Dies ist ein elektrischer Bus: Was wissen wir über den Transport mit einer Batterie?

Nach dem Erscheinen des ersten Elektrofahrzeugs im 19. Jahrhundert und dem zweiten Anstieg der Popularität in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts gingen Elektrobusse wieder auf die Straßen der Städte. Was ihre Entwicklung beeinflusst hat und wie sich Technologien verändert haben: Von der Schaffung geräumiger Batterien bis zur Entwicklung der Ladeinfrastruktur finden Sie in unserem neuen Artikel.

Das erste Elektrofahrzeug: Grüße aus dem 19. Jahrhundert

Elektroautos tauchten lange vor Autos mit Verbrennungsmotor auf. Gottlieb Daimler und Karl Benz patentierten 1886 die ersten selbstfahrenden Karren mit Benzin-ICE, während 1837 das erste Elektroauto für den Personenverkehr eingeführt wurde. Aufgrund der hohen Kosten und des geringen Wirkungsgrads konnten die ersten Elektroautos nicht mit Autos mit Dampfmaschine mithalten. Die Kosten für die Wartung eines Autos mit einer Zinkbatterie waren 40-mal höher als die Kosten für die Wartung einer kohlebefeuerten Dampfmaschine.

Nach dem Aufkommen erschwinglicher Blei-Säure-Batterien gelang es Elektroautos, für eine Weile in Mode zu kommen. 1890 baute der Amerikaner William Morrison den ersten Elektrobus - ein Auto mit einer Kapazität von 6 Personen, das bis zu 19 km / h beschleunigt und mit einer einzigen Ladung bis zu 160 km fährt. 24 Batterien mit einem Gesamtgewicht von fast 350 kg erzeugten einen Strom von 112 A mit einer Spannung von 58 V und benötigten 10 Stunden, um vollständig aufgeladen zu werden.


Der Elektrobus von William Morrison. Quelle: american-automobiles.ru

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts verkehrten 20 Elektrobusse erfolgreich auf städtischen Verkehrswegen in London, die zu dieser Zeit effizienter und wirtschaftlicher waren als ihre Benzin-Pendants. Eine Batterieladung reichte für 60 km, sodass an den Endstationen leere Batterien durch neue ersetzt wurden - der Vorgang dauerte nur drei Minuten.


Der Londoner Elektrobus mit austauschbarer Batterie ist der Prototyp des zukünftigen Tesla mit schnell abnehmbaren Batterien. Quelle: London Museum of Transport

Bis 1900 wurden 38% der Autos in den USA mit Elektrizität betrieben, aber die Verbesserung der Verbrennungsmotoren und die Senkung der Kraftstoffpreise behinderten die Entwicklung der autonomen Elektrofahrzeugindustrie dramatisch - in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts waren Elektrobusse praktisch verschwunden. Im Gegensatz zu Benzinautos war der Elektrotransport nicht billiger, und der Zustand der Umwelt hat bisher keine Bedenken ausgelöst. Das Kreuz der Investitionen in Busse mit Batterien hat in den 20er Jahren das Auftreten billiger Obusse ausgelöst.


Der Austausch der Batterie in einem Elektrobus erfolgt wie im 21. Jahrhundert vollautomatisch.
Quelle: British Library

Aufgrund der niedrigen Kraftstoffpreise Mitte des 20. Jahrhunderts ging die ICE-Industrie jedoch den Weg einer Volumensteigerung, die sich direkt auf den Benzinverbrauch auswirkte. Sogar Autos wurden mit ineffizienten Sechs-Liter-Motoren geliefert, deren Wartung in den 70er Jahren buchstäblich „golden“ wurde. Die aktuelle Situation führte zu einem neuen Anstieg der Popularität von Elektrofahrzeugen. So kamen 1974 im englischen Manchester Elektrobusse Seddon Pennine 4-236 mit Chloridbatterien auf die Stadtrouten.


Eine seltene Aufnahme des 1975 in Betrieb befindlichen Elektrobusses Seddon Pennine 4-236.
Quelle: Alan Snatt

Das einzige universelle Nutzfahrzeug, das in dieser Zeit noch in Erinnerung war, war der Minivan Mercedes-Benz LE 306, dessen schnell abnehmbare Batterie eine Leistung von etwa 76 PS lieferte, aber nach nur 50 km erschöpft war. Das Auto lebte bis 1983, nachdem es von der Post der deutschen Stadt Bonn getestet worden war, wurde es für unrentabel erklärt.


