Schnelle Konkurrenz für Batterien

Anbieter zum Thema

GGB Heilbronn GmbH

Schwarz AG - Warmpresswerk

Angehrn AG - Umformtechnik

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Energie nachhaltiger nutzen

Beim Betrieb von Strassenbahnen oder elektrisch betriebenen Oberleitungsbussen ist die Rückgewinnung von Bremsenergie bereits seit Jahrzehnten gang und gäbe. Bremst der Fahrer, wird die kinetische Energie des Fahrzeugs mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie umgewandelt und über die Leitung, die Bahn oder Bus mit Energie versorgt, zurück ins Stromnetz gespeist. Autarke Fahrzeuge, die ihre Antriebsenergie während der Fahrt nicht aus einem Netz beziehen, benötigen dagegen einen Speicher an Bord, der die beim Bremsen oder im Schubbetrieb – also beim Ausrollen mit Motorbremse – frei werdende Energie möglichst vollständig und ohne Verzögerung auffängt und lagert.

Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor kann eine Rekuperationslösung den Sprit-Verbrauch um fünf bis zehn Prozent verringern. Bei Fahrzeugen mit Elektromotoren sind Energieeinsparungen von bis zu 20 Prozent möglich. Ähnlich sieht es bei Gabelstaplern und Lagertechnikfahrzeugen aus: «Auch hier erschliesst regeneratives Bremsen ein Einsparpotenzial von bis zu 20 Prozent, was in etwa drei Kilowattstunden pro Schicht entspricht», erklärt Montnacher. Zusätzlich kann gut ein Viertel der Energie, die aufgewendet wurde, um beispielsweise die Gabel eines Staplers anzuheben, beim folgenden Absenken der Gabel wiedergewonnen werden.

Eine On-Board-Speicherlösung würde auch die Energieeffizienz von ortsgebundenen Regalbediengeräten (RBG) in den Gassen automatisierter Hochregallager verbessern, wie sie in grossen Warenverteilzentren oder in den Teile- und Warenlagern von Industrieunternehmen üblich sind. Die Regale in solchen Lagern können bis zu 40 Meter hoch sein und erstrecken sich nicht selten über zehn bis 20 Gassen mit bis zu 80 Metern Länge.

Bei mobilen Staplern wie bei Regalbediengeräten lässt sich Energie sowohl beim Bremsen als auch beim Absenken zurückgewinnen. Bislang wird dieser Energieüberschuss entweder über einen Bremswiderstand in Wärme verwandelt und abgestrahlt, über eine Rückspeiseeinheit in das Stromnetz eingeleitet oder unmittelbar in Form eines Energieausgleichs einem anderen Antrieb zur Verfügung gestellt. Der Energieausgleich ist bisher die effizienteste Form der Energienutzung. Er lässt sich jedoch nur umsetzen, wenn sich das Regalbediengerät beispielsweise während des Absenkens gleichzeitig vor- oder zurück- – etwa zum nächsten Lagerplatz – -bewegen soll.

Je nach Grösse und Gewicht der Teile, die transportiert werden, erreichen die Fördergeräte Geschwindigkeiten von bis zu sechs­einhalb Metern pro Sekunde. Ein typischer Bremsvorgang dauert vier bis sechs Sekunden, ein Senkvorgang ist in maximal zehn Sekunden abgeschlossen. Nur diese kurzen Zeitspannen stehen zur Verfügung, um die Energie, die beim Bremsen oder Absenken frei wird, abzuspeichern. «Weder Superkondensatoren noch Batterien würden das schaffen. Supercaps könnten nicht genug Energie aufnehmen, Batterien wären zu langsam. Für solche Anwendungen braucht man Hybridzellen, die man sehr schnell laden kann und die eine vernünftige Energiedichte haben», sagt Harald Holeczek vom Fraunhofer IPA.

Leistungsdichte wie Supercaps

Die FastStorage-PowerCaps sollen am Ende eine vergleichbare Leistungsdichte und Schnellladefähigkeit aufweisen wie Supercaps sowie eine Energiedichte, die an die herkömmlicher Batterien heranreicht. Gleichzeitig streben die Entwickler eine Lebensdauer von zehn bis fünzehn Jahren an – für Batterien sind drei bis acht Jahre typisch. Die PowerCaps sollen zudem eine deutlich höhere Temperaturbeständigkeit haben als Batterien, hundert Mal mehr Ladezyklen überstehen und ihre Ladung über mehrere Wochen ohne nennenswerte Verluste durch Selbstentladung halten können.

Um das zu erreichen, nutzen die Hybridzellen eine Kombination aus physikalischen und chemischen Speicherprinzipien: einmal die Ladungstrennung an den Grenzflächen zwischen Elektrode und Elektrolyt durch den Doppelschichteffekt, mit dem herkömmliche Kondensatoren arbeiten, sowie Redox-Reaktionen von Metalloxiden oder Metallhydroxiden. «Redox-­Reaktionen sind vollständig reversibel und lassen sich sehr oft wiederholen. Zwar laufen sie nicht so schnell ab wie die Speicherung von Energie in einer Doppelschicht. Dafür sind sie um ein Vielfaches schneller als beispielsweise die Speicherprozesse in Lithium-Batterien, bei denen Lithium-Ionen von der einen Elektrode zur anderen wandern», erklärt Verfahrenstechniker Holeczek.

(ID:43181351)