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Der
steigende Ölpreis und die Klimadiskussion führen
zu verstärkten Anstrengungen auch den Verkehr, der den
weltweit am stärksten wachsende Sektor hinsichtlich Energieverbrauch
und Emissionen darstellt, in ein nachhaltiges System zu überführen.
Trotz der Rückschläge der Wasserstofftechnik, die
lange Zeit als die Zukunftslösung gesehen wurde, aber energetisch
wenig Sinn macht, scheint ein emissionsfreier Antrieb dank der großen
Fortschritte bei der Batterietechnik unter bestimmten Voraussetzungen
möglich. Viele große Fahrzeughersteller haben das
Elektrofahrzeug wieder auf die Agenda genommen. Hier sind aber noch
große Hüden technischer, infrastruktureller und ökonomischer
Art zu nehmen. Der bloße Ersatz des Verbrennungsmotors
durch den Elektroantrieb stellt aus energetischer und klimapolitischer
Sicht noch keinen wesentlichen Fortschritt dar, da Elektroautos
deutlich schwerer als ihre konventionellen Pendants sind und auf
die gesamte Energiekette (well to wheel) bezogen nur ein kleiner Vorteil
erreichbar ist. Hinzu kommen bislang ungelöste Probleme
bei der Fahrzeugheizung und -klimatisierung, die die Batterien zusätzlich
belasten. Ferner sind die erreichbaren Zyklenzahlen und die Energiedichte
den zulässigen Ladeströmen entgegengesetzt. Für
Elektroautos konventioneller Bauart, die etwa 20 kWh auf 100 km
benötigen und die aus Akzeptanzgründen über
mindestens 200 km Reichweite verfügen müssen,
würden Zeiten für die volle Ladung an 16 A – Steckdosen
von ca. 10-15 Stunden resultieren, was kaum akzeptabel ist. Die ökonomische Schwierigkeit
liegt darin, dass die erforderlichen 40 kWh Batteriekapazität
derzeit über 80.000 $ kosten, wobei schnelladefähige
Akkutypen meist noch teurer sind. Batterieexperten hoffen diesen
Wert mittelfristig auf ¼ reduzieren zu können
(0,5 $/Wh), was immer noch mehr als der heutige durchschnittliche
Fahrzeugpreis wäre. Um dieses Problem zu lösen,
werden Batterie-Leasing-Systeme diskutiert, die den Anschaffungspreis
der Batterie also nicht im Fahrzeugpreis, sondern im Kilometerpreis
enthalten. Dies würde bei einer Lebensdauer der Batterie
von 100.000 km derzeit 0,80 $/km Batteriekosten zuzüglich Stromkosten
und Leasinggebühren bedeuten, was wohl niemand bezahlen
will. Auch wird die Möglichkeit der Doppelnutzung der Fahrzeugbatterien
vorgeschlagen, zum einen für die Fahrenergie, zum anderen
für die Rückspeisung von Strom ins Netz, um Schwankungen
zwischen Nachfrage und Erzeugung des Stroms ausgleichen zu können.
Wenn also mit dem Bezug von Grundlaststrom Geld gespart und mit der
Erzeugung von Spitzenlaststrom Geld verdient werden kann, reduziert
sich die ökonomische Hürde etwas. In
US 2008/0052145 A1 und
auch in
US 5 642 270 ist
ein solches System (vehicle-to-grid) ausführlich beschrieben.
Obwohl dieser Ansatz auf den ersten Blick attraktiv erscheint, hat
er doch eine Reihe von Nachteilen: Ungünstig ist, dass
nur Garagen- und Stellplatzbesitzer davon profitieren und dass die Fahrzeuge
zu den Spitzenlastzeiten (morgens, mittags, abends) selbst unterwegs
sind, also nicht ins Netz einspeisen können. Auch kann
der Mittagspeak der Solarenergie kaum aufgefangen werden, so dass die
energetischen und ökonomischen Möglichkeiten dieser
Variante sehr beschränkt sind. Ferner muss der Fahrzeugbesitzer
die Kosten des Rückspeisegerätes übernehmen.
Am gravierendsten aber ist, dass die allermeisten privaten Stromanschlüsse
nicht auf die für die Spitzenlast erforderlichen Ströme
ausgelegt, sondern meist nur mit 10 oder 16 A abgesichert sind,
woraus sich bei 230 V relativ geringe Einspeiseleistungen von 2,3
bzw 3,7 kW ergeben. Dies ist unbefriedigend, da die Batterien das
10- bis 20-fache leisten könnten.
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Ein
weiterer Ansatz, um das ökonomische Problem zu mildern,
mehr aber noch, um die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zu erhöhen,
hat man vorgeschlagen, die Fahrzeugbatterien leicht austauschbar
zu machen, so dass sie in Batteriewechselstationen, sogenannten
Akkutankstellen, rasch und automatisiert gewechselt werden können.
Beispiele hierfür sind in
DE 10 2008 047 654 A1 und
EP 1 810 869 A1 gezeigt.