Elektrischer Minivan Mercedes-Benz LE 306 - eine Erinnerung an die Ära der Kraftstoffkrise. Quelle: Mercedes-Benz

Sie sprachen erst im 20. Jahrhundert ernsthaft über die Massenproduktion und den Einsatz von Elektrofahrzeugen, als die Gesellschaft begann, über Umweltbedrohungen nachzudenken und die durch Autoabgase verursachten Umweltschäden zu erkennen. Vor dem Hintergrund einer Diskussion über Umweltprobleme ist die Idee, Dieselbusse auf Elektrizität umzustellen, sehr populär geworden, und die Entstehung von Lithium-Ionen-Batterien, die Energie ansammeln und für eine lange Zeit eine autonome Bewegung von Elektrobussen ermöglichen können, hat eine bedeutende Rolle gespielt. Die Erfindung solcher Batterien löste auch das wirtschaftliche Problem, indem sie die Herstellung und Wartung von Elektrofahrzeugen wirtschaftlicher machte und den Weg für den Massenmarkt ebnete.

Ernährungsprobleme

In modernen Elektrobussen werden Batterien oder Superkondensatoren zur Stromversorgung verwendet. Die letztere Art der Energiespeicherung ist auf ihre Weise interessant, obwohl sie die Möglichkeiten des elektrischen Transports stark einschränkt.

Superkondensatoren können im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien mit ähnlichem Volumen nur 5% der Energie speichern. Offensichtlich fährt der Bus mit einer einzigen Ladung des Kondensators nur einige Kilometer, was bedeutet, dass nicht über Autonomie gesprochen werden muss. Die positive Eigenschaft von Kondensatoren ist jedoch die Ladegeschwindigkeit. Die Wiederherstellung der Ladung dauert Sekunden.


Chinesischer Superkondensator Ultracap Bus an einer Haltestelle mit Ladestation - sieht aus wie ein Abschnitt mit Obuskabeln. Quelle: Shanghai Aowei Technology

In der chinesischen Stadt Ningbo gibt es also einen Kondensatorbus, dessen Aufladung nur 10 Sekunden dauert. Dank der ausgebauten Infrastruktur der Ladestationen erhält der Bus an jeder Haltestelle beim Ein- und Aussteigen der Passagiere Energie, die normalerweise etwas länger dauert. Zusätzlich werden bis zu 80% der Bremsenergie in Strom umgewandelt und an Kondensatoren zurückgegeben - dies spart bis zu 50%.

Superkondensatoren werden ständig verbessert, aber die Einführung von Elektrobussen in solchen Batterien erfordert eine sehr teure Infrastruktur in Form von Hochleistungsladestationen an jeder Haltestelle. Darüber hinaus können Notsituationen in Form unerwarteter Staus einen Bus mit entladenen Kondensatoren auf der Straße lassen und zusätzliche Verkehrsprobleme verursachen.

Eine Lithium-Ionen-Batterie ist kein bestimmter Batterietyp mit einer einzigen zugelassenen Zusammensetzung, sondern eine ganze Familie von Energieelementen. Die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien ist ein komplexer Prozess, um das notwendige Gleichgewicht zwischen Leistung, Kapazität, Kompaktheit und Preis zu finden. Ideal existiert noch nicht. Jeder Lithium-Ionen-Batterietyp eignet sich für eine bestimmte Anwendung. Nicht alle von ihnen werden in Elektrofahrzeugen eingesetzt, viele finden ihren Platz in der Elektronik mit geringem Stromverbrauch.

Lithium-Kobaltoxid-Batterien (LiCoO ₂ ), die heute am günstigsten und beliebtesten sind, haben eine hervorragende Kapazität pro Volumeneinheit, niedrige Kosten und eine Spannung von 3,6 V pro Zelle. Dies ist die Art von Batterie, die Sie in Mobilgeräten und tragbarer Unterhaltungselektronik finden. Die Nachteile solcher Batterien sind ebenfalls bekannt: ein kleiner Entladestrom, maximal 1000 Lade- / Entladezyklen vor Beginn einer ernsthaften Verschlechterung des Tanks, langes Laden und die Unfähigkeit, bei niedrigen Temperaturen zu arbeiten. Ein Elektrobus mit LiCoO ₂ kostet weniger als mit anderen Batterietypen, kann jedoch nur in warmen Ländern auf kurzen Strecken mit minimaler Belastung wie Transfers innerhalb des Campus eingesetzt werden.

