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Wehrtechnik

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Energieversorgung für den Soldaten der Zukunft (3)

Während mit den vorangegangenen Artikeln hauptsächlich Energiequellen von der Primärzelle über Brennstoffzellen bis zu alternativen Energieformen mit ihren Charakteristiken skizziert wurden, wird sich dieser Beitrag mit der  Bereitstellung von Energie aus systemischer Sicht befassen. Als System wird hier der Zusammenschluss von Energiequellen, Speichern, Verteilsystemen und Verbrauchern unter verschiedenen Lastbedingungen verstanden.


Zum Abschluss dieser Artikelserie sollen noch einige Aspekte zum Elektrofahrzeug beleuchtet werden. Fahrzeuge zeitgemäßer Bauart stellen aus elektrotechnischer Sicht immer ein System von Energieerzeuger (Generator, „Lichtmaschine“), Speicher (Sekundärzellen, Batterie) und Verbraucher (Fahrzeugelektrik und -elektronik bis hin zu Komfortgeräten und militärischem Gerät) dar.

12, 24 oder mehr Volt
Diese Bordnetze sind Gleichspannungsnetze mit üblicherweise 12 V oder 24 V Nennspannung. Die Gründe für die Wahl eines Gleichspannungsnetzes liegen einerseits in der Hochspannungserzeugung zur Erzeugung des Zündfunkens für den Betrieb von Benzinmotoren auf Basis einer einfachen Transformatorschaltung mit Unterbrecher, andererseits in der Notwendigkeit der Speicherung von elektrischer Energie mit Akkumulatoren für den Startvorgang. Die Wahl der Spannung ist ein Kompromiss aus Batteriegröße und Leitungsverlusten bei leistungsstarken Verbrauchern im Fahrzeug. Mit der steigenden Anzahl an elektronischen Geräten in modernen Fahrzeugen sind auch die Anforderungen an die Energieversorgung im Fahrzeug gestiegen und damit auch die Leitungsverluste bei niedrigen Spannungen. Die Fahrzeughersteller versuchen durch Anheben der Versorgungsspannung auf 24 V oder 48 V die Leistungsverluste niedrig zu halten. Rein rechnerisch könnten jedoch deutlich höhere Spannungen verwendet werden, doch Spannungen über 50 V bergen bereits die Gefahr eines elektrischen Schlages bei Berührung und sind daher aus sicherheitstechnischer Sicht fragwürdig. Spannungen von 48 V wären durch Hintereinanderschaltung von vier herkömmlichen Blei-Säure- Batterien erreichbar, sind jedoch aus wirtschaftlicher Sicht (Kostendruck) nicht die beste Wahl. Ein Wechsel der Batterietechnologie scheitert dz. noch an der Robustheit neuer Batterietechnologien gegenüber tiefen Temperaturen und den hohen Strömen zum Zeitpunkt des Motorstarts. Mittelfristig sind daher Bordnetze mit 24 V Gleichstrom auch für Personenkraftwagen zu erwarten.

Startprobleme
Für die Wahl der Batteriekapazität und Baugröße sind in erster Linie die unter verschiedenen Umgebungsbedingungen zu leistenden Starterströme maßgebend. Allen Batterien gemein ist, dass sie mit sinkender Temperatur an Leistungsvermögen verlieren und damit auch ihr maximal lieferbarer Starterstrom. Batteriehersteller geben diesen Wert unter dem Kürzel CCA (Cold Crank Amp) an, der (für eine neue und aufgeladene Batterie) den maximal möglichen Kurzschlussstrom bei -20° C angibt. Er bewegt sich im Bereich von einigen 100 A bis über 1.000 A. Mit fortschreitender Alterung und sinkender Temperatur sinkt also das Vermögen, den erforderlichen Strom aufzubringen. Diese Parameter sind die Richtgröße für die Kapazität der verwendeten Batterie.

Lichtmaschine
Die Verbraucher im Fahrzeug sind nicht unmittelbar maßgeblich für die Batteriegröße. Im Normalbetrieb darf eine Ladekontrolle nicht leuchten, der Generator muss in der Lage sein, alle im Fahrzeug befindlichen Verbraucher unter allen praktischen Umgebungsund Betriebsbedingungen versorgen zu können. Um die Generatorgrößen darzustellen, soll hier angemerkt werden, dass Pkw-Generatoren in den 80er Jahre eine Leistung von etwa 500 W aufwiesen, heutige Oberklassefahrzeuge nicht selten mit Generatoren über 3 kW ausgestattet sind. Motorräder weisen Generatoren um die 500 W auf. Mit diesen Parametern der Generatoren wird auch sichtbar, dass die durchschnittliche Einsatzdauer des Fahrzeuges, die Zeit vom Startvorgang bis zu Abstellen, die Generatorgröße bestimmt. Der Generator hat nicht nur die Aufgabe, alle Verbraucher zu versorgen, er muss auch die durch den Startvorgang mit den dazu notwendigen Vorbereitungen wie etwa einen Vorglühvorgang, eine Selbstentladung der Batterie, aus dieser entnommenen Energie wieder nachladen können. Je kürzer die dazu zur Verfügung stehende Zeit, desto stärker muss der Generator sein, desto größer sind auch die Ladeströme, die wiederum negativen Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie haben. Das Fahrzeug wird idealerweise mit vollgeladener Batterie abgestellt.

