Akkumulatoren in Elektro- und Hybridfahrzeugen
Der Akkumulator, oder auch kurz Akku genannt, erhielt seinen Namen aus der lateinischen Sprache. „Accumulare“ bedeutet so viel wie anhäufen. Er häuft so zu sagen Energie an und gibt sie bei Bedarf wieder ab. Der Unterschied zu einer Batterie (Primärsystem) besteht darin, dass ein Akku (Sekundärsystem) wieder aufgeladen werden kann, während die Batterie nur zum einmaligen Gebrauch geeignet ist.
Bereits um 1800 wurde der Grundstein für die Erfindung der Batterie gelegt, der französische Physiker Gaston Planté entwickelte den Bleiakkumulator 1859 jedoch soweit weiter, dass er in dieser Form teilweise heute noch verwendet wird. Der erste Erfolg kam im Zusammenhang mit dem von Werner von Siemens entwickelten Elektrischen Generator im Jahre 1866. Erst im Jahre 1882 begann der wirtschaftliche Erfolg des Akkumulators. Henri Tudor erfand eine Gleichstromanlage für die Beleuchtung seines Innenhofes. Er verwendete dafür mehrere Bleiakkumulatoren, die mit der Energie einer Wassermühle, immer wieder aufgeladen wurden.
1887 wurde dann „VARTA“, die erste Akkumulatoren-Fabrik, von Adolph Müller gegründet.
Aus unserem heutigen Leben ist der Akku nicht weg zu denken. Man benötigt ihn ständig für Mobiltelefone, Laptops, usw. Mit der Erfindung des Elektro- oder Hybridfahrzeugs kam dem Akkumulator eine neue Bedeutung zu. Gleichzeitig werden viel höhere Erwartungen an die Leistung des Akkus gestellt, so dass stetig an dessen Weiterentwicklung weiter gearbeitet wird.
Es gibt eine Vielzahl von Akkumulator-Systemen, wie beispielsweise Blei -, Stahl-, Cadmium-, Lithium-Ionen-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-Akkus, etc. Je nach Art des verwendeten Elektrolyts, der Elektroden und der Form des Akkus, hat dieser unterschiedliche Eigenschaften bezüglich Ladedauer, Haltbarkeit, usw.
Akkus sind generell teurer als Batterien und haben im Ruhezustand einen höheren Energieverlust. Daher sind sie am besten für Geräte geeignet, die man häufig verwendet, wie beispielsweise Radios oder Mobiltelefone.
Der älteste und am meisten verwendete Akku-Typ ist der Blei-Akku. Zu diesem Typ gehört auch die fälschlich als „Batterie“ bezeichnete Autobatterie (Starterbatterie).
Bleiakkumulatoren bestehen aus drei bis sechs galvanischen Zellen, mit einer Spannung von jeweils 2 Volt. Ein Pol besteht aus Bleipulver, der andere aus Bleioxid. Diese sind in einer Schwefelsäurelösung eingetaucht. Beim Laden der Batterie muss Spannung an die Elektroden angelegt werden. Der Strom fließt vom Plus- zum Minuspol, also vom Bleioxid zum Bleipulver und vergrößert dabei die Dichte der Schwefelsäure. Aufgrund der Dichte der Schwefelsäure kann auch der Ladezustand eines Bleiakkumulators bestimmt werden. Beim Entladen findet der gegenteilige Prozess statt.
Zu den Vorteilen des Blei-Akkus gehören neben der hohen Belastbarkeit und dem verhältnismäßig niedrigen Preis, die relativ hohe Spannung und die fast vollständige Wiederverwertbarkeit.
Nachteilig sind das hohe Gewicht und die lange Ladezeit sowie die Empfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen. Eine totale Entladung beschädigt den Blei-Akku. Die Lebensdauer ist mit ca. 4 Jahren relativ gering.
Während es bei Starterbatterien darauf ankommt, schnell hohe Strommengen zu entnehmen, sind bei Akkumulatoren für Elektrofahrzeuge andere Faktoren relevant. Hier werden Akku-Systeme benötigt, die über eine hohe Leistungsdichte verfügen, so dass deren Umfang und Gewicht möglichst klein bleiben. Um eine hohe Reichweite zu erreichen, ist gleichzeitig eine große Energiedichte notwendig.
Diesen Anforderungen entsprechen unter anderem Nickel-Cadmium sowie Nickel-Metallhydrid-Akkus. Nickel-Cadmium-Akkus verfügen über eine höhere Energiedichte als Blei-Akkus, sind jedoch wesentlich teurer und haben das Problem, dass sie bei Teilentladungen an Kapazität verlieren (Memory-Effekt). Cadmium passt außerdem als hochgiftiges Schwermetall nur wenig in das Konzept eines Elektrofahrzeugs. Als Alternative wurden daraufhin Nickel-Metallhydrid-Akkus getestet. Diese zeichnen sich zwar durch eine höhere Energiedichte und dem Verschwinden des Memory-Effektes aus, der Nachteil liegt allerdings neben der geringen Leistungsdichte, im hohen Preis und der schlechten Verfügbarkeit.
Lithium-Ionen-Akkus sind für Elektrofahrzeuge der große Hoffnungsträger. Mit 100 Wattsunden pro Kilogramm verfügen diese über die höchste Energiedichte aller derzeit auf dem Markt verfügbaren Akkus. Dieser Vorteil ist zugleich auch deren Nachteil, denn wo viel Energie gespeichert ist, kann auch viel Energie unkontrolliert entweichen. Es bestehen daher große Sicherheitsrisiken, vor allem bei zu hoher Zellspannung. Auch die geringere Leistungsdichte ist ein Nachteil des Lithium-Akkus.
Lithium-Akkus sind sehr teuer. Allerdings ist auch zu bedenken, dass die Reichweite eines Blei-Akkus bei 50 bis 80 Kilometern liegt, während man mit einem Lithium-Akku Entfernungen von bis zu 300 Kilometern überbrücken kann. Darüber hinaus muss der Blei-Akku nach ca. 300 Ladezyklen ausgetauscht werden, d.h. nach 15.000 bis 24.000 Kilometern. Ein Lithium-Akku dagegen schafft bis zu 100.000 Kilometer.
Eine umweltschonende Technologie ohne Einbußen der Reichweite bieten Hybridfahrzeuge. Diese verfügen neben einem Elektromotor, gleichzeitig über einen Verbrennungsmotor (Otto- oder Dieselmotor), der hier kleiner, leichter und leistungsschwächer ist, da er durch den Elektromotor unterstützt wird. Dieser kommt beim Anfahren und beim Fahren mit geringer Geschwindigkeit zum Einsatz. Beispielsweise wird im Stadtverkehr der Elektromotor benutzt. Dort spart er Kraftstoff ein und vermindert die Lärmbelästigung. Beim Bergabfahren oder Abbremsen speichert der Elektromotor die überschüssige Energie. Auch beim Fahren im gleichen Tempo lädt sich dieser immer wieder auf.
Nicht nur bei Elektro- und Hybridfahrzeugen ist die Entwicklung leistungsfähigerer Akkumulatoren von wesentlichem Interesse. Ein leistungsfähigerer Akku vergrößert die Reichweite von Elektroautos, ersetzt bei Hybridautos den Verbrennungsmotor öfter, Geräte können kleiner konzipiert werden, usw.
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