HGM Eröffnung Erster Weltkrieg ab 29. JuniStrategie und Sicherheit 2014Vehling VerlagHeeresgeschichtliches MuseumVerein Alt-NeustadtStrategischer Führungslehrgang
Wehrtechnik

Autorenteam ARWT/ET

Energieversorgung für den Soldaten der Zukunft (1)

Mit dem sich ständig ändernden Gefechtsbild ändern sich auch die Anforderungen an die Technik am Gefechtsfeld. Mit der erforderlichen Steigerung der Kampfkraft für internationale Einsätze sieht sich der moderne Soldat mit einer Vielzahl von Führungsunterstützungsund Führungssystemen konfrontiert. Von der einfachen Taschenlampe über Kommunikationsmittel bis hin zu Lageinformationssystemen mit GPS muss jedoch jedes einzelne Gerät autark über einen oder mehrere Kampftage einsatzfähig sein. Das erfordert aus der Sicht der Energieversorgung am Gefechtsfeld neue Ansätze zur Technologie von Energiespeichern wie Batterien und Akkumulatoren und eine aufwendigere Logistik zur Erst- und Folgeversorgung. In dieser 3-teiligen Beitragsserie sollen Aspekte der geschichtlichen Entwicklung des Energiekonsums und den daraus resultierenden Energiespeichern, der Bedarf an der Ermittlung von Energiebilanzen und einer Minimierung von Leistungsgewichten als auch ein Ausblick unter Berücksichtigung von Chancen und Risiken auf neue Entwicklungen und Technologien diskutiert werden. 


Im ersten Teil blicken wir in die Vergangenheit und die Entwicklung der Batterien und Akkumulatoren.

Voltas erste Batterie
Seit der Entdeckung der Elektrizität und der Entdeckung der Wirkung der elektrochemischen Spannungsreihe im 18. Jh. durch Luigi Galvani und der ersten „Batterie“ durch Alessandro Volta war es zunächst nur die Neugierde der damals noch als Naturwissenschaftler bezeichneten Forscher. Ohne tief in die Entwicklungsgeschichte, die zur ersten brauchbaren Zink- Kohle-Batterie führte, einzugehen, soll jedoch nicht unerwähnt bleiben, dass die bis dahin entwickelten Batterien teilweise aus Glasbehältern gebaut wurden und praktisch durchwegs flüssige Säuren als Elektrolyt beinhalteten. Mit einer derartigen Technologie war an nicht mehr als einen Betrieb unter „Laborbedingungen“ zu denken. Alsbald erkannte man, dass der Elektrolyt auch in Papier, Kohle oder Braunstein gebunden werden konnte und auch der chemische Wirkungsgrad der Batterien durch geschickte Wahl der Materialien angehoben werden konnte. Die ersten Entwicklungen zu besseren Leistungsgewichten zeichneten sich im frühen 20. Jh. ab und erlaubten den ersten mobilen Einsatz in Grubenlampen.

Ur-Akku
Im frühen 19. Jh. wurde auch die erste wiederaufladbare Batterie, eine Urform des Akkumulators, erfunden. Ein Stapel mit Salz getränkter Pappscheiben und Kupferscheiben ließ sich bereits mit elektrischem Strom laden und wieder entladen. Über Wirkungsgrade und Lade- und Entladezyklen wurde damals jedoch noch nicht diskutiert.
  Ebenfalls in der ersten Hälfte d.Jh. wurde bereits die „kalte Verbrennung“ beschrieben. Der in Swansea geborene Physiker Grove beschrieb die „galvanische Gasbatterie“ – einen Vorläufer der Brennstoffzelle.
  Viele der heute in Verwendung stehenden Technologien sind also schon weit über 100 Jahre alt, ihre Weiterentwicklung erhielt jedoch erst mit dem Erscheinen der Halbleitertechnologie und ihrer kommerziellen Nutzung den entscheidenden Entwicklungsschub. Mit dem geringeren Energiebedarf der Halbleitertechnologie, der Reduktion der Baugrößen und des Gewichtes wurde auch der Bedarf an leistungsgewichtoptimierten Batterien groß.