Aufgrund seiner dreidimensionalen Struktur konnte der Lithium-Mangan-Akku (LiMn ₂ O ₄ ) einen hohen Entladestrom liefern - bis zum 30-fachen seiner Kapazität. Dies ermöglichte den Einsatz von LiMn ₂ O ₄ in Geräten mit kurzfristig hohem Energieverbrauch, beispielsweise in Elektroautos Nissan Leaf und BMW i3. Aber Lithium-Mangan-Batterien zeigten ihre Nachteile: noch weniger als die Lebensdauer von Lithium-Kobalt-Batterien und Kälteunverträglichkeit. Daher werden Lithium-Mangan-Batterien mit einem anderen Batterietyp kombiniert - NMC.


Die Nissan Leaf NMC-Batterie ist halb so teuer wie die Tesla NCA-Batterie, aber die Kapazität verliert etwa doppelt so schnell (70% nach 100.000 km). Quelle: Benjamin Nelson

Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Batterien oder einfach NMC hatten einen guten spezifischen Energieverbrauch und eine Lebensdauer (bis zu 2000 Entladezyklen), aber ihr Entladestrom erwies sich als gering. Aus diesem Grund werden NMCs für den Einsatz in Elektrofahrzeugen mit LiMn ₂ O ₄ kombiniert. Während des normalen Fahrens arbeiten NMC-Zellen hauptsächlich, und beim Beschleunigen liefern LiMn ₂ O ₄ -Zellen einen hohen Strom.

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid-Batterien (LiNiCoAlO ₂ oder NCA) zeichnen sich durch eine hohe spezifische Kapazität und angemessene Kosten aus. Die Ladegeschwindigkeit und der Entladestrom der NCA-Batterien sind durchschnittlich, sie können nicht in Vor- oder Nachteile geschrieben werden. Es war die NCA, die zur Energiequelle für Tesla-Autos und Powerwall-Speichersysteme wurde.


Die 85 kW Tesla Model S 85A NCA-Batterie wird beim Austausch aufgrund von Verschleiß an die Tesla Powerwall-Energiespeichersysteme gesendet. Quelle: wk057

Ein Merkmal von NCA-Batterien wirft jedoch einen Schatten auf Tesla, noch bevor Besitzer auf potenzielle Probleme stoßen könnten: Batterien haben einen Lebenszyklus von 500 Zyklen, der mit Lithium-Kobalt-Zellen vergleichbar ist. Und dann den Austausch und die Entsorgung von abgenutzten Gegenständen. Die reale Erfahrung hat gezeigt, dass Batterien in Tesla-Elektrofahrzeugen auch nach 200.000 Kilometern noch funktionieren und ein Drittel ihrer Kapazität verlieren. Trotz dieser positiven Erfahrung sind NCA-Batterien für städtische Elektrofahrzeuge nicht die beste Wahl, da die Buskilometerzahl um ein Vielfaches oder sogar um Größenordnungen höher ist als die Kilometerleistung von Privatwagen.

Lithiumtitanat-Reaktion

Lithiumtitanat-Batterien (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ , LTO) sind seit den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts bekannt. Toshiba entwickelt und produziert aktiv diesen Batterietyp namens SCiB (Super Charge Ion Battery). Für die Herstellung der Anode verwenden sie Lithiumtitanat anstelle von Graphit. In diesem Fall kann die Kathode von NMC-Batterien ausgeliehen werden. Durch das Ersetzen von Graphit konnte die effektive Fläche der Anode von 3 m ² / g auf 100 m ² / g erhöht werden, was sich besser auf die Ladegeschwindigkeit der Zelle und den Entladestrom auswirkt. So stellte Toshiba 2017 einen SCiB-Akku vor, der in nur 5 Minuten bis zu 90% seiner Kapazität wiederherstellen kann.


Die poröse Struktur von Lithiumtitanatoxid bietet eine 30-mal größere Fläche als Graphit und eine um ein Vielfaches längere Lebensdauer. Quelle: KB "Energie"

Lithium-Titanat-Batterien geben stabil den zehnfachen Strom und bei gepulsten Lasten dreißigmal Strom ab. Frühe Proben hielten bis zu 7000 Entladezyklen stand, und moderne Batterien bieten 15000 bis 200 Zyklen - kein anderer Typ von Lithium-Ionen-Batterien kann mit diesen Indikatoren verglichen werden. Darüber hinaus sind LTO-Batterien feuerfest, erwärmen sich beim Druckabbau auf 70 Grad und kühlen ab, sie haben auch keine Angst vor Überhitzung. Bei kaltem Wetter verliert die Zelle fast nicht an Wirksamkeit - bei einer Temperatur von –30 Grad sinkt die Kapazität einer Lithium-Titanat-Zelle auf 80% des Nennwerts.


