Batterietechnologie für Stapler

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Übersicht Batterietechnologie für Stapler und Flurförderzeuge

Jedes elektrisch betriebene Flurförderzeug braucht eine Batterie. Diese speichert die elektrische Energie und stellt sie bei Bedarf wieder zur Verfügung, um das Fahrzeug zu bewegen oder den Mast zu heben oder zu senken. Im Inneren der Batterie laufen reversible (umkehrbare) elektrochemische Vorgänge ab: Beim Laden der Batterie wird die zugeführte elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und bei der Benutzung des Fahrzeuges die chemische Energie in Elektrizität.

Eine Staplerbatterie besteht aus mehreren parallelgeschalteten Zellen, von denen jede für sich eine vollwertige, wenn auch zu schwache, Batterie darstellt. Jede dieser Zellen hat zwei Elektroden: die Anode (Minuspol) und die Kathode (Pluspol). Zwischen der metallischen Anode und der aus Metalloxid bestehenden Kathode befindet sich ein Elektrolyt, bei klassischen Blei- oder Nickel-Cadmium-Batterien ist das eine Säure. Die beiden Elektroden sind durch einen Seperator getrennt, der durchlässig für Ionen, nicht aber elektrisch leitfähig ist (da andernfalls ein Kurzschluss in der Batteriezelle entstehen würde).

Schema Batterie © Alexander Zam, fotolia.com
Schema Batterie © Alexander Zam, fotolia.com

Wenn die Batterie an einen Stromverbraucher angeschlossen wird (Stapler wird angeschaltet), beginnt im Inneren ein chemischer Prozess, der Elektrolyse genannt wird. Hierbei fließen negativ geladene Elektronen von der Kathode durch den Separator zur Anode – jedoch leider nur theoretisch in exakt der Menge, in der zuvor beim Ladevorgang Energie bereitgestellt wurde. Denn bei den chemischen Prozessen treten Verluste auf, und ebenso geht Ladung verloren, wenn die Batterie nicht genutzt wird.

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Bei einer Staplerbatterie werden mehrere solcher Zellen hintereinandergeschaltet, um die bauartbedingte relativ niedrige Zellspannung auszugleichen und eine Nennspannung zwischen 12 und 80 Volt zu erreichen. Da die periodischen Entlade- und Ladevorgänge die Batterie sehr stark belasten, werden die Elektroden aus dicken Metallplatten gefertigt, was auch das hohe Gewicht von Blei- oder NiCa-Batterien erklärt. Dies ist bei Flurförderzeugen oft ausreichend, um das erforderliche Gegengewicht zu bieten, das für die Standsicherheit erforderlich ist.

Blei- und Nickel-Cadmium-Batterien sind technisch einfach aufgebaut und daher seit langem als Energieversorgung auch für Elektrofahrzeuge wie FFZ und Stapler bewährt. Sie bestehen aus festen Elektroden aus Metall bzw. Metallverbindungen und einem flüssigen oder gelförmigen Elektrolyt und eignen sich für den Einsatz unter Umgebungstemperatur, bieten jedoch nur eine geringe Energiedichte.

Gabelstapler Batterie © Markobe, fotolia.com
Gabelstapler Batterie © Markobe, fotolia.com

Eine technische Weiterentwicklung sind Lithium-Ionen- und Eisenphosphat-Batterien, die im Vergleich Vorteile bei der Haltbarkeit, Lebensdauer und Ladegeschwindigkeit bieten und zudem deutlich leichter sind. Das muss jedoch für Stapler nicht unbedingt von Vorteil sein, da dann ein zusätzliches Gegengewicht erforderlich ist.

Bleibatterien

Die aktive Masse des positiven Pols einer Bleibatterie besteht aus Blei(IV)-oxid PbO2, die des negativen Pols aus reinem, feinverteiltem Blei. Der Elektrolyt ist verdünnte Schwefelsäure, deren Dichte im geladenen Zustand etwa 1,27 g/cm³ beträgt und während des Entladens durch Abbau der Schwefelsäure auf etwa 1,13 g/cm³ (bei 80-prozentiger Entladung und 30 °C Umgebungstemperatur) zurückgeht. Eine Entladung bis unter 20 Prozent der Kapazität schadet der Batterie dauerhaft, zudem muss bei Bleibatterien mit flüssigem Elektrolyt regelmäßig demineralisiertes Wasser nachgefüllt werden, um Verluste, die beim Laden entstehen, auszugleichen.

Eine Weiterentwicklung der klassischen Bleibatterie sind geschlossene Systeme, bei denen die Säure in Glasfasermatten oder als Gel in Kieselsäure gebunden wird. Sie erzeugen beim Ladevorgang kein gefährliches Knallgas und erfordern kein Nachfüllen von destilliertem Wasser.

