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SuperCap heißt das Zauberwort

Dresdener Konferenz Zukunft Energie: Transportsysteme des ÖPNV als Migrationspfade für Elektromobilität
SuperCap heißt das Zauberwort

Kombinierte SuperCap-Batteriespeicher, sogenannte Dualspeicher, sind für Anwendungen in Straßen- oder Schienenfahrzeugen gut geeignet. So lassen sich SuperCaps an den Dockingstationen der AutoTram-Traktionsenergie für Fahrstrecken bis zu 2 km innerhalb von 15 s aufnehmen Bild: Fraunhofer IWS
Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden, stellte sich auf der diesjährigen Dresdner Konferenz Zukunft Energie den Herausforderungen bei der Materialentwicklung für SuperCaps, die als Energiespeicher neben den Batterien eine Schlüsselfunktion einnehmen sollen.

Seit Sommer sind neue Hybridbusse auf den Linien der Dresdner Verkehrsbetriebe AG (DVB) unterwegs. Das Verkehrsunternehmen verfügt heute einschließlich der Fahrzeuge von Solaris und Hess über insgesamt 18 Hybridbusse. Das sind mehr als 10 % des Dresdner Busfuhrparks. Sie stellen einen Zwischenschritt auf dem Weg zum Elektrobus dar und ergänzen das umweltfreundliche Straßenbahnnetz in Dresden. Im Gegensatz zum parallelen Hybridantrieb des Solaris, bei dem zwei Elektromotoren einen Dieselmotor unterstützen, werden die anderen Busse ausschließlich durch Elektromotoren angetrieben. Die Energie dafür liefern bei den Hess- und MAN-Bussen hochkapazitive Kondensatoren, so genannte SuperCaps.

Bei allen Fahrzeugen werden die elektrischen Speicher durch Rückgewinnung von Bremsenergie oder einen Dieselmotor mit Generator nachgeladen. Das hat den Vorteil, dass der Dieselmotor deutlich kleiner ist, immer im umwelt- und motorschonenden Drehzahlbereich arbeitet und über eine Start-Stopp-Automatik sogar ausgeschaltet werden kann. Bis zu 500 m sollen die neuen Busse mit SuperCap-Speicher elektrisch und ganz ohne die Hilfe ihrer Dieselmotoren fahren können. Der Hybridbus mit vollem Akkumulator schafft sogar rund 2 km. Dazu kommt ein Energiemanagement, das die Komponenten exakt auf wechselnde topografische Bedingungen abstimmt. Damit verbrauchen die Hybridfahrzeuge laut Hersteller mindestens 20 % weniger Kraftstoff als herkömmliche Dieselbusse. Welche Hybrid-Antriebsart besser geeignet ist, soll durch das Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme und die Verkehrs Consult Dresden Berlin GmbH ermittelt werden.
Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden, stellt sich dabei den Herausforderungen bei der Materialentwicklung für SuperCaps. Gerade und aktuell für Elektrofahrzeuge und weitere Anwendungen nehmen Doppelschichtkondensatoren (Electrochemical Double Layer Capacitor, EDLC) oder auch SuperCaps genannt als Energiespeicher neben den Batterien eine Schlüsselfunktion ein. Die hohe Leistungsdichte und Lebensdauer der EDLCs sind eine ideale Voraussetzung für die Leistungsbereitstellung beim Starten, Anfahren sowie Beschleunigen und die Rekuperation von Bremsenergie in Elektro- und Hybridfahrzeugen. In Kombination mit Batterien können EDLCs diese durch die Aufnahme und Abgabe von Leistungsspitzen entlasten und erlauben eine höhere Lebensdauer oder eine kleinere Dimensionierung der Batterieeinheit. Weiterentwicklungen im Bereich der Elektrodenmaterialien sind jedoch notwendig, um die Energiedichte der EDLC-Zellen zu erhöhen und somit für einen breiteren Markt attraktiv zu machen.
Dr. Holger Althues, Fraunhofer IWS, Dresden, macht bei der Materialentwicklung für SuperCap-Elektroden zwei grundlegende Trends aus: „Ein viel versprechender Ansatz ist die Weiterentwicklung von Elektroden aus porösen Kohlenstoffschichten. Neue Materialien mit extrem hoher spezifischer Oberfläche und definierter Porenstruktur erreichen eine signifikante Erhöhung der Kapazität im Vergleich zu derzeit eingesetzten Standard-Kohlenstoffen.“ Zudem zeigten Kohlenstoff-Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren und Graphene durch ihre hohe Oberfläche und vor allem die elektrische Leitfähigkeit herausragende Eigenschaften im Einsatz in SuperCap-Elektroden, so der Wissenschaftler Althues weiter: „Ein anderer Ansatz setzt auf sogenannte pseudokapazitive Materialien, die durch Redox-Reaktionen beim Laden und Entladen zusätzliche Kapazität erzeugen. Besonders interessant erscheinen eine Kombination beider Ansätze sowie die Kombination von SuperCap-Elektroden mit Li-Ionen-Elektroden in Hybridansätzen.“
In der konkreten Anwendung bieten Nutzfahrzeuge, Arbeitsmaschinen und Transportsysteme des Öffentlichen Verkehrs Migrationspfade für die Elektromobilität. Während die Reichweite und damit die Energiedichten der Traktionsbatterien für Elektroautos von ausschlaggebender Bedeutung sind, treten im Nutzfahrzeugbereich bei der Rekuperation der Bremsenergie oder Schnellladevorgängen an Haltepunkten sehr hohe Leistungsspitzen auf, die deutlich höhere Anforderungen an die Leistungsdichte der Energiespeicher implizieren. Der über Jahre favorisierte Einsatz von Hochleistungsschwungrädern in Bahnen und Bussen hat sich aufgrund gravierender Sicherheitsmängel nicht bewährt. Hingegen sind kombinierte SuperCap-Batteriespeicher, sogenannte Dualspeicher, für Anwendungen in Straßen- oder Schienenfahrzeuge des Öffentlichen Verkehrs gut geeignet, dazu Dr. Matthias Klingner, Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI, Dresden: „Allein SuperCaps sind derzeit in der Lage, an den Dockingstationen der AutoTram-Traktionsenergie für Fahrstrecken bis zu 2 km innerhalb von 15 Sekunden aufzunehmen. Um die dabei auftretenden Ströme von mehr als 1000 A bei Spannungen um 700 V sicher übertragen zu können, wurden spezielle Kontaktsysteme mit stromfesten und witterungsbeständigen Oberflächen entwickelt.“
Tino M. Böhler Fachjournalist in Dresden

