Eine Publikation der Binkert Medien AG
Zukunftsweisende Technologien für Flurförderzeuge : Ausgabe 07/08/2016, 23.08.2016

Energiespeicher im Wandel

Bei den Energiespeichern zeichnet sich für Flurförderzeuge ein Wandel ab – weg von den klassischen Blei-Säure-Batterien, hin zu Brennstoffzellen oder Lithium-Ionen-Batterien. Vor- und Nachteile der Technologien sowie die jeweilige Zukunftsfähigkeit beleuchtet Jungheinrich in diesem Beitrag.

Ganz oben auf den Wunschzetteln der Betreiber elektrisch angetriebener Flurförderzeuge stehen eine hohe Energiedichte und ein hoher Wirkungsgrad des Speichers bei wenig Platzbedarf und niedrigen Verlusten. Zudem ist eine einfache Infrastruktur gefragt, um Laderäume und Wechseleinrichtungen zu erübrigen, unproduktive Nebenzeiten zu reduzieren und letztlich beachtliche Einsparpotenziale auszuschöpfen. Abgesehen davon gibt es Forderungen nach Wartungsfreiheit und einer langen Lebensdauer des Energiespeichers. Obendrein sind schnelle Batteriewechsel gewünscht für den Fall, dass sich diese nicht grundsätzlich vermeiden lassen.

Verbrennungsmotoren, die heute noch die grösste Gruppe der global produzierten Flurförderzeuge bewegen, dürften dagegen als Zukunftstechnologie entfallen. Gründe dafür sind ihr geringer Wirkungsgrad und die bei ihrer Nutzung auftretenden Abgase, die ein Ausschlusskriterium für Einsätze in geschlossenen Räumen bilden.

Alternative Energiespeicher

Vergleicht man allein die Energiespeicher, kann die Blei-Säure-Batterie, bezogen auf Lebensdauer und Energiedichte, nicht mithalten. Wie Tests von Jungheinrich ergeben haben, «leben» Lithium-Ionen-Batterien mindestens zwei- bis dreimal so lange wie Blei-Säure-Batterien. Hinsichtlich der Energiedichte sind Lithium-Ionen-Batterien den Blei-Akkumulatoren sogar um den Faktor 10 überlegen. Rechnet man die weiteren Vorteile hinzu, welche die Lithium-Ionen-Technologie bietet, dürften Blei-Akkumulatoren nach und nach an Bedeutung verlieren.

Auch der Energiebedarf von Flurförderzeugen, die ihre Power aus Brennstoffzellen beziehen, liegt unter dem verbrennungsmotorisch angetriebener Fahrzeuge. Ferner erzielen Brennstoffzellen eine höhere Energiedichte als Blei-Säure-Batterien. Jungheinrich nennt als Gesamtwirkungsgrad einer Brennstoffzelle 25 Prozent (Well to wheel). 36 Prozent lassen sich erreichen, wenn man Wasserstoff als Abfallprodukt aus anderen Industrien verwendet. Zu beachten ist auch, dass jede Brennstoffzelle eine Batterie benötigt, wobei in der Regel ein Lithium-Ionen-Akku eingesetzt wird. Die Brennstoffzelle ist quasi eine Konstant-Energiequelle. Fahren oder Beschleunigen ebenso wie Bremsen sind jedoch hochdynamische Prozesse von Entladen und Laden (Rekuperation). Diese Dynamik kann die Brennstoffzelle nicht bieten. Gerade beim generatorischen Bremsen muss die Energie aufgenommen werden. Dies ist ein elementarer Bestandteil des Bremssystems. Angesichts der hochdynamischen Prozesse tritt die Frage auf, ob Lithium-Ionen-Batterien in der Lage wären, den gesamten Energieverbrauch von Flurförderzeugen zu decken? Hinzu kommt, dass beim Einsatz von Brennstoffzellen hohe Investitionen in die Infrastruktur sowie regelmässige nennenswerte Wartungskosten anfallen. Vor diesem Hintergrund rechnen sich mit Brennstoffzellen angetriebene Flurförderzeuge erst bei Flottengrössen ab 50 Fahrzeugen, die überdies im Drei-Schicht-Betrieb laufen sollten.

