Table Of ContentEnergiepolitische Schriftenreihe
Adolf Neckel . Christoph Fabjan . Kurt Selden
Chancen für das
Elektrofahrzeug?
Teil I: Batterien für elektrische Straßenfahr-
zeuge. Teil II: Elektrizität für den Straßenver-
kehr?
Energiepolitische Schriftenreihe
Herausgegeben vom Bundesministerium
für Handel, Gewerbe und Industrie in Wien
Band 6
Chancen für das Elektrofahrzeug?
Teil 1: Batterien für elektrische Straßenfahrzeuge
Von
Univ.-Prof. Dr. Adolf Neckel
Institut für Physikalische Chemie
der Universität Wien
Univ.-Doz. Dipl.-Ing. Dr. Christoph Fabjan
Institut für Technische Elektrochemie
Technische Universität Wien
Teil II: Elektrizität für den Straßenverkehr?
Von
Dipl.-Ing. Dr. techn. Kurt Seiden
Salzburg
Springer Science+Business Media, LLC
Redaktionelle Betreuung:
Dipl.-Ing. Dr. techn. KARL KELLNER
und Dipl.-lng. JoHANN CHRI'>liAN THALHAMMER
Bundesministerium fur Handel, Gewerbe und Industrie
Sektion V, Abteilung 2
Schwarzenbergplatz 1
A-1015 W1en, Österreich
Mit 42 Abbildungen
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© 1980 Springer Science+Business Media New York
Ursprünglich erschienin bei Bundesministerium für Handel, Gewerbe und Industrie in Wien 1980
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Wten, Ncw York Spnnger, 1980
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ISBN 978-3-211-81600-4 ISBN 978-3-7091-3661-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-3661-4
GELEITWORT
Bereits im Energieplan, den das Bundesministerium für Handel, Gewerbe
und Industrie im März 1975 veröffentlicht hat, wurde bei den Möglichkeiten
für die Substitution von Energieträgern auf die Elektrotraktion hingewiesen.
So heißt es dort im Punkt 18.2.3.3 u.a.:
"Im Straßenverkehr in Ballungszentren empfiehlt sich ein erweiterter Ein
satz der Elektrotraktion, dem vorläufig durch das ungünstig hohe Lei
stungsgewicht der Batterien gewisse Grenzen, vor allem hinsichtlich der
Reichweite der Fahrzeuge, gesetzt sind. Verbesserungen werden hier
durch die Entwicklung der Zink-Chlorbatterien und später durch den Ein
satz von Akkumulatoren mit nicht-wässrigen Elektrolyten erhofft. Nach
dem derzeitigen Stand ist nicht anzunehmen, daß der Verbrennungsmotor
in den Städten vollkommen substituiert werden kann. Lediglich ein Teil
wird auf Elektrotraktion umgestellt werden können .... Die Auswirkungen
eines erweiterten Einsatzes der Elektrotraktion auf den Ausbau der Er
zeugungs- und insbesondere der Verteilungsanlagen für elektrische Energie
sind noch eingehend zu prüfen."
Diese Feststellungen stützten sich vornehmlich auf die in Fachpublikatio
nen enthaltenen Angaben über Stand und Aussichten der Batterieentwicklung.
Diese Angaben waren jedoch teilweise widersprüchlich und in vieler Hin
sicht mangelhaft. So wurde es als ein Gebot empfunden, dem Mangel abzuhel
fen und die Einschätzung der Chancen der Elektrotraktion auf eine sicherere
Basis zu stellen. In dankenswerter Weise hat zunächst das Bundesministerium
für Wissenschaft und Forschung durch die Einsetzung eines Projektteams
"Elektrochemische Energiespeicherung" eine Bestandsaufnahme nationaler und
internationaler Forschungen und Entwicklungen von elektrochemischen Ener
giespeichern durchgeführt, deren Ergebnisse von diesem Ressort im Jahr 1976
veröffentlicht wurden. Die Grundlagen der elektrochemischen Energiespeiche
rung konnten in dieser Veröffentlichung aber nur in globaler Weise gestreift
werden.
Bei der sachgemäßen Einschätzung der künftigen Möglichkeiten, welche
die elektrochemische Energiespeicherung der Energieversorgung zu bieten hat,
kommt es aber gerade auf das eingehende Verständnis ihrer Grundlagen an.