Batterien im Bundesheer
Eine militärische Nutzung der Batterien für Kommunikationszwecke ist im ÖBH seit 1960 dokumentiert – pro Zug 2 bis 4 „Handfunkgeräte“ mit einer Heizbatterie vom Typ BA-37 und einer Anodenbatterie BA-38. Aus der Zeit davor ist praktisch nichts bekannt.
  Doch zurück zur Zink- Kohle-Batterie. Sie zählt bereits zu den heute bekannten Trockenbatterien – der Elektrolyt ist in Kohle gebunden. Der außen liegende Zinkbecher bildet den negativen Pol und beinhaltet den Elektrolyt. Im Zentrum der rund ausgeführten Batterie sitzt ein Mangandioxidstab, der den positiven Pol bildet. Der Nachteil dieser Batterie war, dass der Zinkbecher gegen Ende des Lebenszyklus des Elementes „aufgefressen“ war und die Batterie Säureteile freisetzte. Als Weiterentwicklung dieses Primärelementes kann die Alkali-Batterie genannt werden, die bereits einen Stahlbecher (auslaufsichere Batterie) mit innen liegendem Zink als Minuspol besitzt und als Elektrolyt Kalilauge verwendet. Je nach Anwendung wurden verschiedene Technologien wie etwa die Alkali-Mangan-Batterie, die Lithiumbatterie Quecksilberoxid- Zink-Batterie oder die Silberoxid-Batterie entwickelt. Die Entwicklung wurde durch die gewünschte Anwendung, von der Batterie für eine Armbanduhr bis zu Batterien mit höheren Kapazitäten, aber kürzerer Lebensdauer etwa für Transistorradios, angetrieben.

Wiederaufladbare Batterien
Die beschriebenen Batterien zählen zu den Primärzellen, sie sind also nach Gebrauch zu entsorgen. Die ständige Ver- und Entsorgung von Primärzellen und die damit verbundenen Kosten führten zur Entwicklung von Akkumulatoren kleiner Kapazitäten als Ersatz für Primärzellen. Der Blei-Säure- Akkumulator war zu dem Zeitpunkt bereits bekannt und in großen Stückzahlen verfügbar, doch eignete sich dieser Akkumulatortyp aus offensichtlichen Gründen nicht als Ersatz kleinerer Batterien für tragbare Anwendungen. Gefragt waren geschlossene Systeme, die sich mehrmals aufladen ließen. Während heutige Technologien bis zu 1.000 Lade- und Entladezyklen versprechen, erlaubten die ersten kommerziell verfügbaren Akkumulatoren – etwa in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts – erst um die 100 Lade- und Entladezyklen. Als gut bekannte Technologie sind die Nickel- Cadmium (NiCd)-Akkumulatoren zu nennen. Die geringe Zahl der Ladezyklen wurde durch Verarbeitung seltener Erden und anderer Elektrolytzusammensetzungen wohl sehr weit angehoben, der bekannte Memory- Effekt, der durch unpassende Ladetechnik, abgesehen von einer Alterung, die nutzbare Kapazität der Akkumulatoren gegen 0 laufen ließ, blieb jedoch erhalten. Ein weiteres Problem des NiCd-Akkus war die etwas geringere Zellenspannung von etwa 1.2 V im Vergleich zu etwa 1.5 V bei den bisher eingesetzten Primärzellen. Für den Verbraucher war der Akku früher „leer“, weil die elektronischen Geräte eine Zellenspannung von 1.5 V voraussetzten. Trotz des Fortschrittes der Möglichkeit des Wiederaufladens von NiCd-Akkus, blieb doch eine Reihe von Nachteilen übrig, die beinahe zwangsläufig zur Entwicklung weiterer Technologien führte.

