VDE-Studie zeigt, wie Batteriezüge schneller und günstiger zu Reichweite kommen / Diesel raus, Batterie rein, aber nicht irgendeine

Mit Blick auf die
Schadstoffbelastung durch Dieselfahrzeuge sind im Falle der Eisenbahn
batteriebetriebene Schienentriebzüge eine Lösung für die 17.000 km
nicht elektrifizierten Nebenstrecken in Deutschland. Aber Batterie
ist nicht gleich Batterie. Welche Batterietechnologie am zügigsten
eine Reichweite von mehr als 80 km bei günstigeren Kosten verspricht,
zeigt der Technologieverband VDE in seiner neuen im Auftrag des
Ministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) erstellten
Studie „Batteriesysteme für Schienentriebzüge“. In der Studie stellt
der VDE verschiedene Batterietechnologien- und Lösungen hinsichtlich
ihrer Eignung für Triebzüge gegenüber. In seinem Fazit empfehlen die
Autoren der Studie ein neues Batteriekonzept, das sich an den von der
Automobilbranche vorgegebenen Innovationszyklen für
Lithium-Ionen-Zellen orientiert und damit wesentliche Kostenvorteile
bietet mit dem positiven Nebeneffekt einer höheren und zunehmenden
Reichweite. Und technisch machbar ist es auch noch.

Kombi aus Reichweiten- und Dynamikbatterie punktet mit
Wirtschaftlichkeit

Die Lösung der VDE-Experten ist es, das Gesamt-Batteriesystem des
Schienentriebzugs in zwei parallele Stränge aufzuteilen: in eine
Traktionsbatterie mit hoher Leistungsdichte und der Funktion Dynamik
und in eine mit hoher Energiedichte und der Funktion Reichweite. Für
die Dynamik empfiehlt der VDE die bislang genutzten
Lithium-Ionen-Zellen mit LTO-Anoden, die für die Beschleunigung
genutzt werden und der Speicherung der Rekuperationsenergie aus den
Elektromotoren dienen. Für die übrigen Fahrtphasen bei moderateren
Entladeströmen dagegen, wo die Reichweite im Fokus steht, empfiehlt
der VDE die Verwendung von Standard-Zellchemien aus der
Automobilbranche wie NCA/C, NCM/C oder LFP/C. „Die hohe
Leistungsdichte ist vor allem beim Anfahren und Beschleunigen
notwendig, Reichweite schafft sie aber nicht. Mehr als 80 km sind mit
Akku-Schienentriebzügen, die nur auf LTO-Zellen basieren, auf lange
Sicht technisch nicht drin“, erklärt Dr. Wolfgang Klebsch,
Mobility-Experte im VDE und Autor der Studie.

Zudem haben LTO-Zellen den Nachteil, dass ihre Energiedichte sehr
gering ist und sie dem Fahrzeug damit erhebliche Gewichtsprobleme
bescheren können. Noch ist eine auf LTO basierende Lösung über die
Lebenszeit eines Zuges von 30 Jahren gerechnet teurer als eine
kombinierte Reichweiten- und Dynamik-Lösung. „Das hat schlichtweg mit
dem Wettbewerb zu tun. Nur wenige Hersteller wie Toshiba oder Kokam
bieten die Spezialtechnologie LTO an. Mit einem signifikanten
Preisverfall ist langfristig nicht zu rechnen. Auch weil die
Nachfrage im Vergleich zu Batterien für Elektroautos recht gering
ist. Das wichtigste Argument gegen diese Lösung ist jedoch, dass bei
LTO-Traktionsbatterien kaum noch größere Innovationssprünge zu
erwarten sind.

Automobilbranche bringt den Schub und damit die Reichweite

Standard-Zellchemien wie NCA/C (Panasonic, Tesla), NCM/C (alle
relevanten Hersteller in Japan und Korea) oder LFP/C (vor allem
Hersteller aus China) befinden sich dagegen auf dem von der
Automobilbranche vorgegebenen Innovationspfad. „Der Innovationsdruck
ist bei dieser Vielzahl von Herstellern enorm. Sie alle konkurrieren
um noch mehr Reichweite bei niedrigeren Kosten. Die Automobilbranche
erwartet bis 2030, dass die Grenzkosten für Lithium-Ionen-Zellen auf
unter 100 Euro pro kWh fallen. Hiervon kann auch die Eisenbahn
profitieren“, erklärt Klebsch. Mittelfristig würden so die Kosten
fallen und nicht stagnieren wie das bei LTO der Fall sei.