AutoTram
Die AutoTram des Fraunhofer-Instituts für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI Dresden demonstriert eine zukunftsweisende Fahrzeugtechnologie für den ÖPNV. Das Transportsystem vereint die Ausweichflexibilität, einfache Infrastruktur und vergleichsweise geringeren Lebenszykluskosten des Busses mit der hohen Transportkapazität, dem Fahrkomfort sowie den umweltverträglichen Antriebssystemen der Bahn. Die AutoTram entstand in ihrer ersten Version 2005 als eine universelle Versuchsplattform zur Entwicklungen intermediärer Fahrzeugtechnologien. In ihrem grundsätzlichen Aufbau entspricht die AutoTram einem seriellen Hybridfahrzeug, also einer Reihenschaltung von Verbrennungsmotor und Generator, Leistungselektronik und elektrischen Fahrmotoren. Diese Antriebskonfiguration bietet die Möglichkeit, verschiedene alternative Energiespeicher über einen elektrischen Zwischenkreis in das energetische Konzept des Fahrzeuges in einfacher Weise zu integrieren und markiert damit einen Zwischenschritt auf dem Weg hin zum vollelektrischen Antrieb.

Rekuperation am Hafenkran

Am Beispiel eines Hafenmobilkrans wurde an der TU Dresden am Lehrstuhl für Dynamik und Mechanismentechnik des Instituts für Festkörpermechanik der Einsatz eines Kurzzeitspeichers untersucht, der durch die Verbindung von mechanischen Arbeitsaufgaben mit der installierten Steuer- und Regelungstechnik und dem seriellen dieselelektrischen Antriebsstrang ein mechatronisches System darstellt. So lassen sich durch Integration eines Energiespeichers in das elektrische Bordnetz potenzielle Energie beim Senken der Last und kinetische Energie beim Abbremsen von Trägheiten zurückgewinnen. Der Teil der rückgespeisten Energie, welcher bislang im Bremswiderstand verloren ging, kann nun für Antriebsaufgaben nutzbar gemacht werden (Rekuperation). Wird der Energiespeicher zusätzlich zur Pufferung von Spitzenlasten genutzt, ist sogar eine Verkleinerung des Dieselmotors (Downsizing) möglich. Prof. Dr.-Ing. Michael Beitelschmidt, Professur für Dynamik und Mechanismentechnik, erläutert das Vorgehen der Wissenschaftler: „Mit dem an der TU Dresden entwickelten Simulationsprogramm wird die Kraftstoffeinsparung unter Nutzung verschiedener Speicherkonfigurationen und Betriebsstrategien berechnet. Weiterhin werden Kennwerte ermittelt, aus denen Aussagen zur Lebensdauer des Energiespeichers und die Anforderungen an die benötigte Leistungselektronik abgeleitet werden können. Für die Simulation können verschiedene Kranbewegungen (Fahrprofile) und verschiedene Lastprofile vorgegeben werden, um das Einsparpotenzial für unterschiedliche Einsatzfelder (Container-, Schütt- oder Stückgutumschlag) abzuschätzen.“ Die berechnete relative Kraftstoffeinsparung bei der entwickelten Rekuperationsstrategie betrage im Mittel 12,8 % gegenüber dem konventionellen System. Für eine Downsizingstrategie sei eine mögliche Kraftstoffeinsparung von 21,7 % prognostiziert. Die Umsetzung dieser Strategie setze allerdings den Einbau eines wesentlich größeren Energiespeichers voraus, als er zur Realisierung der Rekuperationsstrategie benötigt wird, so Professor Beitelschmidt weiter. Mit Hilfe der Analyse wurde für den Prototypenaufbau eine Speicherkonfiguration mit Energierekuperation ausgewählt und von der Gottwald Port Technology GmbH, einer Tochtergesellschaft der Demag Cranes AG, installiert. Die Messungen im Feld bestätigen die Praxistauglichkeit des Systems und die prognostizierte Kraftstoffeinsparung. Die rekuperierte Energie geht nun nur noch zu einem Bruchteil im Bremswiderstand verloren und wird fast vollständig im Doppelschichtkondensatormodul gespeichert.
Industrieanzeiger
Titelbild Industrieanzeiger 19
Ausgabe
19.2021
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