Denn die Lösbarkeit der anstehenden technischen Probleme kann nur mittels
einer ins einzelne gehenden Kenntnis der physikalisch-chemischen Vorgänge
beurteilt werden. Deshalb hat sich das Bundesministerium für Handel, Gewerbe
und Industrie noch im Jahr 1976 entschlossen, Herrn Univ.-Professor Dr. Adolf
NECKEL mit einer entsprechenden systemanalytischen Untersuchung zu beauf-
-VI-
tragen. Als Vorbild dafür diente dem Auftraggeber die diesbezügliche klassische
Abhandlung "Die Aussichten der Wärmekraftmaschine" von Aurel STODOLA,
die dieser seinem Buch über "Dampf- und Gasturbinen" (Springer-Verlag,
Berlin, 5. Auflage 1922) als Anhang beigegeben hatte.
Die von den Autoren, Herrn Univ.-Prof. Dr. Adolf NECKEL im Verein
mit Herrn Univ.-Doz. Dr. Christoph FABJAN, gewählte Vorgangsweise gestattet
es, jene Informationslücken zu schließen, welche nicht nur den in die Öffent
lichkeit dringenden Mitteilungen aus Forschungslaboratorien oder aus der In
dustrie anhaften, sondern die auch den in Fachorganen gelegentlich erscheinen
den Übersichtartikeln unvermeidlich eigen sind. Das Urteil der Verfasser über
die prinzipiell positiven Aussichten dafür, daß wesentlich bessere Batteriesyste
me innerhalb eines absehbaren Zeitraumes entwickelt werden können, als sie
derzeit für die Elektrotraktion verfügbar sind, ist allseitig, sowohl von der im
Detail durchgeführten Analyse der chemisch-physikalischen Vorgänge als auch
von der Prüfung der technologischen Möglichkeiten und der wirtschaftlichen
Ausführbarkeit her wohlbegründet. Die Autoren haben sich auch dem vom
Auftraggeber geäußerten Wunsch nicht verschlossen, die Darstellung der Sach
verhalte mit Rücksicht auf die Aktualität, die das von ihnen behandelte Thema
besitzt, so zu gestalten, daß auch ein nicht speziell Vorgebildeter den Ausfüh
rungen zu folgen vermag.
Es ist heute wohl unbestritten, daß einer Brechung des praktischen Mono
pols, das die flüssigen Kohlenwasserstoffe derzeit im Straßenverkehr besitzen,
eine hervorragende energiepolitische Bedeutung zuzumessen ist. Eine weitge
hende Umstellung des gegenwärtigen Verkehrssystems auf die Elektrotraktion
wird aber erst dann möglich sein - und darin unterscheiden sich die heutigen
Auffassungen von dem eingangs zitierten Ansatz, von dem im Energieplan 1975
ausgegangen wurde -, wenn der Aktionsradius der Fahrzeuge 200 - 300 km be
trägt, so daß bei Vorhandensein eines geeigneten "Elektro"-Tankstellen-Netzes
mit ihnen beliebige Distanzen überwunden werden können. Erst dann wird das
Elektrofahrzeug einen echten und annähernd vollwertigen Ersatz für das mit
Kohlenwasserstoffen angetriebene Straßenfahrzeug darstellen. In naher Zukunft
wird nur mit Transport- und Individualfahrzeugen im Stadtverkehr ein bedeu
tender Anteil am Verkehrsaufkommen in Ballungsräumen bestritten werden
können.
Diese Disposition liegt der Untersuchung zugrunde, die an Herrn Dipl.-lng.
Dr. techn. Kurt SELDEN, dem nun in Ruhestand befindlichen ehemaligen
Geschäftsführer des Verbandes der Elektrizitätswerke Österreichs, vergeben
wurde, die das Ziel hat, die im Energieplan 1975 angekündigte Auswirkung
eines erweiterten Einsatzes der Elektrotraktion auf den Ausbau der Erzeugungs
und Verteilungsanlagen für elektrische Energie zu prüfen und deren Ergebnisse
im zweiten Teil dieser Veröffentlichung enthalten sind. Die vorgegebene Dis
position führt zwangsläufig zur Anordnung von Batteriewechselstationen im
-VII-
gesamten öffentlichen Straßennetz. Erst nach Abschluß der Untersuchung von
Herrn Dipl.-Ing. Dr. Kurt SELDEN, welche gemäß den in anderen Ländern
schon vorher angestellten Überlegungen berücksichtigt, daß für die Elektro
traktion im gesamten öffentlichen Straßennetz zwangsläufig Batteriewechsel
und -ladestationen anzuordnen wären, wird bekannt, daß den Gedanken der
Errichtung derartiger "Elektro-Tankstellen" der heutige Vorstand des Instituts
für Energiewirtschaft an der Technischen Universität Wien, Herr Univ.-Prof.