NiMh & Co
Nickel-Metallhydridund Lithium-Ionen- Akkumulatoren sind als die wesentlichen Nachfolgetechnologien zu nennen. Beide sind heute mit einer hohen Ladezyklenzahl verfügbar – die Hersteller sprechen von bis zu 1.000 Zyklen – und mit hoher Kapazität bei kleinen Baugrößen verfügbar. Auch kennen diese neuen Technologien den vorher erwähnten Memory-Effekt praktisch nicht mehr. So ist es heute möglich, in einen Akkumulator der Baugröße „AA“ Kapazitäten von 2.500 mAh und mehr zu laden und damit die Leistungen von Primärzellen der gleichen Bauform um ein Vielfaches zu übertreffen.

Druck durch moderne Technologie
Im Kleinleistungsbereich sind im letzten Jahrzehnt viele neue Technologien auf den Markt gekommen. Der Hauptgrund für diese rasante Entwicklung liegt im Bedarf durch Mobiltelefone, Laptops, Netbooks und vergleichbaren Geräten, die eine möglichst lange Betriebsdauer auf kleinem Raum erfordern.
  Im Bereich großer Kapazitäten, etwa Akkumulatoren für Kraftfahrzeuge, kommt heute noch immer die bereits seit mehr als fünf Jahrzehnten eingesetzte Blei-Säure- Technolgie zum Einsatz. In diesem Bereich ist der wirtschaftliche Druck noch nicht groß genug, um einen ähnlichen Technologieschub zu erzwingen, wie er im Bereich der kleinen Leistungen stattgefunden hat. Die Blei-Säure- Technologie hat durch Beimengung von seltenen Erden wie Bismut, Antimon und anderen Metallen wohl eine Kapazitätssteigerung erfahren, jedoch ist die Basistechnologie unverändert geblieben. Eine Änderung ist hier wohl mit der Weiterentwicklung der Elektrofahrzeuge zu erwarten.
  Wichtig ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, dass Akkumulatoren für Kraftfahrzeuge ein deutlich anderes Lastprofil aufweisen als Akkumulatoren im Kleinleistungsbereich. Während Kleinakkus meist unter relativ konstanten Lastbedingungen arbeiten wie etwa im Mobiltelefon, das praktisch ständig in Betrieb ist, werden Blei-Säure- Akkumulatoren zum Zeitpunkt des Startvorganges praktisch im Kurzschluss betrieben. Eine Li-Ion-Technologie würde sich dazu nur sehr eingeschränkt eignen. Darüber hinaus sind auch die Betriebsumgebungen von Blei-Säure-Akkumulatoren deutlich rauer als die von Li-Ion-Akkumulatoren. Blei-Säure-Batterien sind in dieser Hinsicht deutlich robuster, unterliegen jedoch einer deutlich höheren Selbstentladung als Li-Ion- Akkus. Das hohe Gewicht der Blei-Säure-Akkus fällt bei einem Kraftfahrzeug kaum ins Gewicht, für eine tragbare Anwendung ist diese Technologie unzumutbar.
  Eine detaillierte Behandlung aller Primär- und Sekundärzellen und deren Varianten ginge weit über den beabsichtigten Umfang dieser Artikelserie hinaus. Die hier angesprochenen Technologien zeigen jedoch einerseits die Breite des Anwendungsspektrums sowie die daraus entstandene Typenvielfalt und sollen Einblick geben in die Parameter für die Auswahl der richtigen Technologie für den jeweiligen Einsatzzweck.
  Im folgenden Teil dieser Artikelserie werden wir uns Energiebilanzen und Brennstoffzellen im Allgemeinen widmen und im dritten und letzten Teil sollen Alternativenergien und Ausblicke besprochen werden. 

DER SOLDAT-Ausgabe Nr. 3/2012 vom 8. Februar

Drucken