Nickel-Cadmium-Batterien

Bei Ni-Cd-Batterien reagieren zwei Metalle in Verbindung mit Wasser als galvanisches Element. Kalilauge dient hierbei als Katalysator, ist aber an der eigentlichen Reaktion nicht beteiligt. Der Vorteil von Ni-Cd-Batterien gegenüber Bleiakkus liegt in der größeren Stabilität, eine Selbstentladung findet nicht oder nur in sehr geringem Umfang statt. Üblicherweise halten diese Batterien etwa 1.200 Aufladungen durch, wobei wesentlich höhere Entlade- und Ladeströme als bei einer Bleibatterie möglich sind. Auch sind Ni-Cd-Akkus temperaturunempfindlicher und arbeiten störungsfrei bei Umgebungstemperaturen von -40 °C bis +50 °C.

Die hohen Ladeströme machen Ni-Cd-Akkus besonders geeignet für den durchgängigen Betrieb mit geringen Teilentladungen von 20 bis 30 Prozent und für kurze Zwischenladungen mit einer Dauer von wenigen Minuten. Bei älteren Ni-Cd-Akkus kann ein Memory-Effekt auftreten, wenn diese mehrfach teilentladen und wieder geladen werden. Dieser Effekt tritt jedoch bei neueren Nickel-Cadmium-Batterien nicht mehr auf. Auch das vollständige Entladen vor jedem neuen Ladezyklus ist nicht mehr erforderlich, empfohlen wird nur noch ein gelegentliches Entladen, um die Kapazität der Akkus dauerhaft zu gewährleisten. Dies wird jedoch von den Ladegeräten der FFZ-Hersteller automatisch berücksichtigt, so dass ein manuelles Eingreifen durch den Benutzer nicht mehr nötig ist.

Lithium-Ionen-Batterien

Li-Ionen-Akkus bestehen aus Lithium-Verbindungen in allen drei Teilen der elektrochemischen Zellen. Sowohl die Anode als auch die Kathode und das Elektrolyt enthalten Lithiumionen, was zahlreiche Vorteile im Vergleich zu den bisherigen Akkumulatoren bietet.

So weisen Li-Ion-Batterien eine höhere spezifische Energie auf, dazu sind sie thermisch stabil und relativ unempfindlich, was den Memory-Effekt angeht. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften des chemischen Elements Lithium sind zudem besonders kleine und kompakte Bauformen möglich, weswegen Li-Ion-Batterietechnologie nicht nur für FFZ und andere Großanwendungen (wie Elektroautos) geeignet ist, sondern auch für Smartphones, Tablets und andere tragbare Geräte.

Still Stapler mit Lithium-Ionen-Technologie © STILL
Still Stapler mit Lithium-Ionen-Technologie © STILL

Die Technologie wurde bereits in den 1970er Jahren entwickelt, doch erst in den letzten Jahren ist es möglich, Batterien auf Lithium-Ionen-Basis herzustellen, die ausreichend Kapazität bieten, um damit Stapler und andere FFZ zu betreiben. Inzwischen gibt es jedoch sogar Batterie-Speicherkraftwerke mit einer Kapazität von 36 MWh (zum Vergleich: eine Staplerbatterie hat eine Kapazität von 2-10 KWh) – und die Technik wird kontinuierlich weiterentwickelt.

Die Vorteile von Li-Ion-Batterien liegen in den besonders schnellen Ladezeiten und einer langen Lebensdauer der Batterie (bis zu 3.000 Vollzyklen und deutlich mehr Teilzyklen). Zudem sind die Akkus wartungsfrei und unterliegen keinen Einsatzbeschränkungen, etwa im Lebensmittelbereich oder in Reinräumen.

Bei herkömmlichen Li-Ion-Akkus wird die Anode aus Lithium-Cobalt(III)-oxid gefertigt, das eine hohe Energiedichte ermöglicht. Allerdings sind diese Akkus anfällig für thermisches Durchgehen, eine unkontrollierte exotherme chemische Reaktion, bei der der Akku intern überhitzen und dann explodieren kann. Diese Gefahr wird durch mechanische Beschädigungen noch erhöht. Eine sicherere Weiterentwicklung sind Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4), bei denen bei der chemischen Reaktion innerhalb der Zellen kein Sauerstoff freigesetzt wird, so dass keine Gefahr der Selbstentzündung oder Explosion besteht.

LiFePO4-Technologie wird daher zunehmend auch als Batterietechnologie für Stapler und FFZ genutzt. Insbesondere der chinesische Hersteller BYD Forklift setzt als weltgrößter Hersteller dieser Akkumulator-Technologie auf die Li-Ion-Batterien und konnte damit im Jahr 2016 den begehrten IFOY-Award gewinnen. Denn die modernen Akkus sind nicht nur haltbar, robust und sicher, sondern sie sparen auch Energie und damit Kosten. Die beim Bremsen und Senken der Gabel freigesetzte Energie kann rückgewonnen und der Batterie wieder zugeführt werden, so dass die Stapler länger laufen, ohne neu geladen werden zu müssen.

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