Zusatzbatterien
Um für ein Fahrzeug eine entsprechende Energiebilanz erstellen zu können, um daraus die erforderliche Generator- und Batteriegröße abzuleiten, müssen durchschnittliche Betriebsdauern, Einsatzbedingungen, klimatische Aspekte und die Nutzungsprofile von elektrisch betriebenem Einsatzgerät am Fahrzeug sehr genau bekannt sein. Zu Recht mag man einwenden, dass insbesondere leistungsstarke, jedoch nur kurzfristig betriebene Verbraucher wie etwa elektrisch betriebene Seilwinden am Fahrzeug nicht unbedingt nur vom Generator versorgt werden müssen, sondern durchaus für einen kurzen Zeitraum Energie von der Fahrzeugbatterie entnehmen dürfen. In einem System, das aus Energieerzeuger, Speicher und Verbraucher besteht, kann man diesen Betriebsfall in einer Energiebilanz berücksichtigen, indem man entweder den Generator spitzenlasttauglich dimensioniert oder Ladezeit für die Batterie aufschlägt oder, wie es viele Fahrzeughersteller bereits ausführen, für besondere Verbraucher einen eigenen Batteriesatz vorsieht. Dieser eigene Batteriesatz hat den Vorteil, dass der Generator nicht spitzenlasttauglich sein muss, sondern die Energie über eine größere Zeitspanne zu liefern in der Lage sein muss. Dem steht jedoch der gewichts- und platzmäßige Nachteil eines weiteren Batteriepaketes gegenüber.

Feldlager sind anders
Handelt es sich bei Fahrzeugen immer um ein elektrisches System mit Speicher, so müssen Feldlager anders betrachtet werden. Feldlager werden nicht mit Gleichspannung, sondern mit Wechselspannung versorgt und haben, abgesehen von Unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) für den Notbetrieb, keine Energiespeicher. In Feldlagern werden auch deutlich leistungsstärkere Verbraucher wie etwa Kochstellen, Heizungen, Kühlungen, eine Vielzahl an informationsund kommunikationstechnischem Gerät bis hin zu elektromedizinischem Gerät für Feldspitäler eingesetzt, sodass sich eine Versorgung mit Netzspannung von 230 V oder 3-phasig mit 400 V geradezu aufdrängt. Es muss in diesem Fall also ein klares Lastprofil ermittelt werden, da eine Versorgung aus dem öffentlichen Netz oder aus Aggregaten sich nach dem Spitzenlastbedarf richten muss. Dazu muss klar erfasst werden, welche Verbraucher permanent betrieben werden (militärisches Gerät, Feldspitäler bis hin zu Kühlanlagen), welche Verbraucher nur zu bestimmten Zeiten (Kochstellen, Beleuchtungen – um einige zu nennen) und welche Verbraucher sporadisch zugeschaltet werden. Damit ist eine Unterscheidung in Grundlastverbraucher und Spitzenlastverbraucher möglich. Die Versorgung mit elektrischer Energie hat sich zeitlich und leistungsmäßig danach zu richten und liefert die Entscheidungsgrundlage, ob aus dem öffentlich Netz, sofern möglich, versorgt wird, aus Aggregaten, Brennstoffzellen oder alternativen Energiequellen, deren zeitliches Energieliefervermögen vergleichsweise schlecht planbar ist.

Gediegene Planung
USV-Anlagen dürfen in den Betrachtungen nur soweit Berücksichtigung finden, als dass Energie für die Nachladung ihrer Energiespeicher zur Verfügung gestellt werden muss. Einen aktiven Beitrag zur Versorgung mit Energie liefern solche Anlagen ihrem Wesen nach nicht. Ob es sich nun um ein Fahrzeug handelt oder um ein Feldlager, die hier als Beispiel dienen, in jedem Fall muss für die Planung von Versorgungssystemen das Einsatzprofil in seinem vollen Umfang bekannt sein, um Ableitungen für die Leistung, Zahl und Qualität der Energiequellen und Speicher für eine ausreichende Energiebereitstellung treffen zu können. Nicht unerwähnt soll der sich daraus ergebende logistische Aufwand der Erst- und Folgeversorgung bleiben. Mit dem Wunsch, „grüne“ Fahrzeuge zu bauen oder vielleicht aus der Not der in absehbarer Zeit zur Neige gehenden Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe investieren einige Fahrzeughersteller in die Entwicklung rein elektrisch betriebener Fahrzeuge. Dieser Ansatz hilft, so die Hersteller, Treibhausgase zu eliminieren, steckt jedoch nicht nur hinsichtlich der heute erzielbaren Reichweiten noch in den Kinderschuhen. Aktuelle Fahrzeuge erreichen eine Reichweite von bis zu 160 km mit einer Batterieladung. Die Batteriekapazitäten betragen zwischen 16 und 25 kWh, im Vergleich dazu nehmen sich die 1,2 kWh einer militärischen Blei-Gel-Starterbatterie recht gering aus.