Viel Energie auf wenig Raum

Lithium-Ionen-Batterien bieten aufgrund ihrer hohen Energiedichte viel Energie auf wenig Raum. Da Lithium-Ionen-Akkus neben der höheren Nennspannung (meist 25,5 Volt zu 24 Volt) zudem – in diesem Beispiel getestet an 24-Volt-Batterien – mit rund 93 Prozent einen höheren Entladegrad erreichen als Gel-Batterien (PzV) mit 60 Prozent und Standard-Blei-Säure-Batterien (PzS/B) mit 80 Prozent, stellen sie auch circa 20 Prozent mehr Energie als Blei-Akkumulatoren zur Verfügung. Selbst im Vergleich zu Brennstoffzellen fällt der Wirkungsgrad deutlich stärker aus. Wie sich Verluste minimieren lassen, ist beim Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in Elektroautos zu beobachten, wo diese Energiespeicher einen Wirkungsgrad von 86 Prozent erzielen, Brennstoffzellen aber nur einen von 40 Prozent. Bei einem von Jungheinrich durchgeführten Test haben Lithium-Ionen-Batterien sogar einen Wirkungsgrad von 96 Prozent erreicht. Abgesehen davon sind Lithium-Ionen-Akkus für Flurförderzeuge, wie die für Handys, wartungsfrei.

Lange Lebensdauer

Ein weiterer Vorteil dieser Energiespeicher ist ihre schon erwähnte lange Lebensdauer. Sie hängt vor allem vom ausgesuchten Zelltyp ab. Die Aussagen von Jungheinrich zu diesem Thema basieren auf einer Restkapazität von 80 Prozent, die als Kriterium für das Lebensende sowohl einer Lithium-Ionen- als auch einer Blei-Säure-Batterie gilt. Das Unternehmen nutzt die Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie voll aus und verhindert durch eine intelligente Regelung der Fahrsteuerung kritische Rückspeiseströme. Manche Hersteller machen anderslautende Aussagen zur Lebensdauer, nach denen Akkumulatoren erst bei 75 oder gar erst bei 65 Prozent ihrer ursprünglichen Nennkapazität abzuschreiben sind. Durch solche Angaben ist es möglich, die Zahl der versprochenen Ladezyklen erheblich zu steigern. Dabei ist zu prüfen, ob mit der Zahl der vom Produzenten angegebenen erzielbaren Ladezyklen Vollzyklen gemeint sind. Auf Lithium-Ionen-Batterien wirken sich Zwischenladungen positiv aus, auf Blei-Säure-Akkumulatoren haben sie einen negativen Effekt. Zum Laden von Lithium-Ionen-Batterien reichen bereits kleine Zeitfenster aus, beispielsweise in der Mittagspause. Auf Wunsch passt Jungheinrich die Zwischenladungen an die jeweiligen Kundenbedingungen an.

Lithium-Ionen-Batterien haben ein definiertes (bevorzugtes) Betriebsfenster. Darüber lassen sich die Bedingungen, die bezogen auf ihre Lebensdauer entscheidend sind, unter anderem Zelltemperatur und Zellenspannung, steuern. Optimal wäre ein Einsatz unter Laborbedingungen, der in der Praxis nicht realisierbar wäre, dem aber die Voraussetzungen im angrenzenden »Wohlfühlbereich« nahe kommen. Wird die Batterie ausserhalb dieses Bereichs genutzt, ist sie neutralen, schädigenden oder instabilen Einflüssen ausgesetzt. Exemplarisch steht dafür ein Überladen oder eine Tiefentladung. Jungheinrich gewährleistet, die Grenzen des Betriebsfensters, also den Bereich, in dem ein Betrieb zugelassen ist, durch sein Batterie-Management-System (BMS) einzuhalten. In Labortests ist nachgewiesen worden, dass Lithium-Ionen-Batterien mit rund 7000 Zyklen deutlich über dem Ergebnis für Blei-Säure-Akkumulatoren liegen, die auf 1500 Zyklen kommen. Zudem können Lithium-Ionen-Batterien beim Erreichen von 7000 Zyklen noch weiterarbeiten.

