Ultrakondensatoren und Batterien Energie-Recycling für Fahrzeuge

Effizient produzierte Energie noch einmal nutzen mit Ultrakondensatoren.

Warum Energie, die schon produziert wurde, nicht noch einmal nutzen? Energie-Recycling ist noch effizienter als Energie einsparen – und das geht am besten mit Ultrakondensatoren.

Es ist immer von Vorteil, Energie einzusparen – aber schon produzierte Energie nochmals zu nutzen, ist weit effizienter. Das Energie-Recycling steckt in der Fahrzeugindustrie noch in den Kinderschuhen, doch mit Ultrakondensatoren lassen sich Anwendungen entwickeln, die den „Gordischen Knoten“ überwinden. Denn die Energierückgewinnung ist durch die Ladefähigkeit der Batterie limitiert. Schnell freiwerdende Energie kann eine Batterie nicht bzw. in nur sehr begrenztem Umfang aufnehmen.

Ein Antriebsstrang hat drei wichtige Elemente, die für eine solche Anwendung zur Rekuparation nötig sind:

  • Erstens die Batterie – normalerweise eine Lithium-Ionen-Batterie (kurz Li-Ion): Diese Batterie ist in der Lage, viel Energie zu speichern. Sie lässt sich jedoch weder schnell aufladen noch schnell entladen. Stellt man sich eine große Flasche mit einem kleinen Hals vor, so kann sie viel Wasser speichern, aber das Auffüllen oder das Entleeren dauert einige Zeit. Eine Besonderheit der Batterie ist dabei, dass ihre Spannung während eines Zyklus nur geringfügig schwankt. Die gesamte Lebensdauer liegt zudem bei einer Batterie bei ca. 3.000 Zyklen. In Kraftfahrzeugen – z. B. dem Tesla S – können große Mengen an Energie in Batterien gespeichert werden, aber das ist mit erheblichen Kosten und vor allem auch Gewicht verbunden. Die Batterie muss entsprechend des Energiebedarfs dimensioniert werden.
  • Zweitens der Ultrakondensator: Der Ultrakondensator kann, im Gegensatz zur Batterie, nicht viel Energie speichern, dafür aber sehr schnell geladen und sich ebenso schnell wieder entladen werden – und das beinahe unbegrenzt oft. Ein guter Vergleich wäre hier das Schnapsglas, das zwar nur wenig Flüssigkeit speichern kann, aber das Befüllen und Entleeren passiert in wenigen Sekunden oder auch nur Bruchteilen von Sekunden. Aber im Gegensatz zur Batterie variiert die Spannung während des Ultrakondensator-Zyklus wesentlich stärker. In den meisten Anwendungen entspricht das Spannungsfenster ca. 50 % der maximalen Spannung oder Nennspannung. Bei diesem Spannungshub werden ca. 75 % der gespeicherten Energie entladen, die Energie, die der nutzbaren Arbeitsleistung entspricht.

Warum nicht Akku und Ultrakondensator koppeln?

In Kombination mit einer Batterie schützt der Ultrakondensator diese vor großen Ladungsschwankungen während ihrer Zyklen beim Laden sowie beim Entladen und erhöht damit ihre Lebensdauer. Die Kombination von Ultrakondensator und Batterie wäre somit ideal für die Energiebilanz eines Fahrzeuges, das immer wieder Beschleunigungs-, Fahrt- und Bremszyklen durchläuft.

Leider ist es nicht so einfach. Denn es gibt noch einen dritten Faktor: die Motoren. Sie verbrauchen beim Beschleunigen sowie Fahren Energie und Ladung. Wird gebremst, wird die Energie wieder in den Energiespeicher rückübertragen. Während dieser Rekuperationsphasen werden die Motoren zu Generatoren. Umgekehrt wandeln sie Strom bzw. die elektrische Ladung in Drehmoment und Drehbeschleunigung um und geben dem Auto den Antrieb.

Damit dieses Zusammenwirken perfekt funktioniert, ist entscheidend, wie die Blöcke miteinander verbunden sind. Bild 1 zeigt, wie die einzelnen Bereiche miteinander verknüpft werden können.

Ultrakondensatoren versus Li-Ionen-Batterien

Nachdem die Diskussionen darüber, in welchem Umfang künftig Ultrakondensatoren und Akkus kombiniert werden sollten, noch einige Jahre anhalten wird, macht es Sinn, sich die Vorteile der Ultrakondensatoren noch einmal im Detail vor Augen zu führen:

  • Die Lebenszykluskosten von Ultrakondensatoren sind deutlich niedriger als die von Batterien, da die Ultrakondensatoren über eine Million Mal mit nur geringer Degradation zyklieren können.
  • Ultrakondensatoren sind als sog. »Install-and-Forget-Devices« komplett wartungsfrei und können die Lebensdauer des Fahrzeugs überdauern.
  • Ultrakondensatoren haben eine überlegene Leistungsabgabe und arbeiten zuverlässig – auch bei extremen Temperaturen.
  • Ultrakondensatoren haben einen wesentlich besseren Wirkungsgrad (>90 %) als Batterien (70 %) in typischen Anwendung
  • Ultrakondensatoren erwirtschaften nicht nur 10 % Energie innerhalb des Systems, sondern verlängern auch die Lebensdauer der Batterie um 40 % oder weitaus mehr. Auch ist die Kombination mit Batteriesystemen in der Regel kleiner, leichter und vor allem billiger als eine reine Batterielösung – speziell über die gesamte Lebensdauer der Anwendung betrachtet
  • Ultrakondensatoren eignen sich perfekt für regenerative Bremssysteme (KERS). Batterien hingegen eher schlecht aufgrund ihrer hohen Ladeströme. Hier gilt: mitnehmen, was man mitnehmen kann!

Ziel ist es Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln

Heute wird ein Großteil der elektrischen Fahrzeuge mit Wechselstrom beladen. Antriebsmotoren arbeiten mit Wechselstrom, die Batterien und Ultrakondensatoren hingegen mit Gleichstrom.

Will man Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, so erfordert das in jedem Fall AC/DC-Wandler und DC/AC-Wechselrichter beziehungsweise DC/DC-Umwetzer (Switching Power Converter), die zwischen die Batterien und Ultrakondensatoren geschaltet werden müssen. Denn eigentliches Ziel ist es, Wechselstrom in jenen Gleichstrom umzuwandeln, der mit der Batterie oder/und den Ultrakondensatoren kompatibel ist und umgekehrt Gleichstrom wieder in antriebstauglichen Wechselstrom zurückzuwandeln.

Diese Subsysteme haben nicht nur zusätzliches Gewicht, sondern verbrauchen für die Wandlungen in einem geschlossenen Kreislaufsystem auch Energie. Sie können mit der Software des Systems (der PCU) kommunizieren, verursachen aber durch ihren Innenwiderstand auch einen gewissen Wärmeverlust.