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Superkondensatoren werden schon in vielen Bereichen eingesetzt, um die Lebensdauer von Akkus zu verlängern. Dies ist auch in elektrischen Nutzfahrzeugen wie Elektro-Lastern oder E-Bussen möglich. Das zeigt eine Simulation von Eaton, einem Hersteller von Energiemanagement-Lösungen.
Die unterschiedlichen Anforderungen von Elektro-PKW und Nutzfahrzeugen
Für elektrische PKW sind Lithium-Ionen-Akkus die Technologie der Wahl. Hier stehen Reichweite, Leistung und Ladezeit im Vordergrund. Deshalb wird die Batterie im Elektroauto größer dimensioniert, als für die täglich zurückgelegten Strecken nötig ist. So wird das Fahrzeug mit der Leistung und Energiedichte versorgt, die es für häufige Beschleunigung und Rekuperation braucht.
Nutzfahrzeuge wie Lieferwagen, Elektro-Laster und Busse dagegen haben spezifische, vorhersehbare Fahrprofile. Entsprechend sollten auch die Batterien ausgelegt sein. Faktoren wie Beschleunigung und Leistung, die für Elektro-PKW sehr wichtig sind, spielen bei Nutzfahrzeugen keine so große Rolle. Wichtig ist, dass Nutzfahrzeuge jeden Tag die volle Reichweite liefern und eine möglichst langlebige Batterie haben, da Betreiber die Gesamtbetriebskosten des Fahrzeuges im Auge haben. Elektro-LKW oder Busse brauchen außerdem zusätzlich Energie, etwa für Heizung oder Klimatisierung. Diese Faktoren spielen bei der Auslegung der Batterie eine große Rolle, genauso wie Außentemperaturen und Ladezeiten.
Der Unterschied zwischen Superkondensator und Batterie
Bei den Energiespeichern stehen herkömmliche Batterien oder Supercaps zur Auswahl. Beide haben spezifische Eigenschaften, die für unterschiedliche Anwendungsfälle interessant sind. Batterien haben eine hohe Energiedichte, während Supercaps mit hoher Leistungsdichte glänzen. Im Gegensatz zu Batterien läuft in Superkondensatoren beim Laden und Entladen kein elektrochemischer Prozess ab, sondern es werden Ladungen verschoben. Dadurch ist die Zahl der Ladezyklen bei Supercaps fast unbegrenzt und sie können in Sekundenschnelle geladen und entladen werden. Ihre geringe Energiedichte verhindert jedoch noch den alleinigen Einsatz im Elektroauto. Deshalb werden sie oft mit Batterien kombiniert.
Hybridsysteme verlängern die Batterielebensdauer
In der Industrie werden schon lange Hybridsysteme aus Batterien und Superkondensatoren genutzt. Dort fangen die Supercaps Lastspitzen ab und verlängern so die Lebensdauer der Batterien. Auch große und schwere Nutzfahrzeuge nutzen dieses Prinzip bereits, etwa Schiffe, Kräne oder Elektro-Laster, denen die Superkondensatoren beim Anfahren einen Energieschub geben.
Ob Supercaps die Batterielebensdauer oder die Leistungsdichte verbessern, hängt vom Batterietyp ab. Bei Nutzfahrzeugen können das zum Beispiel Lithiummanganoxid/LMO-Batterien sein. Hier können Superkondensatoren die Lebensdauer verlängern, da dieser Batterietyp nicht tiefentladefest ist. Der Superkondensator kann auch die Leistung bei der Beschleunigung verbessern, abhängig von seiner Größe. Eine ebenfalls sehr langlebige Batterielösung ist die Natriumbatterie, die auch eine hohe Zyklenfestigkeit besitzt. Ein Superkondensator kann ihre Leistungsdichte und damit die Leistung des Elektrofahrzeuges verbessern, indem er die Energie beim Beschleunigen liefert und Bremsenergie speichert. Die Natriumbatterie liefert die Energie, die das Fahrzeug braucht, um seine Geschwindigkeit aufrecht zu erhalten und lädt den Superkondensator auf.
Simulation von Eaton zeigt das Potenzial von Superkondensatoren
Um genau zu bestimmen, wie stark ein Nutzfahrzeug von einem Hybridsystem aus Superkondensator und Batterie profitiert, hat Eaton ein Auswertungsmodell entwickelt, basierend auf Batterietyp und Fahrzyklus. Das Modell simuliert die Optimierungen, wenn ein Superkondensator entweder direkt parallel oder über einen DC/DC-Wandler an die Batterie angeschlossen wird. In den Simulationen zeigt sich, dass Superkondensatoren die Batterieentladungskurve glätten, indem sie einen Teil der Hochstromimpulse beim Bremsen und Beschleunigen aufnehmen. Diese führen normalerweise zu einer schnelleren Degradation der Batterie. Die Versuche zeigen auch, dass Batterien mit einer geringeren Leistungsdichte als Lithium-Ionen-Batterien, etwa Bleiakkus, besonders von einem ergänzenden Superkondensator profitieren.
Quellen / Weiterlesen
Bildquelle: Wikipedia – Von Spielvogel – Eigenes Werk, CC0