Aktives Power-Management

Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus lässt sich auch mithilfe eines aktiven Powermanagements erhöhen. Etwa indem das BMS mit der Flurförderzeug-Steuerung kommuniziert und somit über den Betriebspunkt der Batterie Einfluss auf die Fahrzeugfunktionen nimmt. Arbeitet man ohne Powermanagement und die Batterie ist zu 100 Prozent geladen, ist sie beispielsweise nicht mehr in der Lage, den Rückspeisestrom eines generatorisch bremsenden Flurförderzeugs aufzunehmen. Daraufhin steigt die Batteriespannung und das BMS schaltet im Grenzfall ab. Aufgrund einer intelligenten Regelung des Powermanagements werden Fahrzeugfunktionen so angepasst, dass eine Batterieschädigung ausgeschlossen ist.

Durch Zwischenladungen können Betreiber die Einsatzdauer ihrer Flurförderzeuge verlängern oder ohne Batteriewechsel auskommen und folglich Verlustzeiten verhindern. Im Rahmen eines neunzehntägigen Realtests hat Jungheinrich bewiesen, dass 30 Minuten lange Zwischenladungen je Schicht ausreichen. Das Geheimnis, selbst im Drei-Schicht-Betrieb Batteriewechsel vermeiden zu können, liegt darin, schneller zu laden als zu entladen. Letztlich hängt es auch davon ab, ob man zum Beispiel bei einem Energiebedarf von 150 Ah mit einem entsprechenden Ladegerät eine Ladezeit von 90 Minuten benötigt oder ob man mit einem leistungsstarken 300 Ah Ladegerät die erforderliche Ladezeit je Schicht auf die dreissigminütige Mittagspause minimiert.

Breites Vorteilsspektrum

Lithium-Ionen-Batterien bilden aufgrund ihres breiten Vorteilsspektrums eine sehr wirtschaftliche Lösung. Die grossen Einsparpotenziale dieses Energiespeichers beruhen unter anderem auf seiner längeren Lebensdauer sowie auf seinem schätzungsweise 30 Prozent höheren Wirkungsgrad. Dieser basiert auf einer hohen Spannungskonstanz und geringeren inneren Verlusten sowie auf Hochfrequenz-Ladetechnologie. Zusätzlich lassen sich auf der Fahrzeugseite bis zu 20 Prozent Energie einsparen. Ein Vorteil, der mit Blei-Säure-Batterien in diesem Umfang nicht zu realisieren wäre. Jungheinrich profitiert beim Einsatz der Lithium-Ionen-Technologie davon, mit Blei-Säure-Akkumulatoren bereits umfangreiche Erfahrungen im Hinblick auf Energie-Rückspeisung gesammelt zu haben. Darüber hinaus profitieren die Betreiber von der Wartungsfreiheit der Lithium-Ionen-Batterien, durch die sich ein Vorhalten von destilliertem Wasser erübrigt und weder Verlustzeiten für Wassernachfüllungen noch Fehlbedienungen wegen vergessener oder falscher Befüllungen auftreten können. Ferner kommen Anwender, die in ihren Flurförderzeugen Lithium-Ionen-Akkus einsetzen, mit einfachen Infrastrukturen aus, sodass die üblichen Laderäume und Wechseleinrichtungen entfallen. Das Gleiche gilt für die mit Batterieladungen verbundenen Gasungen, Flüssigkeiten und Säuren sowie für das Handling der Batterien. Wegen der aufgeführten Vorteile werden die höheren Investitionen für Lithium-Ionen-Akkumulatoren nach kurzer Zeit ausgeglichen. Denn schon heute ist die Lithium-Ionen-Technologie, in Bezug auf den einzelnen Ladezyklus, günstiger. Um die Wirtschaftlichkeit für jeden Einsatzfall individuell zu berechnen, hat Jungheinrich einen TCO-Kalkulator entwickelt, der dem Anwender mit relativ wenigen Inputdaten die Wirtschaftlichkeit auf Monatsbasis darstellt. So können Entscheider die Investition auch in Hinblick auf die Betriebskosten bewerten.


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Lithium-Ionen-Batterien bieten viel Energie auf wenig Raum.
(Bild: Jungheinrich)