Shai Agassi, ehemaliger Vorstand von SAP will in naher Zukunft ein
weltweites Netz von Akkutankstellen aufbauen (
www.betterplace.com),
was in der gezeigten Version mit einem unterflurigen Austausch der
Batterien und Induktionsladestationen neben erheblichen Investitionen
auch neue Autos mit anderem Package und Design notwendig macht. Drei
Gründe sprechen dafür, dass auch dies nicht genügen
wird, die ökonomische Hürde zu nehmen. Erstens
ist der Ersatz der Batterien eines Elektroautos wegen der hohen
Batteriemasse von ca. 450 kg technisch aufwändig, zweitens
müssen auf die Batteriekosten noch die Infrastrukturkosten
und der Gewinn des Tankstellenbetreibers aufgeschlagen werden, was
den elektrischen „Spriti” wieder sehr teuer macht und
drittens bedeutet der bloße Ersatz des Verbrennungsmotors
durch den Elektromotor nur die Fortschreibung der Energieverschwendung
mit anderen Mitteln. Das kann sich eine Weltbevölkerung,
deren Energiebedarf noch auf viele Jahrzehnte über dem Angebot
an regenerativen Energien liegen wird, nicht leisten.
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Ein
nachhaltiges und umweltfreundliches Verkehrssystem fusst fraglos
auf dem Elektroantrieb einerseits und regenerativen Energien andererseits, doch
wie seine Komponenten aussehen müssen, ist nach wie vor
unklar. Klar ist allerdings, dass ein solches System einen hohen
Effizienzfortschritt bringen und in globalem Maßstab rasch
umsetzbar sein muss, denn die Zeit drängt. Es ist dem Fachmann auch
offenkundig, dass nur ein Denken im Gesamtsystem „Verkehr” weiterführend
ist und der Weg der Modifizierung des jetzigen Systems (conversion
design) nicht möglich ist. Dies zeigt sich z. B. in der oben
erwähnten Patentschrift
DE 10 2008 047 654 A1 , da das dort gezeigte
Beispielfahrzeug keinesfalls mit der beschriebenen Art und Weise
des seitlichen Batterieaustausches kompatibel ist. Es fehlt das dazu
notwendige seitliche Karosseriefenster, das erforderliche Batterievolumen
ist viel zu klein dargestellt und der Schwerpunkt ist zu hoch. Nachhaltige Mobilität
erfordert die optimale Anpassung der Fahrzeugflotte sowohl an die
tatsächliche Nutzung, die heute schon überwiegend
auf der Kurzstrecke stattfindet, als auch an die besonderen Eigenschaften
der regenerativen Antriebstechniken.
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Im
Stand der Technik ist bislang kein praktikabler Weg für
die breite Einführung eines Verkehrssystems auf der Basis
von Elektrofahrzeugen beschrieben, die gleichermaßen energieeffizient
wie kostengünstig sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, diese Schwierigkeiten zu überwinden
und ein nachhaltiges, hocheffizientes und ökonomisch günstiges
Verkehrssystem zu entwickeln, das den Einsatz regenerativ erzeugten
Stroms für den Straßenverkehr optimal und auf
praktikable Weise nutzt.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen:
- 1. Einsatz von Elektrofahrzeugen spezieller
Bauart, deren Batterien leicht und schnell ausgetauscht werden können,
- 2. Einsatz von Akkutankstellen (AT), die es erlauben die Batterien
aus den Fahrzeugen zu entnehmen, zu lagern und mit Energie aus dem
Stronetz (SN) zu laden,
- 3. Nutzung der den Fahrzeugen entnommenen und geladenen oder
zumindest teilgeladenen Batterien zur Rückspeisung von
Energie ins Netz mittels DC/AC-Wandler, z. B. Sinuswechselrichter (DC/AC).
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Erfindungsgemäß werden überwiegend hocheffiziente
Elektrofahrzeuge (EEV) verwendet, die sich nicht nur im Antrieb
vom konventionellen Auto deutlich unterscheiden, sondern durch folgende Eigenschaften
charakterisierbar sind:
- 1. Extremer Leichtbau
mit einem überwiegenden Anteil an Leichtmetallen, Faserverbundwerkstoffen
und Kunststoffen,
- 2. Leichtlaufreifen mit einem Gasdruck über 4 bar und
relativ geringer Breite,
- 3. gegenüber dem heutigen Durchschnittsauto erheblich
reduzierte Höchstgeschwindigkeit und Motorleistung,
- 4. auf die schwerpunktsnahe Unterbringung der Batterien und
deren leichten Austausch ausgerichtete Karosseriestruktur (kein
Conversion Design).
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Da
in naher Zukunft 70% der Menschheit in Städten und Ballungsgebieten
leben werden, wird außerdem vorgeschlagen, speziell für
den urbanen Raum optimierte, sehr kompakte, 2 oder 2 + 2 sitzige Leichtfahrzeuge,
wie sie z. B. in
DE 10 2007
050 552 und in
DE 198
55 585 beschrieben sind, zu verwenden, die unter 300 kg
schwer sind, die EU-weit als „vierrädriges Kleinkraftfahrzeug” zugelassen
werden können und die aufgrund der geringen Masse und ihrer
geringen Komplexität äußerst kostengünstig
herzustellen und zu betreiben sind. Nur sehr preiswerte Fahrzeuge
können im globalen Maßstab ausreichend viele Käufer
finden, um das System überall schnell etablieren und die
für den raschen Aufbau der regenerativen Energieanlagen
notwendigen Speicherkapazitäten aufbauen zu können.
