Energiespeichersysteme

Für den Antrieb von Motoren wird Energie benötigt, die in entsprechenden Speichern im Fahrzeug mitgeführt wird. Neben dem bekannten Kraftstofftank für die chemischen Energieträger Benzin, Diesel, CNG, LPG und H2, sind auch Schwungradspeicher, Druckspeicher und Batterien/Akkumulatoren denkbare Alternativen.
Hybridantriebe haben mindestens zwei unterschiedliche Energiespeicher. In der Regel sind das bei heutigen Hybridfahrzeugen ein Kraftstofftank und ein elektrischer Energiespeicher, so dass in diesem Kapitel lediglich auf die elektrischen Speicher eingegangen wird.
Speicher für elektrische Energie zeichnen sich dadurch aus, dass sie die Energie in Form von chemischer Energie oder elektrostatisch speichern und die Umwandlung in elektrische Energie ohne den Zwischenschritt über mechanische Energie oder Wärmeenergie erfolgt.
Zwei der wichtigsten Eigenschaften sind Energie- und Leistungsdichte des Speichers. Wie in Bild Hyk1 zu erkennen, gibt es hier deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Speicherarten. Während mit wiederaufladbaren Batterien, den Akkumulatoren, eine vergleichsweise hohe spezifische Energiedichte erreicht werden kann, ist die Stärke der elektrostatischen Speicher die spezifische Leistungsdichte. Mit ca. 150 Wh/kg erreichen diese
Systeme jedoch nicht annähernd die Energiedichte von Otto- oder Dieselkraftstoffen. Deren unterer Heizwert liegt im Fall von Ottokraftstoff bei 40,1-41,8 MJ/kg, d. h. bei 11,14 kWh/kg-11,61kWh/kg [2]. Auch wenn das Gewicht des Kraftstofftankes hinzugerechnet werden muss, sind die Unterschiede überdeutlich. Ebenfalls unter Berücksichtigung des benötigten Volumens für das Speichersystem sind die herkömmlichen Kraftstoffe den Batterien und Kondensatoren weit überlegen (Bild Hyk2). Der Unterschied zwischen den einzelnen Speicherarten wird jedoch etwas relativiert, wenn zusätzlich der nachfolgende Energiewandler betrachtet wird. Die Energie der flüssigen Kraftstoffe Benzin und Diesel wird von einem Verbrennungsmotor nur mit einem verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad in mechanische Energie umgewandelt, wohingegen die in Batterien gespeicherte Energie mit Elektromotoren gewandelt wird, deren Wirkungsgrad z. T. über 95% liegt.

Für das Prinzip der Batterien stehen diverse Elemente des Periodensystems zur Verfügung, Bild Hyk3. Dabei kann die theoretisch höchste Energiedichte mit der Paarung Lithium (Li) und Fluor (F) erreicht werden. Ein Batterie mit dieser Materialpaarung könnte theoretisch eine Energiedichte von 6100Wh/kg [4] erreichen, das Gewicht der Bauteile nicht mitgerechnet. Bei der praktischen Umsetzung spielen jedoch weitere Eigenschaften der Elemente eine Rolle, die z. B. einer hohen Lebensdauer und niedrigen Kosten entgegenstehen können. So befindet sich die Li / Fluor Batterien noch in der Grundlagenforschung.

Neben der Energie- und der Leistungsdichte sind je nach Anwendung weitere Eigenschaften bedeutend. So müssen Batteriesysteme, die in einem Fahrzeug eingesetzt werden, folgende Anforderungen erfüllen:

• hohe spezifische Energie
• hohe spezifische Leistung
• guter Entlade- und Ladewirkungsgrad
• hohe Anzahl von Lade- und Entladezyklen
• hohe Sicherheit
• Temperaturbeständig im Einsatzbereich von Automobilen
• niedrige Kosten

Die jeweils geforderte Ausprägung dieser Eigenschaften ist dabei vom konkreten Einsatz des Batteriesystems abhängig. Für die Anwendung in Otto- und Dieselantrieben haben sich die ausgereiften und kostengünstigen Bleibatterien durchgesetzt. Ihre Energie- und Leistungsdichte ist jedoch für Hybridantriebe nicht ausreichend, so das hier NiMH und künftig Li-Ion Akkumulatoren Anwendung finden (Bild Hyk4). Speziell für Hybridantriebe wurden die Anforderungen an Akkumulatoren von USABC (United States Council for Automotive Research) festgelegt. (Bild Hyk5)

Im folgenden werden einige der Systeme kurz vorgestellt.



[1] SAFT: Quelle für Leistungsdichte
[2] www.aral.de
[3] T. Brunner: "BMW CleanEnergy – Fuel Systems, Liquid Hydrogen Vehicle Storage”, ZEV Technology Symposium, Sacramento, 2006
[4] J. Friedrich: "Anforderungen an elektrische Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge und resultierende Anwendungsspektren", E-MOTIVE Elektrifizierter Fahrzeugantriebsstrang, Hannover, 2008
[5] A. Habib: “High-Power Electrochemical Storage Devices and Plug-In Hybrid Electric Vehicle Battery Development”, Presentation from the U.S. DOE Office of Vehicle Tchnologies “Mega” Merit Review”, US advanced Battery Consortium, Bethesda, Maryland, 2008