechen werden, erheblich verlängern, sondern sie auch für den Betrieb in dem Modus anbieten, für den sie ursprünglich konzipiert und hergestellt wurden – im Fahrzeug.
b) Beispiel: Elektroboote
Erweitert man den städtischen Verkehr auf den Bootsverkehr, so kommt man zum Beispiel auf den Betrieb von Elektrobooten auf dem Brünner Stausee. Die Energiequelle für ihren Antrieb sind 300-V-Blei-Traktionsbatterien mit einer Kapazität von 336 kWh oder 1120 Ah; die Steuerspannung beträgt 24 V. Die Blei-Säure-Batterien haben auf dem Schiff eine Doppelfunktion: Neben der Speicherung von elektrischer Energie dienen sie auch als Ballast auf dem Boden des Schiffs und verleihen ihm so die notwendige Stabilität. Das hohe Gewicht der Blei-Säure-Batterien, das sonst überall ein Problem darstellt, wird bei Elektrobooten also zum Vorteil.
Wie bei den Radfahrzeugen gibt es keine einheitliche Technologie, die alle Schifffahrtsarten auf einmal abdecken kann, sondern die Anforderungen an den Batteriebetrieb – Reichweite pro Ladung, Anforderungen an die Ladefrequenz, Lade- und Entladeleistung usw. – müssen sorgfältig ermittelt werden. Bei kleineren Schiffen sind am häufigsten Blei-Säure- oder LFP-Batterien anzutreffen. Es gibt jedoch auch LTO-Batterieanwendungen, wie z. B. das Test-Elektroboot AiriEl für 80 Passagiere des Herstellers BB Green.
Kurz gesagt: Grün ist der Baum des Lebens – und das schließt Batterieantriebe nicht aus.
František Šťastný, EBZ nano power s.r.o.
Jakub Slavík, Smartcityvpraxi.cz
Foto © Smartcityvpraxi.cz