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Die
Erfindung sieht auch vor, in den Elektrofahrzeugen ein oder mehrere
Batterieeinheiten (BE) unter den Sitzen (30) von Fahrer
und Beifahrer in einem seitlich zugänglichen Quertunnel
(20) unterzubringen und sie beim Wechsel seitlich herauszufahren.
Dabei wird vorgeschlagen, ein automatisches Kuppeln/Entkuppeln der
Stromkontakte in der Endlage vorzusehen und die Batteriemodule mit
Rollen oder Rädern zu versehen. So können die
Batteriemodule manuell oder automatisch ohne großen Kraftaufwand über
Schienen oder Flächen bewegt werden. Dabei wird der Quertunnel
vorzugsweise so mit der übrigen Karosseriestruktur verbunden,
dass er Torsinns- und Seitenkräfte aufnehmen kann.
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Es
wird ferner vorgeschlagen, die Akkutankstellen (AT) mit Informationen über
die aktuelle Stromproduktion und Nachfrage zu versorgen und mit
einem Energiemanagementsystem auszustatten, das zwischen Strombezug
und Stromeinspeisung je nach Lage umschalten kann. Dieses System
kann auf Softwarebasis autonom entscheidend oder ferngesteuert,
z. B. durch den Netzbetreiber, arbeiten. Auch ist vorgesehen, die
in den Batterien enthaltene Energie für die Notstromversorgung
zu verwenden. Dazu wird vorgeschlagen, den Behörden von
Landkreisen, Städten und Gemeinden, Zugriff auf die Batteriekapazität
zu geben, indem sie per Funk oder Datenleitung 13 fernsteuernd
ins Energiemanagmentsystem (EMS) der Akkutankstelle (AT) eingreifen können.
Da die den Fahrzeugen entnommenen Batterien rund um die Uhr geladen
werden können, ist es auch möglich, tagsüber
Strom aus Sonnenkraftwerken zu verwenden.
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Eine
weitere Verbesserung dieser Erfindung sieht vor, die Akkutankstellen
(AT) mit einem Messgerät für die Batteriekapazität
und den -zustand auszustatten oder ein mit den Batterien stets verbundenes
Gerät zur Batteriezustandserkennung auszulesen und Batterien,
deren Kapazität zu weitgesunken ist, um wieder im Fahrzeug
verwendet zu werden, nur noch für die Rückspeisung
von Energie zu verwenden. Sie erhalten damit eine Art „zweites
Leben” bevor sie endgültig entsorgt werden müssen.
Es ist vorteilhaft, diese Batterien aus dem fahrzeugnahen und in
stetem Umschlag befindlichen Batteriemagazin zu entfernen und in
ein separates Lager einzubringen. Es kann, z. B. aus Platzgründen,
sinnvoll sein, dieses Lager nicht auf dem Gelände der Akkutankstelle
(AT) aufzustellen, sondern an einem anderen Ort, und die entsprechenden
Batterien dorthin zu transportieren. Dann wird es auch günstig
sein, Batterien aus verschiedenen Akkutankstellen (AT) dort zu versammeln.
In dieser Variante der Erfindung befindet sich der DC-AC-Wandler
nicht mehr oder zumindest nicht mehr allein an der Akkutankstelle
(AT) sondern in einem zentralen Rückspeisemagazin.
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Ferner
ist vorgesehen, stets einen Teil der Batterien von der Rückspeisung
auszunehmen, damit sie vollgeladen in die nächsten Fahrzeuge überführt
werden können. Die von den Fahrzeugen übernommenen,
weitgehend leeren Batterien werden zunächst vorgeladen,
z. B. auf 75% der Nennkapazität, bevor sie zur Netzeinspeisung
verwendet werden. Dazu wird ein Energiemanagementsystem (EMS) verwendet,
das über den Ladezustand der einzelnen Batterien informiert
ist und das mit Informationen zu den kurzfristig erwarteten Fahrzeugzahlen
und der erwarteten Stromsituation versorgt wird.
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Es
wird auch vorgeschlagen, die Akkutankstellen (AT) an ein leistungsfähiges
Stromnetz (SN), z. B. Mittelspannungsnetz mit 10 kV, anzuschließen.
