Solarzellen Akkuladen, wie schneller/Wirkungsgrad?

Liebe E-Fahrer-Gemeinde,

Thema 1:
Alle Batterien und Akkus sind chemische und nicht unbedingt physische Bausteine (Strom wird ja chemisch gespeichert). Bei Stromentnahme (Verbrauch) bzw. Stromaufnahme (Laden) laufen in den Dingern chemische und nicht physikalische Prozesse ab. Und diese Prozesse brauchen eine gewisse Zeit. Die Geschwindigkeit der Prozesse hängt von der Umgebung ab (Temperatur, Druck, Feuchte usw.). Wenn es warm ist, läuft das schneller, und wenn es kalt ist, dann langsamer ab. Das ist wahrscheinlich der Grund, warum die Reichweite im Winter kürzer ist. In Akkus ist dann chemisch weniger Energie drin.

(Physikalisch in großen Höhen, ist Wasserdampf energieärmer, auch gilt das für Sprit (chemisch) in großen Höhen, da weniger Sauerstoff vorhanden ist). Es kann auch sein, dass in großen Höhen wegen Sauerstoffarmut auch die Prozesse in Batterien und Akkus langsamer ablaufen bzw. energieärmer sind.

Nun, ich bin kein Chemiker oder Physiker, daher frage ich das in die Runde. Ich hoffe, dass unter den E-Fahrern auch diese Akademiker unter uns sind.

Nun ist die Frage, wie schnell so ein Akku in Zukunft schneller geladen werden kann bzw. wie die chemische Prozesse schneller ablaufen können. Chemie-technisch verwandt sind ja auch die Kondensatoren, die sind manchmal schneller, dafür hapert es mit den Kapazitäten.

Wie ist da der Wirkungsgrad bei Batterien und Akkus?

2. Thema:
Ich hätte gerne Solarzellen, -panels auf dem Dach vom Twizy und andere auf Zoe usw. Aber leider reiche das nicht, um während der Fahrt dauerhaft Strom zu bekommen, weil leider der Wirkungsgrad für Solarzellen ja gering sei (unter 20%?). Da frage ich einfach, was geht da an Energie verloren? Haben auch Batterien und Akkus die gleiche Wirkung? Gehen da auch Energie verloren, wenn Strom verbraucht bzw. geladen wird?

ad peter schrieb: 2. Thema:
Ich hätte gerne Solarzellen, -panels auf dem Dach vom Twizy und andere auf Zoe usw. Aber leider reiche das nicht, um während der Fahrt dauerhaft Strom zu bekommen, weil leider der Wirkungsgrad für Solarzellen ja gering sei (unter 20%?). Da frage ich einfach, was geht da an Energie verloren? Haben auch Batterien und Akkus die gleiche Wirkung? Gehen da auch Energie verloren, wenn Strom verbraucht bzw. geladen wird?

selbst wenn du 100% wirkungsgrad hättest könntest du unter idealbedingungen über die dachfläche vielleicht 5km pro stunde reinladen

Hallo Peter,

Für deine Frage hilft es vielleicht sich mit dem sogenannten Ragone-Plot vertraut zu machen
Ragone-Plot
Hier wird die Energiedichte (=wieviel Energie ich pro Kilo Material speichern kann) geegen die Leistungsdichte (Welche Leistung kann ich dem Speicher entnehmen) aufgetragen.

Der "heilige Gral" in der Batterie-Forschung und Entwicklung ist es in dieser Grafik immer weiter nach rechts oben zu kommen. Das bedeutet ich kann in einem Speicher viel Energie speichern und mit hoher Leistung laden und entnehmen. Die Li-Ionen Kondensatoren und Akkumulatoren sind sind jeweils schon recht gut. Allerdings gibt es immer den Trade-off zwischen Lesitung und Energie. Wenn man eine Technologie Richtung hoher Energiedichte optimiert leidet meist die sogenannte Ratenfähigkeit (C-Rate), d.h. die Lade und Entladegeschindigkeit. Dafür sikt der Preis der Zellen, da die Materialkosten bei Batterien den höchsten Anteil haben und man damit bei höherer Energiedichte mehr Wh pro € bekommt.

Was da für die Zukunft bedeutet: Es wird sicherlich noch eine gewisse Weiterentwicklung der Batterietechnik geben aber mittelfristig denke ich wird man so ca 200 bis 300 Wh/kg (auf Zellebene) bei "gesunden" C-Raten von 3 bis 5 C ( D.h. die Batterie nimmt durch das Schnellladen keinen Schaden) sehen. D.h. Ladezeiten auf 80% im Bereich von 15 bis 20 Minuten.