Strombedarf
Problematisch, v.a. bei einer überwiegenden Anzahl von Elektrofahrzeugen, wird allerdings die öffentliche Versorgung mit elektrischer Energie. Möchte man nun 25 kWh über Nacht nachladen, um am nächsten Tag wieder zum Arbeitsplatz fahren zu können, so müsste über zumindest 8 Std. eine Leistung von über 3 kW vom Ladegerät abgegeben werden können und somit von dem öffentlichen Netz zur Verfügung gestellt werden. Im Monat müsste pro Fahrzeug etwa 500 kWh an zusätzlicher Energie zur Verfügung gestellt werden – überschlagsmäßig ergäbe sich daraus eine Verdoppelung des dz. elektrischen Energiebedarfes pro Haushalt bei nur einem Fahrzeug. Würden alle Fahrzeuge elektrisch betrieben, so müsste die gesamte öffentliche Versorgung in ihrer Kapazität überschlagsmäßig verdoppelt werden. Ein Tankstellennetz wie es dz. zumindest in Europa als Infrastruktur vorhanden ist, ist dann obsolet. Die Nachladung von Batterien braucht Zeit. Daher wäre es aus praktischen Gründen notwendig, eine wesentlich dichtere Infrastruktur mit „Stromtankstellen“ aufzubauen, um dann mit Schnellladegeräten in kurzer Zeit Energie „tanken“ zu können. Diese Infrastruktur ist aufwendig und teuer und müsste, wie auch die Kapazitätsverdoppelung des öffentlichen Netzes, aus der öffentlichen Hand finanziert werden. Eine Abwälzung der Kosten auf den Verbraucher würde den Energiepreis um ein Vielfaches in die Höhe schnellen lassen und damit die Attraktivität von Elektrofahrzeugen stark negativ beeinflussen.

Herausforderungen für die Zukunft
Für die Batterien geben die Hersteller dz. eine Lebensdauer von bis zu acht Jahren oder 160.000 km an. Auch dieser Wert unterliegt, realistisch betrachtet, starken Schwankungen. Er ist abhängig von der Fahrweise, der Anzahl der Ladezyklen und ob mit hohem Strom oder langer Ladezeit geladen wird. Die verwendete Batterietechnologie verwendet Seltene Erden (Stoffe, üblicherweise Metalle, deren Vorkommen auf der Erde wohl groß sind, deren Gewinnung jedoch sehr aufwendig ist) und enthält den nicht unbedenklichen Stoff Lithium. Ein geschlossener Recycling-Kreislauf ist zur Rückgewinnung von Rohstoffen und im Sinne des Umweltschutzes also unabdingbar. Diese Infrastruktur hat noch nicht die Kapazitäten, um das Problem von Tonnen von verbrauchten Batterien zu lösen. Es wird also noch einige Jahre, wenn nicht Jahrzehnte dauern, bis alternative Energiequellen für Fahrzeuge auch in großer Stückzahl verfügbar, ver- und entsorgbar sind, und das zu einem Preis, den potenzielle Kunden zu zahlen bereit sind. Für militärische Zwecke ist diese Technologie mit den dz. logistischen Randbedingungen noch nicht verwendbar.

Schlussbemerkungen
Ziel der Beitragsserie war es, nicht einzelne Technologien isoliert zu betrachten, sondern diese im Zusammenspiel, im technischen Kontext, unter militärischen Aspekten zu beleuchten. Die Inhalte der Beiträge wurden vom Amt für Rüstung und Wehrtechnik, Abteilung Elektrotechnik zusammengestellt. Eine der vielfältigen Aufgaben des Amtes für Rüstung und Wehrtechnik ist die Beobachtung von Entwicklungen von Technologien, die Mitarbeit in einschlägigen internationalen Gremien zum Know-how-Gewinn wie auch die selbstständige wissenschaftliche Arbeit, um neue Erkenntnisse militärisch nutzbar zu machen bzw. die dazu notwendige, technologische Vorausschau sicherzustellen. 

DER SOLDAT-Ausgabe Nr. 5/2012 vom 7. März

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