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Um
eine möglichst breite Fahrzeugpalette versorgen zu können,
wird vorgeschlagen, die Batterien in standardisierte und relativ
kleine Batterieeinheiten (BE), z. B. 48 V 40 Ah, aufzuteilen, die
bezüglich Gewicht und Abmessungen relativ leicht handhabbar
sind und die in Reihen- oder Parallelschaltung zu größeren
Modulen unterschiedlicher Spannung und Kapazität im jeweiligen
Fahrzeug auf einfache Weise kombiniert werden können. Aus
Gründen des Wärmemanagements der Zellen im Fahrzeug und
innerhalb der Batteriemagazine und um die Fahrzeuge nicht unnötig
hoch zu machen, ist ferner vorgesehen, die Batterieeinheiten (BE)
relativ flach auszuführen, indem man die Höhe
auf nicht mehr als etwa 1/2 der größten Seitenlänge
bemisst. Eine Batterieeinheit (BE) mit obigen Kennwerten und integriertem
Batteriemanagmenstsystem (BMS) hätte bei Verwendung von
LiFePo4-Zellen und ausreichend Kühlluftkanälen
Maße von ca. L × B × H = 0,40 m × 0,35
m × 0,18 m, was einem Volumen von 25 Litern entspricht.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, für Transporter,
leichte Lkw und Busse erheblich größere Batterieeinheiten
(BE) zu wählen und über separate Wechselstationen
(6, 7) auszutauschen. Entsprechend kann auch für
Elektrofahrräder (5) eine eigene Wechselstation
(8) mit einer kleinen Batterieeinheit (BE) vorgesehen werden.
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Ferner
wird vorgeschlagen, sogenannte Lithium Power Cells zu verwenden,
die hohe Entladeströme von über 5 C bis derzeit
max. 10 C vertragen, da der Ausgleich der Stromschwankungen hohe Leistungen
erfordert, aber auch, weil dieser Akkutyp besonders schnell geladen
werden kann. Dies wiederum verkleinert die Anzahl der Batterien
in der jeweiligen Akkutankstelle (AT), die aus oben genannten Gründen
nicht an der Rückspeisung teilnehmen können, was
zu einer insgesamt höheren spezifschen Rückspeiseleistung
führt.
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Schließlich
wird vorgeschlagen, die bei der Batterieladung und -entladung entstehende
Abwärme in Batterien, Ladegeräten, Gleich- und
Wechselrichtern mittels Wärmetauscher für Heizzwecke
oder zur Brauchwassererwärmung zu verwenden.
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Vorteile
der Erfindung: Gegenüber dem Stand der Technik werden eine
ganze Reihe erheblicher Vorteile erzielt:
Die Kombination von
hocheffizienten Elektrofahrzeugen einerseits und regenerativ erzeugter
Energie andererseits erlaubt einen Effizienzsprung gegenüber dem
heutigen System um mindestens den Faktor 3 bis 5. Der Energiebedarf
der individuellen Mobilität wird erheblich gesenkt, die
wertvollen und knappen regenerativen Energiequellen also effektiv
genutzt und die CO2-Emission drastisch reduziert.
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Der
Energietransfer über Akkutankstellen, die auch für
die Strompufferung verwendet werden können, bietet nicht
nur ein praktisches und zeitsparendes System für jedermann,
sondern senkt die Kosten des Gesamtsystems durch Doppelnutzung der
Batterien und durch die Größendegression der elektrotechnischen
Anlagekosten. Ein solches System erlaubt es auch, die Fahrzeuge
ohne die Batterie zu kaufen, was die Anschaffungskosten erheblich senkt.
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Im
Gegensatz zum Vehicle-to-Grid-System kann es jederzeit erhebliche
Stromleistungen bereitstellen und dem tatsächlichen Strombedarf
weit besser folgen. Beispielsweise kann eine Tankstelle mit 1000
kWh für die Rückspeisung verfügbarer
Batteriekapazität eine Rückspeiseleistung von über
5000 kW erreichen. Bereits 200 solcher Tankstellen können zusammen
die Leistung eines Großkraftwerks von 1 Gigawatt liefern.
Zum Vergleich: In Deutschland sind derzeit ca. 7 GW Regelleistung
in Pumpspeicherkraftwerken installiert. Die durch eine verstärkte
Nutzung regenerativer Energiequellen notwendige zusätzliche
Speicherkapazität kann bei einem flächendeckenden
Einsatz dieses Verkehrssystems ohne weiteres gedeckt werden. Ein
weiterer großer Vorteil ist die einfache Einbindung der
Akkutankstellen (AT) in die Notstromversorgung von Gemeinden und Städten,
da das System rund um die Uhr zur Verfügung steht und nur
relativ wenig Einheiten zur Rückspeisung angesteuert werden
müssen. Auch bei großflächigen Netzzusammenbrüchen
ist dieser Notbetrieb zumindest für einige Stunden möglich.
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Der
seitliche Austausch der unter den Fahrersitzen befindlichen Batterien
erlaubt ebenerdig aufgestellte und daher kostengünstige
Batteriemagazine und Wechselvor richtungen. Teure unterirdische Systeme
sind nicht notwendig. Die Aufteilung der Batterien in relativ kleine,
standardisierte Einheiten ergibt ein äußerst flexibles
und auf viele Fahrzeugtypen anwendbares System. Dies bietet auch
den Vorteil, dass nicht jeder Fahrzeughersteller sein eigenes Batteriesystem
entwickeln muss, so dass sich nochmals ganz erhebliche Kosteneinsparungen
ergeben werden. Natürlich bleibt es weiterhin möglich
und je nach den Umständen sinnvoll, die Fahrzeugbatterien an
der heimischen Steckdose aufzuladen, um sich den Weg zur Tankstelle
zu sparen. Auch eine private Rückspeisung kann für
einen bestimmten Personenkreis Sinn machen. Für die meisten
Menschen aber wird die Akkutankstelle, die sich z. B. auch an Einkaufszentren
oder an Parkplätzen großer Firmen befinden kann,
der bequemere und meist auch einzig mögliche Weg sein.
