Batterien, jetzt und damals

Batterien, jetzt und damals

Technologische Fortschritte treten üblicherweise regelmässig ein, nachdem ein wichtiger Durchbruch stattgefunden hat. Nicht so bei der Elektrizität. Die elektrische Leistung wurde um ca. 1600 n. Chr. (oder etwas früher) entdeckt. Zu jener Zeit wusste niemand richtig, was man damit anfangen konnte, als Blitze herzustellen oder Experimente mit zuckenden Froschbeinen durchzuführen. Metallische Plattierung durch Elektrolyse wurde erstmals um 1800 angewendet. Aber bereits kurz nachher wurde eine elektrische Lampe mit Holzkohleelektroden mit einer Primärbatterie gespeist. Als dann der Zusammenhang mit dem Magnetismus, in der Mitte des 19. Jahrhunderts, entdeckt wurde, wurden Generatoren erfunden, die in der Lage waren, einen gleichmässigen Fluss von Elektrizität zu produzieren. Es folgten Motoren, die mechanische Bewegungen ermöglichten, und die Edisonlampe entstand, um die Dunkelheit zu besiegen.

Die Erfindung der elektronischen Vakuumröhre im frühen 20. Jahrhundert war der wichtigste nächste Schritt in Richtung Spitzentechnologie, und es entstanden Frequenzoszillatoren, Signalverstärker und digitale Schalter. Dies führte zum Rundfunk um 1920 und erlaubte den Bau des ersten operationellen digitalen Computers (ENIAC) um 1946.Die Entdeckung des Transistors um 1947 glättete den Weg zu den integrierten Schaltungen 10 Jahre später. Und schliesslich führte uns der Mikroprozessor ins Informationszeitalter und revolutionierte die Zeit, in der wir leben.

Während grosse Primärbatterien seit rund 200 Jahren existieren, gibt es die verschweissten Nickel-Kadmium-Batterien, die wir heute kennen, erst seit dem erfinden des Transistors, d.h. seit ca. 1947. In der Zwischenzeit wurden Batterien zu einer sehr wichtigen Energiequelle, und die Nachfrage nimmt ständig zu.

Im Jahr 2000 wurde die totale, aus Batterien stammende Energie, weltweit für Laptops und Handfunkgeräte eingesetzt, auf ca. 2500 Megawatt geschätzt.

Batterieleistung und der Jumbojet Boeing 747

Reisende erfahren das erhebende Abheben eines Jumbojets. Bei einer vollen Ladung von 400 Tonnen, benötigt der Boeing 747 eine Energie von 90 Megawatt (MW) um in die Luft zu gehen. Das entspricht 120000 PS (Pferdestärken). Bei Erreichen der Reisegeschwindigkeit wird der Energiebedarf etwa halbiert, auf 45 Megawatt (oder 60000 PS). Die weltweit verbrauchte Batterieleistung für Laptops und Mobiltelefone könnte 56 Boring 747 in der Luft halten.

Die mächtige Queen Mary, ein 81000 Tonnen Kreuzfahrtschiff von über 300m Länge, wurde durch vier Dampfturbinen mit total 160000PS angetrieben. Die weltweit verbrauchte Energie mit Laptops und Mobiltelefonen könnte 20 Queen Mary antreiben, mit 3000 Passagieren und dem Personal an Bord und einer Reisegeschwindigkeit von 28,5 Knoten (52km/h). Die Queen Mary wurde 1934 in Betrieb genommen, und ist heute ein Museum in Long Beach, Kalifornien.

Ein grösseres Fahrzeug besitzt einen Motor mit 275PS (200kW). Ein durchschnittliches Einfamilienhaus ist ausgelegt für eine Leistung von 20kW. Ein grösseres Fahrzeug hat also genug Leistung, um 10 Einfamilienhäuser mit Leistung zu versorgen, und auch den Bedarf in Spitzenzeiten zu decken. Diese Tatsache ist entscheidend, wenn man berücksichtigt, dass die meisten Fahrzeuge nur den Lenker transportieren.

Eine aktive Person benötigt 3500 Kalorien pro Tag, um fit zu bleiben, was grob geschätzt 4000W in 24 Stunden entspricht (1 Nahrungskalorie = 1,16 Wh). Wenn man zu Fuss unterwegs ist, kann man ungefähr 40km pro Tag zurücklegen. In der folgenden Tabelle vergleichen wir die Energie pro Passagierkilometer einer vollgeladenen Boeing 747, dem ehemaligen Kreuzfahrtschiff Queen Mary, einem 4 x 4 Geländewagen oder einer gesunden Person zu Fuss.

Figur 1: Benötigte Leistung für verschiedene Transportmethoden. Flugreisen verlangen die kleinste Energie pro Passagier, in bezug auf mechanische Transportmöglichkeiten. Das Schiff wird effizient für schwere Frachten. Die absolut tiefste Energie benötigt ein Fussgänger.

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*4.186 Joule werden benötigt, um die Temperatur von einem Gramm Wasser um 1°C ansteigen zu lassen.
Mehr über mechanische Leistungen:http://en.wikipedia.org/wiki/Power_%28physics%29

Wie weit sind neuere Batteriechemien noch entfernt?

Lithium-Ion ist der Sieger für tragbare Anwendungen. Die am meisten verwendeten Lithium-Ion sind die zylindrischen Zellen 18650 und eine grössere Anzahl von prismenförmigen Zellen in metallischer Verpackung.

Lithium-Ion-Polymer arbeitet gut, wenn die Zellengeometrie kleiner als 4mm sein muss, oder wenn spezielle Verpackungsarten nötig sind. Hochleistungslithium-Ion-Polymer-Zellen in Folienform können zur Herstellung von leistungsstarken und kompakten Batterien verwendet werden, mit minimalem Platzbedarf. Es gibt jedoch ein Preisproblem. Lithium-Ion-Polymer kostet ca. 10% mehr als Lithium-Ion, ohne zusätzliche Kapazität zu bieten. Eine gewisse Platzreserve muss geschaffen werden, um das Aufschwellen von gestapelten Folienzellen zu berücksichtigen.

Lithium-Ion wurde in medizinischen Instrumenten und in Hybridfahrzeugen getestet, mit gemischten Resultaten. Kurze Lebenszeit und ein hoher Preis sind die wichtigsten Hürden. Dieser Markt wird weiterhin bedient werden durch die robustere und weniger teure Batterie auf Nickelbasis.

Zur Zeit ist keine neue Batteriechemie am Horizont sichtbar, die die klassische Blei-Säure-Batterie für Fahrzeuge und radgetriebene Geräte ablösen könnte. Blei-Säure ist ausgereift und die Herstellungskosten sind tief. Die spiralförmige Blei-Säure-Batterie, eine ähnliche Technologie zur ventilgesteuerten Blei-Säure-Batterie sowie die AGM (absorbent glass mat) Batterie wird graduell ersetzt durch die nasse Autobatterie bei hoch-technischen Anwendungen. Nochmals, es ist ein Preisproblem bei diesen fortschrittlichen Batterien, aber die längere Lebenserwartung wird die höheren Investitionskosten kompensieren.t.

References: Barry Huret, president of battery consulting company Huret Associates Inc. in Yardley, Pa, USA (www.huret.com)