Pictures of the Future   Herbst 2007

Schnelle Stromdepots

Ob Niedrig- oder Spitzenlast: Leistungsfähige Zwischenspeicher und gute Energie-Management-Systeme garantieren die optimale Stromversorgung von Fahrzeugen.

Bei Autos, Straßenbahnen, U-Bahnen oder Energieversorgungsnetzen gilt gleichermaßen: Elektrische Energie braucht Zwischenspeicher, um optimal eingesetzt werden zu können. Im Auto übernehmen heute mehr und mehr elektronische Bauteile das Ruder, zum einen in modernen Fahrerassistenzsystemen, zum anderen um Energie zu sparen, etwa im Hybridfahrzeug mit einer Kombination von Elektro- und Verbrennungsmotor. Der Elektromotor dient dabei entweder als vollwertiger zweiter Antrieb (im Vollhybrid), als Anfahrhilfe und unterstützender Antrieb (im Mildhybrid), oder er hilft dabei, dass sich der Verbrennungsmotor beim Halt ausschalten und beim Weiterfahren schnell wieder anschalten lässt (im Start-Stop-Hybrid).

Für all diese Funktionen benötigt das Fahrzeug einen leistungsfähigen Energiespeicher. Doch Batterien sind schwer und ihre Energiedichte ist gering. Während in 1 kg Diesel 10 000 Wh stecken, enthält ein Bleiakkumulator nur 30 bis 50 Wh/kg. Auch die Leistungsdichte ist mit bestenfalls 300 W/kg gering. Sollte ein Elektroauto hiermit so schnell beschleunigen können wie ein 90-kW-starker Benziner, müsste es 300 kg an Blei-Batterien im Kofferraum haben. Die meisten Hybridfahrzeuge verwenden daher heute Nickel-Metallhydrid-Batterien mit einer Kapazität von 60 bis 80 Wh/kg. Noch mehr leisten Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien mit 90 bis 150 Wh/kg. Neben der Speicherkapazität ist auch die Lebensdauer eines Akkus begrenzt: eine Bleibatterie kann höchstens etwa tausend Mal geladen werden. Nickel-Metallhydrid- oder Lithiumionen-Batterien leben deutlich länger.

Akkumulatoren lassen sich nur langsam aufladen, ohne Schaden zu nehmen. Doch es gibt viele Fahrzeug-Anwendungen, bei denen es auf eine Schnellladung ankommt, etwa bei der Rückgewinnung von Bremsenergie für Autos oder Straßenbahnen. Dafür geeignete Speicher, deren Einsatz Siemens intensiv vorantreibt, sind Doppelschicht-Kondensatoren mit Kapazitäten von 300 bis 10 000 F – auch Supercaps genannt. Supercaps speichern elektrische Energie, indem sie Ladungen trennen, sobald eine Spannung angelegt wird. Dies geschieht an der Grenzschicht zwischen einem Festkörper und einer Flüssigkeit. Die hohen Kapazitäten werden dadurch erreicht, dass die getrennten Ladungen nur einen Abstand in atomaren Dimensionen haben und die verwendete poröse Graphitelektrode eine große spezifische Oberfläche besitzt.

Supercaps haben zwar nur Energiedichten von 3 bis 5 Wh/kg, aber extrem hohe Leistungsdichten von 2 000 bis 10 000 W/kg. Sie lassen sich innerhalb weniger Sekunden aufladen, und ihre Lebensdauer ist mit etwa einer Million Ladezyklen sehr hoch, da in ihrem Inneren nur physikalische Ladungstrennungsprozesse ablaufen. Sie können sehr schnell große Energiemengen aufnehmen und wieder abgeben. So kann ein Elektromotor in Hybridfahrzeugen, Straßenbahnen oder Lokomotiven beim Bremsen als Generator eingesetzt werden, der die Bremsenergie zurückgewinnt. Sie wird dann in Supercaps gespeichert und später beim Beschleunigen der Fahrzeuge wieder genutzt. Der Vorteil: Treibstoff- und Energieeinsparungen von fünf bis 25 % abhängig vom Fahrzyklus. Die Kondensatorpakete können entweder im Fahrzeug selbst mitgeführt oder, wie es in einigen U-Bahnen – etwa in Madrid, Köln, Dresden, Bochum und Peking – bereits erprobt wird, fest an Streckenabschnitten eingebaut werden. Auch in der Energieversorgung ist der Einsatz von Supercaps denkbar, denn Stromnetze unterliegen ständigen Belastungsschwankungen, auf die schwere Turbinen nicht schnell genug reagieren können. Mit Hilfe flexibler Energiespeicher könnten die Energieversorger Belastungsmaxima und -minima ausgleichen.

"In zehn Jahren könnte diese neue Speicherform nicht mehr aus den Fahrzeugen wegzudenken sein, ebenso wenig wie derzeit der altbewährte Bleiakku", sagt Dr. Manfred Waidhas, Projektleiter für elektrochemische Energiespeicherung bei Siemens Corporate Technology. Für Mildhybrid- oder Start-Stop-Hybrid-Fahrzeuge reicht die begrenzte Energiedichte der Supercaps. "Die Gewährleistung der Versorgung mit elektrischer Energie wird immer wichtiger, zumal wenn es um die Sicherheit geht, wie bei elektrischen Bremsen oder elektrischer Steuerung", betont Horst Gering, Leiter der Abteilung Batterie and Energy Management bei Siemens VDO. Dann muss der Zustand des Energiespeichers stetig überwacht werden. Siemens hat für diese Aufgabe das Batterieüberwachungssystem BMS (Battery Monitoring System) entwickelt. Im Fall der Supercaps werden Innenwiderstand und Kapazität bestimmt, um jederzeit festzustellen, wie viel Strom der Energiespeicher zur Verfügung stellen kann, um bestimmte Aufgaben zu übernehmen. Bei Akkus lässt sich über Sensoren auch die Batteriealterung und der Ladezustand ermitteln. Das Energiemanagementsystem bestimmt dann, wann der Speicher geladen werden muss, damit er immer in seinem optimalen Arbeitsbereich bleibt – und welchem Verbraucher im Lastfall wie viel Strom zur Verfügung gestellt werden kann. Denn wenn gleichzeitig viele aktiv sind, reicht es eventuell nicht für alle. Den Algorithmus dafür hat Siemens "Power Trader" genannt.

"Es ist wie an der Börse", sagt Gering. "Aus der vom Generator erzeugten Energiemenge berechnet der Power Trader das Angebot und legt je nach Nachfrage einen Strompreis fest. Bei großer Nachfrage steigt der Preis. Sicherheitsrelevante Systeme wie die elektrische Bremse sind so eingestellt, dass sie jeden Preis zahlen. Komfortsysteme wie die elektrische Sitzheizung dagegen kaufen lieber weniger ein, bis der Preis weit genug gesunken ist. Im Extremfall schalten sie sogar ab."
                                                                                                                  Bernhard Gerl