Wegen der großen Kostenvorteile und der breiten Anwendbarkeit
kann dieses nachhaltige Verkehrssystem vergleichsweise rasch realisiert
werden, was ein entscheidender Vorteil gegenüber den anderen
diskutierten Lösungen ist.
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Das
hier entwickelte elektrische Verkehrssystem ergänzt in
idealer Weise den sicher auch in Zukunft verbrennungsmotorisch betriebenen
Pkw-, Bus- und Lkw-Fernverkehr, für den man die nachwachsenden,
aber immer nur begrenzt verfügbaren Biotreibstoffe, z.
B. BtL, reservieren sollte.
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Weitere
erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile gehen aus
der Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor. Die Ausführungsbeispiele
sind im folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es
zeigen:
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1 ein
Schema des erfindungsgemäßen Verkehrssystems
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2 eine
typische Angebotskurve an Solarstrom im Vergleich zu typischen Stromverbrauchkurven
im Tagesgang.
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3 ein
Schema einer Akkutankstelle
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4 den
Batteriewechsel in Frontansicht am Beispiel eines urbanen Leichtfahrzeugs
-
5 den
Größenvergleich zwischen Mittelklasse-Pkw und
einem für den urbanen Verkehr optimierten Leichtfahrzeug
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6 ein
hocheffizientes Leichtfahrzeug in Seitenansicht mit seinen wesentlichen
Merkmalen
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7 das
gleiche Fahrzeug in Draufsicht ohne Dach
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8 ein
effizientes Elektrofahrzeug mit 3 × 2 Batterieeinheiten
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9 die
modulare Zusammenstellung der Batteriemodule aus Batterieeinheiten
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10 eine
Kurve des Energieinhalts einer Batterie im Verlauf des gesamten
Prozesses
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1 zeigt
ein Schema des erfindungsgemäßen Verkehrssystems.
Dargestellt ist die elektrisch betriebene, hocheffiziente Fahrzeugflotte
EEV einerseits, die regenerativen Kraftwerke RE und die vorerst
noch mit dem Netz verbundenen fossilen Kraftwerke FE andererseits
und dazwischen die Verknüpfung über Stromnetz
SN, Akkutankstellen AT und austauschbare Batteriemodule BM. Gestrichelt angedeutet
ist auch die Möglichkeit, die Fahrzeuge EV an der Steckdose
der Garage G aufzuladen und sie nach dem Vehicle-to-Grid-Prinzip
für die Rückspeisung von Energie zu benutzen.
Daneben ist das über Energiepflanzen nachhaltig betriebene
System des Straßenfernverkehrs gezeigt, bei dem nach wie vor
Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor CV verwendet werden, wobei vorwiegend
Biomass-to-Liquid BtL, Biodiesel BD, Bioethanol BET und Biogas BG eingesetzt
werden. Der von den Kraftwerken RE und FE erzeugte Strom wird über
das Stromnetz SN als Mittelspannung von 10 kV an die Akkutankstelle
AT geliefert, dort auf Niederspannung heruntertransformiert und über
einen als Ladegerät ausgelegten AC/DC-Wandler in die Batteriemodule
BM geleitet. Natürlich können mehrere solcher
Geräte parallel betrieben werden und auch die AC/DC-Wandlung
und die I/U-gesteuerte Ladung in verschiedenen durch einen Gleichstromzwischenkreis
verbundenen Gehäusen untergebracht werden. Übersteigt
die Stromnachfrage das kraftwerksseitige Angebot wird aus einem
Teil der Batterien Strom entnommen und über einen DC/AC-Sinuswechselrichter
in das Netz zurückgespeist. Die strichpunktierte Linie
deutet an, dass Batteriewechselstationen BW und Zapfsäulen für
Biotreibstoffe auch gemeinsam auf dem Gelände einer Tankstelle
angeboten werden können, allerdings nur mit ausreichendem
Sicherheitsabstand wegen der Gefahr der Funkenexplosion. Aus dem Stromnetz
SN beziehen die übrigen Stromverbraucher SV ebenfalls Energie.
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2 zeigt
mit der gestrichelten Linie eine typische Angebotskurve an Solarstrom
im Vergleich zu typischen Stromverbrauchkurven im Tagesgang. Schraffiert
sind die Stoßverkehrszeiten, in denen die wenigsten Fahrzeuge
am Netz hängen können. Man sieht hier sehr deutlich
den Vorteil des erfindungsgemäßen Systems gegenüber
der Stromeinspeisung durch im Fahrzeug befindliche Batterien, die
nur zu einem Bruchteil wirklich für die Spitzenlastabdeckung oder
für die Verwendung von Solarstrom genutzt werden könnten.