Anforderungen an Batteriepacks nicht auf Batteriezellen übertragen

Bislang setzt die Branche auf LTO basierende Traktionsbatterien,
da sie den Ruf genießen, die harten Anforderungen an
Schienentriebzügen zu erfüllen. Züge sind fast rund um die Uhr bis zu
30 Jahre lang bei jedem Wetter, egal ob Hitze oder Kälte, im Einsatz.
Der Anspruch an ihre Zuverlässigkeit und Qualität ist damit sehr
hoch. Genauso hart sind auch die Anforderungen an die Batteriepacks,
insbesondere im Hinblick auf Lade- und Entladeströme, Sicherheit,
Tieftemperatur-Performance, Betriebszeit und Zyklenfestigkeit.
„Jedoch darf man die technischen Anforderungen an den Zug und an
Batteriepacks nicht einfach 1:1 auf die Batteriezellen übertragen.
Das wäre zu kurz gedacht“, wirft der VDE-Experte ein. Stattdessen
können die Hersteller die harten Triebzug-Anforderungen mit
geeigneten Maßnahmen auf Batteriepackebene erfüllen, indem sie
beispielsweise die einzelnen Zellen wirksam thermisch isolieren oder
mit Hilfe eines intelligenten Batterie- und Thermomanagementsystem
jede Zelle durch gezieltes Vorwärmen oder Kühlen im optimalen
Betriebszustand halten. Dann lassen sich die harten Anforderungen auf
Zellebene wesentlich entspannen. Gleichzeitig können sie die weitaus
günstigeren Standard-Zelltechnologien verwenden.

Batterieforschung muss in Deutschland stärker gefördert werden

Die Wahl einer Batterielösung für Triebzüge entspricht letztlich
der Entscheidung an einer Weiche, die auf zwei separate
Technologie-Schienen führt. „Wer auf LTO setzt, denkt konservativ an
lange Laufzeiten von 30 Jahren mit wenigen Wartungszyklen und ist
bereit, hierfür einen hohen Preis zu zahlen. Wer auf
Standard-Zellchemien wie NCM/C setzt, will an Innovationszyklen
teilhaben und erwartet, dass sich über die Zeit sowohl die Kosten
rechnen wie auch die Reichweite sich ständig verbessert“, erklärt der
VDE-Experte. Technisch sei die vom VDE vorgeschlagene Lösung machbar.
Unabhängig davon für welchen Pfad sich die Hersteller entscheiden,
appelliert der VDE letztendlich an die Politik, die Batterieforschung
in Deutschland stärker zu fördern. Gleiches gilt für innovative
Unternehmen, die in diesem Bereich aktiv sind. „Der VDE begrüßt umso
mehr die Entwicklung von Batteriezügen, wenn zukünftig auch deutsche
und europäische Anbieter bei innovativen Zelltechnologien beteiligt
sein werden“, schließt der Experte ab.

Ãœber die VDE-Studie „Batteriesysteme für Schienentriebzüge“

Die VDE-Studie „Batteriesysteme für Schienentriebzüge“ ist die
erste einer Reihe von geplanten Studien finanziert vom
Verkehrsministerium BMVI, die sich aus verschiedenen Blickwinkeln mit
den Rahmenbedingungen und Erfolgsfaktoren für Triebzüge mit
alternativen Antrieben auseinandersetzen. Sie ist für 250 Euro im
VDE-Shop erhältlich. Journalisten und VDE-Mitglieder erhalten Sie
kostenlos.

Ãœber den VDE:

Der VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik und
Informationstechnik ist mit 36.000 Mitgliedern (davon 1.300
Unternehmen) und 1.600 Mitarbeitern einer der großen
technisch-wissenschaftlichen Verbände Europas. Der VDE vereint
Wissenschaft, Normung und Produktprüfung unter einem Dach. Die
Themenschwerpunkte des Verbandes reichen von der Energiewende über
Industrie 4.0, Smart Traffic und Smart Living bis hin zur
IT-Sicherheit. Der VDE setzt sich insbesondere für die Forschungs-
und Nachwuchsförderung sowie den Verbraucherschutz ein. Das
VDE-Zeichen, das 67 Prozent der Bundesbürger kennen, gilt als Synonym
für höchste Sicherheitsstandards. Hauptsitz des VDE ist Frankfurt am
Main. www.vde.com

Pressekontakt:
Melanie Unseld, Tel. 0175 1874333, melanie.unseld@vde.com

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