Für Schnellladen mit noch höheren C-Raten bräuchte man dann Zellen die in Richtung Li-Ionen Supercaps gehen.
Ein Beispiel für eine extreme Variante Supercap Bus

Der Wirkungsgrad von typischen Li-Ionen Batterien ist im Bereich von 90 % (d.h.wieviele Elektronen gehen rein und wieviele bekomme ich wieder raus) und darüber, allerdings nimmt er bei hohen Raten (also Schnellladen) dann aufgrund der Wärementwicklung über den Innenwiderstand ab.

Thema 2: Bei uns gibt es eine maximale Einstrahlung von rund 1 kW/ m^2. Bei einem Wirkungsgrad von 20% kannst Du damit ca. 200W/m^2 bekommen (unter Idealbedingungen, z. B senkrechte Einstrahlung auf die Zelle). Der Twizy hat wahrscheinlich nicht mal einen Quadratmeter Fläche auf dem Dach. D.h. optimistisch könntest Du in in einer Stunde 200Wh bekommen. Bei 6 kWh Akku ist das halt nicht viel. Wenn er allerdings den ganzen Tag in der Sonne steht könntest du auch im Stand nachladen und kämst bei voller Sonneneinstrahlung vielleicht auf 1 bis 2 kWh pro Tag. Verglichen mit den Kosten des Systems wäre der Gewinn relativ gering.
Es gibt übrigens auch Solarzellen mit rund 40% Wirkungsgrad (Stapelzellen auf GaAs Basis) die sind aber so teuer, dass sich das nur in Verbindung mit Konzentration des Lichts lohnt.
Aber Autos die nur mit Solar fahren gibt es schon, die sehen dann so aus.

Danke Georg für die Informationen, dir mir vom Wissens her ein bissl weiterhilft. Aber sicher ist es möglich, dass in 10 Jahren der Ladevorgang ähnlich des Tankvorganges entspricht. Dann wäre auch die Reichweite besser. In 5 Jahren wäre dann noch nicht ganz soweit. Norwegen will ja den Kauf von Stinkern ab 2025 verbieten. Um das durchzusetzen, müsste folglich die Ladezeit und Reichweite um einiges verbessern, zumal im Norden die Infrastruktur noch sehr mangelt.

Ragone-Plot

Leider geht der Link nicht, aber ich habe korrigieren können
da sind zwischen "url=" und "https" 2x "/" reingeraten: [url=//https://de.w ...

Es geht aus meiner Sicht erstmal in Richtung billigere Zellen und damit höhere Energiedichte. Weil viel hilft viel... siehe Tesla Model S. Man kommt dann halt auch weiter und alle 200 bis 300 km ein Stopp von 30 Minuten ist vielleicht hinnehmbar. Das sind dann aber halt schnell mal 40 bis 60kWh Batteriekapazität die man dafür braucht. Otto wird uns ja sicher seine Erfahrungen mit den 22kWh vom ZOE zusammenfassen wie die Langstrecken so geht.
Noch schnelleres laden (also 5 Minuten = 12 C) wären bei 60kWh dann eben auch 720kW Leistung.... Zum Vergleich: Teslas Supercharger haben Stand heute bis zu 135kW und das ist schon nicht schlecht.

ad peter schrieb: Danke Georg für die Informationen, dir mir vom Wissens her ein bissl weiterhilft. Aber sicher ist es möglich, dass in 10 Jahren der Ladevorgang ähnlich des Tankvorganges entspricht. Dann wäre auch die Reichweite besser. In 5 Jahren wäre dann noch nicht ganz soweit. Norwegen will ja den Kauf von Stinkern ab 2025 verbieten. Um das durchzusetzen, müsste folglich die Ladezeit und Reichweite um einiges verbessern, zumal im Norden die Infrastruktur noch sehr mangelt.


Ich denke in 10 -15 Jahren wird es diesen typischen Ladevorgang so wie wir in jetzt a la Tankstelle kennen für EV's nicht mehr oder nur noch zu Hause geben. Die Möglichkeiten welche uns die Elektrotechnik bietet sind noch nicht Ansatzweise ausgeschöpft. Vereinfacht gesagt : Wo man ein Stromkabel hinlegen kann wird man auch laden können. Und vielleicht brauch man auch keine Stromkabel mehr. Dann wird auch die Jagt nach noch mehr Akku Kapazität aufhören bzw. eine untergeordnete Rolle spielen.