Das erfindungsgemäße System bietet demgegenüber
eine viel höhere Zahl an mit dem Stromnetz SN verbundenen
Batterien, insbesonder auch wegen der Zweitnutzung derjenigen Batterien, die
aufgrund zu geringer Restkapazität aus dem Fahrbetrieb
ausgesondert worden sind. Man kann erwarten, dass sie etwa noch
einmal soviele Zyklen wie im Fahrzeug durchlaufen können,
bevor sich ihre Verwendung nicht mehr lohnt.
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3 zeigt
beispielhaft eine Akkutankstelle AT in Draufsicht mit den drei verschiedenen
Fahrzeugtypen Elektrobus 1, Elektrofahrzeug 2,
Stadtfahrzeug 3, 4 und Elektrofahrrad 5,
die einen Akkutausch an verschiedenen Batteriewechselstationen 6, 7, 8 mit
den jeweiligen, dem Fahrzeugleistungsbedarf angepassten Batterieeinheiten
BE vornehmen. Außer beim Elektrofahrrad 5 werden
die Batterien durch automatisierte Wechseleinrichtungen seitlich entnommen
bzw. zugeführt. Gezeigt sind auch die zugeordneten Batteriemagazine.
Mit den gestrichelten Pfeilen ist dargestellt, dass die von der
Abwärme der Batterien, Ladegeräte und Wechselrichtern
erwärmte Luft mittels Gebläse 12 abgesaugt
und über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher zu Heizzwecken verwendet
wird. Das elektronische Energiemanagmentsystem EMS wird über
eine Datenleitung 13 mit den notwendigen Informationen über
die Stromlage versorgt und gegebenenfalls durch den Stromversorger
oder die Behörden angesteuert. Es ist mit einer Signalleitung
mit dem oder den DC-AC-Invertern verbunden und entscheidet auf Softwarebasis über
den Zeitpunkt, die Leistung und die Menge des zurückzuspeisenden
und des für die Ladung zu verwendenden Stroms. Ein geeichter
Stromzähler erfasst zeitgenau den Strombezug, bzw. die
Stromlieferung bei Rückspeisung. Es ist möglich
jede Batterieeinheit BE einzeln oder in Gruppen zu laden. Dazu sind
entsprechende Leistungsschaltelemente vorgesehen. An jeder Wechseleinrichtung
kann eine Testmessung an den Batterien vorgenommen werden, die den
aktuellen Lade- und Leistungszustand der Batterie erfasst und eventuelle
Defekte feststellt. Batterien, die defekt sind, werden aussortiert,
und solche, deren Kapazität zu weit abgesunken ist, um
im Fahrzeug verwendet werden zu können, werden in das Rückspeisemagazin 9 überführt.
Die übrigen Batterien werden nach der Messung zunächst
auf mindestens 75% der Kapazität aufgeladen und erst danach
für die Rekuperation verwendet. Die Batterien des jeweiligen
Magazins, die bereits am längsten im Zyklus sind, werden für
den bevorstehenden Austausch in ein Fahrzeug von der Rückspeisung
ausgenommen und voll geladen. Etwa 1/3 der Batterien nehmen jeweils
an der Rückspeisung teil. Es ist auch möglich,
ausschließlich die Batterien des Rückspeisemagazins 9 für
die Rückspeisung zu verwenden. Die einzelnen Batterien
sind über elektronische Leistungsschaltelemente mit dem
DC/AC-Konverter verbunden und können nach Aufschaltung
durch des Energiemanagmentsystem EMS ins Netz zurückspeisen.
Das Energiemanagmentsystem EMS protokolliert den Energiefluss und
wacht auch darüber, dass keine Batterie zu stark oder zu
tief entladen wird oder sich zusehr erhitzt. Die Batteriemagazine
sind in Etagenbauweise ausgeführt, wobei wegen der geringen
Bauhöhe der Batterieeinheiten BE 10–20 Etagen
ohne Schwierigkeit möglich sind. Das Einlagern und Entnehmen der
Batterieeinheiten BE oder auch ganzer Batteriemodule BM erfolgt über
einen automatischen Zuführroboter.
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4 zeigt
den Batteriewechsel in Frontansicht am Beispiel eines urbanen Leichtfahrzeugs.
In diesem sind die Batterien in einem Quertunnel 20 untergebracht,
der sich unter den Sitzen 30 von Fahrer und Beifahrer befindet.