Toshiba-Lithium-Titanat-Batterie für Proterra-Busse. Quelle: Proterra

Unglaubliche Überlebensfähigkeit, sofortige Ladung, Kältebeständigkeit. Klingt nach dem perfekten Akku für Ihr Telefon. LTO-Batterien haben aber auch Nachteile, die ihren Anwendungsbereich bisher einschränken. Erstens ist dies eine niedrige spezifische Kapazität von 50 bis 80 W / kg, während sie für herkömmliche Lithium-Kobalt-Zellen 150 bis 200 W / kg beträgt - das heißt, um eine gleiche Kapazität zu erhalten, sollte eine Lithium-Titanat-Zelle zwei- oder dreimal größer sein. Zweitens beträgt die Nennzellenspannung nur 2,4 V im Vergleich zu 3,6 V für Lithiumkobalt. Drittens haben Lithium-Titanat-Batterien einen hohen Preis, der dreimal höher ist als der von NCA-Batterien. Aus diesem Grund ist es noch nicht möglich, einen Lithium-Titanat-Akku in ein Smartphone zu integrieren. Sie erhalten ein teures Element mit geringer Kapazität und unzureichender Spannung, damit das Gerät funktioniert.

Aber in Elektrobussen, in denen es keinen Platzmangel gibt und die auch eine hohe Batterielebensdauer erfordern, sind Lithium-Titanat-Batterien der richtige Ort.


Die Grafik zeigt den Kilometerstand einer Testmaschine mit SCiB- und Lithium-Kobaltoxid-Batterien. Der Vorteil von SCiB liegt auf der Hand. Quelle: Toshiba

Problem beim Aufladen

Ohne eine entwickelte Infrastruktur wird ein Elektrobus zum Problem. Sie können einen Elektrobus auf drei verschiedene Arten aufladen: lange Nachtladung, schnelles Laden an Endstationen und Expressladen an Haltestellen.

Ladestationen an Haltestellen des öffentlichen Verkehrs werden beispielsweise von Elektrobussen an Superkondensatoren benötigt: Über dem Pavillon sind ein Kontaktbereich oder Kabel installiert, die der Bus mit einem Stromabnehmer berührt. Wenn Superkondensatoren mehrere Sekunden lang ausreichend mit Strom versorgt werden, sind mindestens Minuten erforderlich, um den Akku aufzuladen. Angesichts der Tatsache, dass moderne Toshiba-Lithium-Titanat-Akkus den größten Teil der Ladung in fünf Minuten wiedererlangen, reicht es aus, nur wenige Ladestationen im Busliniennetz zu installieren, an denen die Busbatterien geladen bleiben können.

Das Laden über lange Nächte im öffentlichen Verkehr wird nur zusammen mit einer der beiden anderen Methoden verwendet. Es ist aus objektiven Gründen unmöglich, den Bus nur einmal am Tag aufzuladen und den ganzen Tag auf die Strecke zu schicken. Erstens benötigen Sie für eine Arbeit von mindestens einem halben Tag sehr große Batterien, die viel Platz in der Kabine beanspruchen - dieser Umstand erhöht die Kosten für jeden Bus erheblich. Zweitens müssen sehr leistungsfähige Stromleitungen zum Busdepot verlegt werden, um gleichzeitig zehn und sogar Hunderte von Bussen zu versorgen.


Der serielle Elektrobus KamAZ wird an der Endhaltestelle der Moskauer Route Nr. 73 aufgeladen.
Quelle: Alisa

Was kommt als nächstes?

Der elektrische Verkehr in der Stadt galt schon immer als zweifelhaft exotisch, und heute arbeiten Hunderttausende von Elektrobussen auf der Welt. Der Champion bei der Anpassung neuer Technologien ist China, wo sich fast 99% der weltweit vorhandenen Elektrobusse befinden. Nach Schätzungen von Bloomberg New Energy Finance werden bis 2025 47% der Busse weltweit elektrisch sein.

Russland bleibt auch nicht hinter den Welttrends zurück. Viele russische Städte kaufen jedes Jahr Elektrofahrzeuge und setzen sie auf permanente Strecken, schaffen spezielle Infrastrukturen und bieten Lösungen im Bereich der Energieversorgung an. Es ist möglich, dass sich der Übergang zum Elektrotransport über Jahrzehnte hinziehen wird, und vielleicht werden wir die Zeit einfangen, in der persönliche Elektroautos kein Luxusgut mehr sind und mit Dieselanaloga konkurrieren werden.