Verdünnte Schwefelsäure hat folgende wertvolle Eigenschaften: 1. sie leitet den elektrischen Strom sehr gut (natürlich im Vergleich zu anderen Elektrolyten), 2. sie verändert sich an der Luft nicht, 3. sie bleibt in dem Gefäße, in dem sie sich befindet, sie kriecht nicht, wie es viele andere Lösungen tun, an den Wänden langsam empor. Will man an der Verwendung der verdünnten Schwefelsäure für einen Sammler festhalten, so hat man unter den Metallen keine große Wahl, da sich die meisten bezw. ihre Oxyde in diesem Elektrolyten lösen.
Verdünnte Schwefelsäure hat folgende wertvolle Eigenschaften: 1. sie leitet den elektrischen Strom sehr gut (natürlich im Vergleich zu anderen Elektrolyten), 2. sie verändert sich an der Luft nicht, 3. sie bleibt in dem Gefäße, in dem sie sich befindet, sie kriecht nicht, wie es viele andere Lösungen tun, an den Wänden langsam empor. Will man an der Verwendung der verdünnten Schwefelsäure für einen Sammler festhalten, so hat man unter den Metallen keine große Wahl, da sich die meisten bezw. ihre Oxyde in diesem Elektrolyten lösen.
Beachtung verdient hier vor allem dasKupferoxyd-Zink-Element (Lalande, Edison, Wedekind), das als Vorläufer des Edison-Akkumulators bezeichnet werden kann. Als Elektrolyt dient Natron- oder Kalilauge. Das Kupferoxyd verliert während der Entladungseinen Sauerstoff, das Zink geht als Zinkhydroxyd in Lösung. Das entstandene poröse und schwammige Kupfer nimmt an der Luft, besonders wenn es erhitzt wird, Sauerstoff auf.
Wir wenden uns jetzt zu dem Hauptgegenstande dieses Kapitels, nämlich zu demEdison-Akkumulator.Darrieus[115]beschäftigte sich vor etwa 18 Jahren schon mit der Herstellung eines Akkumulators, bei dem an Stelle des schweren Bleies andere Metalle und als Elektrolyt Kali- oder Natronlauge benutzt werden sollten. Unter den Metallen, die er aufzählt, befinden sich auch Eisen, Nickel, Kadmium. Im Jahre 1899 wurde dem SchwedenJungnerein Patent erteilt, das sich auf einen alkalischen Akkumulator mit Silber- und Kupferelektroden bezieht. Die Versuche erstreckten sich aber auch auf Eisen, Nickel und Kadmium. Es sind etwas mehr als 8 Jahre her, als Dr. Kenelly die Aufmerksamkeit der ganzen Welt auf eine neue Erfindung Edisons lenkte, nämlich auf ein Element, das nach den Nachrichten, die zu uns gelangten, berufen zu sein schien, dem biederen Bleiakkumulator den Todesstoß zu versetzen. Die ersten Zellen, die D-Zellen, kamen i. J. 1903 nach Europa. Aber sie wurden schon nach kurzer Zeit vom Markte zurückgezogen. Später wurde die Fabrikation der H-Zellen in großem Maßstabe aufgenommen, auch in Berlin (Deutsche Edison-Akkumulatoren-Company). Diese wird im Folgenden ausführlich besprochen werden.
Edison hatte sich die Aufgabe gestellt, einen Akkumulator herzustellen, der nicht nur pro Wattstunde ein geringeres Gewicht als der Bleiakkumulator haben sollte, sondern auch gegen schlechte Behandlung unempfindlichsein sollte. Inwiefern es Edison gelungen ist, dieses Ziel zu erreichen, werden wir später sehen.
Vorgänge in der Edison-Zelle.Die wirksame Masse der positiven Elektrode besteht aus Nickelhydroxyd, Ni(OH)2, dem etwa 20% eines flockigen Graphits zugesetzt werden. Der Graphitzusatz bewirkt nicht nur eine Verbesserung der Leitfähigkeit der aktiven Masse, sondern er verhindert auch ein Aufschwemmen der Masse bei der Ladung; in erster Linie aber soll seine Bedeutung darin liegen, daß er trotz der starken Pressung der Masse (s.unten) eine gewisse Porosität gewährleistet. Als negatives Elektrodenmaterial wird Eisenhydroxyd verwendet, dem ca. 10% Quecksilberoxyd beigemischt werden. Letzteres dient dazu, die Leitfähigkeit der Masse zu verbessern, und soll dazu beitragen, die Zelle gegen starke Stromstöße unempfindlich zu machen. Welche Vorgänge sich in der Zelle bei Stromdurchgang abspielen, steht noch nicht mit Sicherheit fest. NachElbs[116]wird das Eisenhydroxyd durch Wasserstoff zu Eisen reduziert, während Nickelhydroxyd durch OH (hervorgegangen aus OH-Ionen) auf eine höhere Oxydationsstufe gebracht wird. Die Vorgänge, die sich bei der Ladung und Entladung abspielen, kann man durch die Gleichung darstellen:
Fe(OH)2+ 2Ni(OH)2⇄ Fe + 2Ni(OH)3.
Der Effekt ist also ein solcher, als ob bei der Ladung zwei OH von der negativen zur positiven Elektrode wanderten, und umgekehrt bei der Entladung. Elbs fand auch, daß die elektromotorische Kraft von der Konzentration der Lauge abhängig ist. Nach der obigen Reaktionsgleichung ist die Kalilauge (21%) andem chemischen Umsatze nicht beteiligt.Förster[117]wies aber nach, daß die Kalilauge nach der Entladung weniger Wasser enthält als am Ende der Ladung. Es scheint demnach, als ob die vorige Gleichung die Vorgänge nicht genau wiedergäbe. (Möglich wäre es allerdings, daß Wasserstoff und Sauerstoff von dem Elektrodenmaterial absorbiert werden.)