Dieser Quertunnel 20 ist mit der übrigen Karosserie
solide verbunden und trägt in erheblichem Maß zur
Torsionssteifigkeit der Karosserie und zur Aufnahme von seitlichen
Stoßkräften bei. Auf ihm sind Fahrer- und Beifahrersitz
montiert. Die Batterien werden über Be- und Entladeschienen 17 in das
Batteriemagazin nahezu höhengleich überführt. Dazu
kuppelt ein servomotorisch betriebener Teleskoparm 34,
der seitlich an den Batterien vorbei geführt wird, am hinteren
Ende des aus zwei Batterieeinheiten BE bestehenden Batteriemoduls
BM. Dargestellt ist ein einfaches, rotierendes Trommelmagazin 21 mit
6 × 2 Ladeplätzen. Die in 2 gezeigten Etagenmagazine
mit einem Zuführroboter können erheblich mehr
Batteriemodule BM im gleichen Volumen einlagern, sind aber auch
teurer. Die Batterieeinheiten BE werden im Fahrzeug nach Fixierung
in der Endposition durch automatische Kontakte 35 auf 48 V
80 Ah verschaltet. Auch im Trommelmagazin 21 werden automatische
Kontakte 35 verwendet.
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5 zeigt
den Größenvergleich zwischen Mittelklasse-Pkw
und einem für den urbanen Verkehr optimierten Leichtfahrzeug.
Neben der gezeigten drastischen Verkürzung des Fahrzeugs
sinkt auch die Fahrzeugbreite um etwa 25%. Dies wird vor allem durch
einen im Ellenbogenbereich sehr schmalen Türaufbau erreicht.
Damit wird nur etwa 40% des Parkraums benötigt.
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6 zeigt
ein hocheffizientes Leichtfahrzeug in Seitenansicht mit seinen wesentlichen
Merkmalen. Es misst 2,4 × 1,35 × 1,45 m und wiegt
etwa 200 kg. Seine Karosserie besteht im unteren Teil aus einer
selbststragenden Struktur 22 aus hochfesten Aluminiumblechen.
Im oberen Teil wird ein Spaceframe 23 aus Alumiumprofilen
verwendet, an dem eine Kunststoffverkleidung 25 abgebracht
ist. Lediglich der Bereich der Frontscheibe, der vom Scheibenwischer überstrichen
wird, besteht aus Sicherheitsglas, alle anderen Scheiben aus kratzfest
beschichtetem Polycarbonat. Das Fahrzeug rollt auf 6 cm schmalen Hochdruckgürtelreifen
mit einem cr von 0,007. Die Nennleistung
der beiden Elektromotoren 26 beträgt zusammen
4 kW, die Kurzzeitspitzenleistung 10 kW. Seine Höchstgeschwindigkeit
beträgt 45 km/h. Es kann sowohl vollkommen geschlossen
als auch weitgehend offen gefahren werden, was eine Klimaanlage
in vielen Fällen unnötig macht. Die Motorsteuerung
erfolgt über die Tretkurbel 28 des Fahrers ähnlich
wie bei Pedelecs. Durch eine gewisse körperliche Aktivität
des Fahrers wird innere Wärme frei, so dass die Heizanlage
wesentlich kleiner dimensioniert werden kann und im wesentlichen
der Scheibendefrostung oder -trocknung dient. Beim Bremsen wird
elektrische Energie zurückgewonnen. Das Batteriemodul (BM)
befindet sich sich in einem Quertunnel 20 unter dem Fahrer-
und Beifahrersitz. Eine Seitenklappe 16 erlaubt den horizontalen
Batteriewechsel. Das Batteriemodul BM besteht aus zwei Batterieeinheiten
BE von je 48 V/40 Ah. Sie besitzen auf jeder Längsseite vier
kugelgelagerte Rollen, die ein sehr leichtes Verfahren und die Überbrückung
eines geringen Spaltes oder Höhenunterschiedes zwischen
Batteriewechselstation und Fahrzeug erlauben. Die Batterieeinheiten
BE können auch wegen des geringen Gewichts von unter 25
kg mittels eines ausziehbaren Handgriffs auf den Rollen wie ein
Reisekoffer von Hand bewegt wenden, was ein großer Vorteil
bei der Einführung der Fahrzeuge ist, da sich automatisierte Batteriewechselstationen 6, 7, 8 erst
bei einer höheren Fahrzeugzahl lohnen. Die Anzahl der elektrischen
Verbraucher an Bord und deren Leistungsaufnahme ist auf ein Minimum
beschränkt. Schiebedach und Seitenfenster werden von Hand
betätigt. Durch das geringe Gewicht und die schmalen Reifen
mit geringem Reifenlatsch ist keine Servolenkung notwendig. Zudem
kann wegen der geringen Höchstgeschwindigkeit auf ein ABS
und ESP verzichtet werden. Als Cabrio benötigt es zudem
keine Klimaanlage.
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7 zeigt
das gleiche Fahrzeug in Draufsicht ohne Dach. Der Quertunnel 20 und
die mit ihm solide verbundenen Elemente der selbsttragenden Karosseriestruktur
sind fett hervorgehoben. Der Quertunnel 20 bildet mit Mittelkasten 32,
Bodenblech 33 und den beiden Seitenkästen 31 durch
großflächige Verklebung eine verwindungssteife
Einheit, die auch hohe Querkräfte aufnehmen kann. Der Quertunnel
bildet für die Batterien ein geschlossenes, vom Fahrgastraum
getrenntes Gehäuse. Bei Bedarf wird er von Gebläseluft
durchströmt, um die Batterien zu temperieren oder zu kühlen.