Dipl.-Ing. Dr. techn. Leopold BAUER, bereits während des Zweiten Weltkriegs
entwickelt hat. Auszugsweise sind seine Überlegungen in der Zeitschrift des
NSBDT im VDI-Verlag vom 12. Februar 1942 unter dem Titel "Elektro-Tank
stellen" veröffentlicht worden. Die ausführliche Studie, auf der diese Publika
tion beruht, ist während der Kriegswirren leider verlorengegangen.
Wenn Herr Dipl.Ing. Dr. Kurt SELDEN zu dem Ergebnis kommt, daß die
Belieferung elektrisch getriebener Straßenfahrzeuge für die öffentliche Elektri
zitätsversorgung weder technisch noch wirtschaftlich unlösbare Probleme stellt,
so impliziert dies die Aufgabe, die entsprechende Planung zeitgerecht einzu
leiten und für jene Vorkehrungen in überlegterWeise vorzusorgen, die beim
Auftreten jener Elektrofahrzeuge, die eine ausreichende Mobilität gewährleisten
könnten, dann in kürzester Frist geschaffen werden müßten, um den realen
Verkehrsbedürfnissen in ausreichendem Maße zu entsprechen.
Dieser Beitrag, den die öffentliche Elektrizitätsversorgung zur Brechung
des Monopols der Kohlenwasserstoffe im Bereich des Straßenverkehrs zu lei
sten hat, stellt jedoch nur eine Komponente in dem vielschichtigen und kom
plizierten Prozeß des Eindringens eines neuen Fahrzeugtyps in einen etablier
ten Markt dar, der von hochentwickelten, dauerhaften Produkten beherrscht
wird, an die ein breites Publikum seit vielen Jahrzehnten gewöhnt ist. Dieses
Eindringen kann daher nur dann in einem ansehnlichen Ausmaß erfolgen, wenn
diesem Publikum annähernd die gleichen Vorteile geboten werden, die die ihm
gewohnten Produkte bieten, d.h. auch die freie Mobilität im internationalen
Straßenverkehr, was die internationale Abstimmung über wesentliche Kompo
nenten, so etwa über die Dimensionen und die äußere Spannung der Wechsel
batterien bereits zu einem Zeitpunkt erforderlich macht, bevor die neuen
Fahrzeugtypen den Markt erreichen.
Mit anderen Worten: die Einführung der Elektrotraktion im Straßenver
kehr in nennenswertem Ausmaß bildet eine Herausforderung an die internatio
nale Solidarität. Sie erfordert die Überwindung kommerzieller wie nationaler
Egoismen im Interesse der Durchsetzung eines der wichtigsten Ziele, das alle
Staaten der Welt, insbesondere aber die Industrieländer objektiv verbindet,
nämlich die Verringerung der Abhängigkeit von flüssigen Kohlenwasserstoffen.
Diese Veröffentlichung ist in dem Sinne zugleich auch als Beitrag zur Her
beiführung dieser unerläßlichen internationalen Kooperation gedacht, als durch
die kritische Überprüfung der in ihr enthaltenen Argumente die Bereitschaft,
-VIII-
die praktische Arbeit an der Entwicklung wettbewerbsfähiger Elektrostraßen
fahrzeuge auf die hiezu notwendige breite, staatenübergreifende Basis zu stel
len, wirksam gefördert werden soll.