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8 zeigt
ein effizientes Elektrofahrzeug EEV mit 3 × 2 Batterieeinheiten
BE, die alle im Fahrzeugboden und ebenfalls in einem Quertunnel 20 untergebracht
sind. Es hat eine entsprechend hohe Reichweite (bis 200 km), Motorleistung
(15/30 kW) und Höchstgeschwindigkeit (80 km/h). Es besitzt ebenfalls
Hochdruckgürtelreifen.
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9 zeigt
die modulare Zusammenstellung der Batteriemodule BM aus Batterieeinheiten
BE mit den darin enthaltenen Power Cells. Jede Batterieeinheit BE
verfügt über ein normiertes Gehäuse und
ein Batteriemanagmentsystem BMS, das die gleichmäßige
Ladung aller Zellen steuert und überwacht und deren Zustand
abspeichert, so dass sowohl der Bordcomputer 27 des Fahrzeugs
als auch das Energiemanagmentsystem EMS der Akkutankstelle AT diese Daten
lesen kann. Das Gehäuse ist so gestaltet, dass es von einem
Kühlluftstrom, der jede einzelne Zelle erreicht, durchflossen
werden kann. Dargestellt sind Batteriemodule BM aus zwei, vier und
sechs Batterieeinheiten BE, die jeweils die gleiche Kapazität
aber unterschiedliche Spannungsniveaus besitzen. Fahrzeuge höherer
Leistung benutzen vorzugsweise höhere Spannungen, um die
Ströme beherrschbar zu halten.
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10 zeigt
eine Kurve des Energieinhalts einer Batterie im Verlauf des gesamten
Prozesses. Abschnitt A: Die vom Fahrzeug übernommene, weitgehend
entleerte Batterie wird zunächst auf 75% vorgeladen. Abschnitt
B: Ab diesem Ladezustand kann sie für die Stromeinspeisung
verwendet werden. Im Beispiel wird fünfmal Strom mit relativ
hohen Entladeraten entnommen. Dazwischen wird die Batterie stets weiter
aufgeladen. Abschnitt C: Nach einer gewissen Zeit wird sie von der
Netzeinspeisemöglichkeit abgekoppelt und fertig geladen,
um als volle Batterie ins Fahrzeug zu kommen. Abschnitt D: Im Fahrzeug
wird sie fahrzeugtypisch entladen. Die Abschnitte C und D entfallen
bei denjenigen Batterien, die ins Rückspeisemagazin überführt
worden sind, der Abschnitt B wird hingegen vielfach durchlaufen.
-
- AC/DC
- Gleichspannungsnetzteil
- AL
- Abluft
- AT
- Akkutankstelle
- BD
- Biodiesel
- BE
- Batterieeinheit
- BET
- Bioethanol
- BG
- Biogas
- BM
- Batteriemodul
- BMS
- Batteriemanagementsystem
- BtL
- Biomass-to-Liquid
- BFT
- Tankstelle
für Biotreibstoffe
- CV
- KFZ
m. Verbrennungsmotor
- DC/AC
- Sinuswechselrichter
- EEV
- effizientes
Elektrofahrzeug
- EMS
- Energiemanagementsystem
- FE
- fossile
Energie
- G
- Garage
- RE
- regenerative
Energie
- SN
- Stromnetz
- SV
- Stromverbraucher
- ZL
- Zuluft
- 1
- Elektrobus
- 2
- Elektrofahrzeug
- 3,
4
- Stadtfahrzeuge
- 5
- Elektrofahrrad
- 6
- Batteriewechselstation
Bus
- 7
- Batteriewechselstation
Pkw
- 8
- Batteriewechselstation
Fahrrad
- 9
- Rückspeisemagazin
- 10
- Verkaufsraum
Tankstelle
- 11
- Luft/Wasser-Wärmetauscher
- 12
- Gebläse
- 13
- Datenleitung
- 14
- Gleichstromzwischenkreis
- 15
- Lade-
und Bedieneinheit
- 16
- Seitenklappe
- 17
- Be-
und Entladeschiene
- 18
- Radführungskörper
- 19
- Rollen
- 20
- Quertunnel
- 21
- rotierendes
Trommelmagazin
- 22
- selbsttragende
Struktur aus Aluminiumblechen
- 23
- Spaceframe
- 24
- Kunststoffscheiben
- 25
- Kunststoffverkleidung
- 26
- Elektromotor
- 27
- Bordcomputer
- 28
- Tretkurbel
- 29
- Hochdruckgürtelreifen
- 30
- Sitze
- 31
- Seitenkasten
- 32
- Mittelkasten
- 33
- Bodenblech
- 34
- Teleskoparm
- 35
- automatischer
Stromkontakt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2008/0052145
A1 [0001]
- - US 5642270 [0001]
- - DE 102008047654 A1 [0002, 0003]
- - EP 1810869 A1 [0002]
- - DE 102007050552 [0008]
- - DE 19855585 [0008]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - www.betterplace.com [0002]