Wien, Dezember 1979 Dipl.-lng. Dr. techn. Wilhelm FRANK
Sektionschef
Leiter der Sektion V
(Energie - Oberste Bergbehörde - Grundstoffe)
im Bundesministerium für HandeL
Gewerbe und Industrie
INHALTS VERZEICHNIS
GELEITWORT 111
TEIL I
I. EINLEITUNG
1. Allgemeine Betrachtungen zur Elektrotraktion
2. Grundsätzliche Überlegungen zur elektrochemischen
Energieumwandlung und -Speicherung 8
II. DIE WISSENSCHAFTLICHEN GRUNDLAGEN 15
1. Thermodynamik galvanischer Zellen 15
1.1 Der ideale elektrochemische Wirkungsgrad 20
1.2 Konzentrationsabhängigkeit der reversiblen Zellspannung 24
1.3 Temperatur- und Druckabhängigkeit der reversiblen
Zellspannung 24
1.4 Das reversible Elektrodenpotential 24
1.5 Thermodynamische Stabilität der Elektrodenmaterialien 26
2. Kinetik von Elektrodenreaktionen 29
2.1 Die elektrochemische Doppelschicht 32
2.2 Durchtrittsüberspannung 36
2.2.1 Quantenmechanische Behandlung des Ladungsdurchtrittes 43
2.3 Diffusionsüberspannung 45
2.4 Reaktionsüberspannung 51
2.4.1 Reaktionsüberspannung bei homogenen Reaktionen 51
2.4.2 Reaktionsüberspannung bei heterogenen Reaktionen 52
2.5 Kristallisationsüberspannung 53
2.6 Widerstandspolarisation und Ohm'scher Spannungsabfall 56
2.7 Der Wirkungsgrad elektrochemischer Zellen 58
2.8 Irreversible Wärmeeffekte 60
3. Elektrokatalyse 61
3.1 Mechanismus der anodischen Wasserstoffoxidation 67
3.2 Mechanismus der Elektrodenreaktionen an der
Sauerstoffelektrode 70
3.2.1 Die kathodische Sauerstoffreduktion 70
3.2.2 Die anodische Sauerstoffentwicklung 73
-X-
III. SPEICHERSYSTEME 75
I. Konventionelle und neue Speichersysteme im Nieder-
temperaturbereich 78
1.1 Der Blei/Schwefelsäure-Akkumulator 78
1.1.1 Maßnahmen zur Verbesserung der Kenndaten 83
1.1.2 Abschätzung der erreichbaren Kenndaten 88
1.1.3 Der Blei-Lösungsakkumulator 89
1.2 Der Nickel/Eisen-Akkumulator 90
1. 2.1 Möglichkeiten zur Verbesserung des Entwicklungsstandes
des Nickel/Eisen-Systems 91
1.2.2 Abschätzung der erreichbaren Kenndaten 94
1.3 Der Nickel/Kadmium-Akkumulator 95
1.4 Der Nickel/Kobalt-Akkumulator 95
1.5 Die Nickel/Zink-Batterie 96
1.5.1 Möglichkeiten zur Verbesserung des Lade-Entladeverhaltens
von Nickel/Zink-Zellen 97
1.5.2 Abschätzung der erreichbaren Kenndaten 10 I
2. Hochtemperatursysteme 103
2.1 Einleitung 103
2.2 Die Natrium/Schwefel-Zelle 104
2.2.1 Verbesserungsmöglichkeiten der N atrium/Schwefei-Zelle I 1 1
2.3 Die Lithium-Aluminium/Eisensulfid-Zelle 113
2.3.1 Entwicklungsstand und Abschätzung der erzielbaren
Kenndaten 118
3. Zwitterbatterien (Metall/Luft-Zellen) 118
3.1 Ungelöste Fragen, Verbesserungsmöglichkeiten und
Abschätzung der erreichbaren Kenndaten 120
4. Brennstoffzellen und Hybridaggregate 123
4.1 Brennstoffzellen 123
4.1.1 Elektroden 127
4.1.2 Hilfsaggregate und zusätzliche Einrichtungen 128
4.1.3 Offene Probleme der Brennstoffzellen als Systeme für die
Elektrotraktion 128
4.1.4 Gegenwärtiger Stand der Brennstoffzellentechnik und
Abschätzung der erreichbaren Kenndaten 129
4.1.5 Diskussion der Entwicklungsmöglichkeiten von
Brennstoffzellen 130
4.2 Hybridsysteme 132
4.2.1 Funktionsprinzip 132
5. Sonstige in Frage kommende Batterietypen 133
5.1 Bei Umgebungstemperatur betriebene Elemente 133
5.1.1 Die Zink/Chlor-Batterie 134