J.Zednerhat unter Leitung von Prof.Dolezalek[118]Untersuchungen über denEisen-Nickel-Akkumulatorangestellt. Er fand, daß die positive Elektrode im geladenen Zustande Ni(OH)3, im entladenen Zustande Ni(OH)2.2H2O enthält. Während der Entladung wird also dem Elektrolyten Wasser entzogen. Dem entsprechend müßte die elektromot. Kraft von der Konzentration der Lauge abhängig sein, was auch in der Tat der Fall ist. Die Entladung erfolgt in zwei Stufen; zuerst wird das Nickelhydroxyd in Hydroxydul umgewandelt; die zweite Stufe beruht auf der Verbindung des Sauerstoffs mit Wasserstoff, der während des Ladens von der wirksamen Masse und zwar zumeist von dem ihr beigemischten Graphit eingeschlossen wurde.
Roloff[119]ist der Ansicht, daß außer der von Elbs angegebenen Reaktion noch eine andere stattfindet, wie der stufenweise erfolgende Abfall des Potentials der Eisenelektrode beweise. Das Ni(OH)2, das auf den entladenen Platten ist, hat keine grüne Farbe. Er fand, daß Ni(OH)2schwarz wird, wenn es Wasser addiert, z. B. ist das Hydrat Ni(OH)2.2H2O schwarz.
Nach der Reaktionsgleichung kommen auf 1 AtomEisen, das oxydiert wird, 2 Atome Nickel, die an dem Umsatze beteiligt sind; dem entsprechend ist bei Edison die Zahl der Nickelektroden eine doppelt so große wie diejenige der Eisenelektroden.
Da die Kalilauge an dem Umsatze nicht beteiligt ist, so kann der Abstand zwischen den Elektroden sehr klein gemacht werden. Dies ist auch aus dem Grunde von Wert, weil die Anzahl der Platten, um eine bestimmte Kapazität zu erreichen, eine große sein muß. Die Nickel- und Eisenmasse nämlich leiten den Strom sehr schlecht, wahrscheinlich ist auch ihre Porosität wegen des hohen Druckes, dem sie bei der Fabrikation ausgesetzt werden, eine sehr geringe; der chemische Umsatz ist aber, obschon der Elektrolyt nicht an ihm beteiligt ist, nur dort möglich, wo die aktive Masse mit der Lauge in Berührung ist. Die Umwandlungen erfolgen daher nur in einer außerordentlich dünnen Oberflächenschicht. Man muß also eine verhältnismäßig große Anzahl von Platten benutzen, um eine gewünschte Kapazität zu erhalten. Die Ersparnis an Elektrolyt, die man durch das nahe Zusammenrücken der Platten erzielt, wird, wie man leicht einsieht, dadurch wieder z. T. illusorisch, daß man die Anzahl der Platten vergrößern muß.
Konstruktion der Edison-Zelle.Die positive aktive Masse gewinnt Edison dadurch, daß er aus einer Nickelnitratlösung durch Magnesiumhydroxyd das grüne Nickelhydroxydul, Ni(OH)2fällt; dieses wird durch Chlor zu Nickelhydroxyd Ni2(OH)6oxydiert. Die negative Masse wird aus Eisenoxyd hergestellt, über dieses wird bei etwa 250° lange Zeit trockener Wasserstoff geleitet, das Fe2O3wird in Fe3O4umgewandelt.
Fig. 26.Gitter aus vernickeltem Stahlblech
Fig. 26.
Die Konstruktion der positiven und negativen Elektroden stimmt, wenigstens bei der H-Type, überein.Das aktive Material, dem Graphit bezw. Quecksilberoxyd (s.oben) zugesetzt wird, wird von kleinen Taschen (77 mm × 13 mm) aufgenommen, die aus dünnem, vernickeltem Eisenblech hergestelltwerden[120].Dieses ist perforiert, damit der Elektrolyt Zutritt hat; auf 1 cm2kommen fast 300 Löcher. Eine größere Anzahl dieser Taschen wird in ein Gitter aus vernickeltem Stahlblech eingesetzt (s.Fig. 26). Die Platte wird dann sehr stark gepreßt, so daß die Taschen fest und mit gutem Kontakte in dem Rahmen sitzen. In einer zweiten Presse werden die Taschenwände in der Querrichtung gewellt. Die Platten haben oben einen mit einer runden Öffnung versehenen Ansatz. Durch diese wird beim Einbau ein Eisenbolzen geschoben; zwischen je 2 Platten wird eine Eisenscheibe gelegt, um den richtigen Abstand zu erhalten und zu sichern. Platten und Scheiben werden durch Schrauben an den Enden der Bolzen gegeneinander gedrückt. Der Bolzen trägt einen vertikalen Eisenstab, den Polbolzen (s.Fig. 27). Wie schon bemerkt, enthält die Zelle doppelt so viele Nickelelektroden wie Eisenelektroden, die Reihenfolge ist also: Nickel, Eisen, Nickel; Nickel, Eisen, Nickel usw. Zur Isolierung der Platten verschiedenen Potentials gegeneinander dienen Hartgummistäbe.
Fig. 27.Kanne mit Polbolzen
Fig. 27.
Der Plattensatz kommt in eine vierkantige Kanne aus vernickeltem Eisenblech, das, um seine Festigkeit zu erhöhen, gewellt ist (s.Fig. 27); er ist gegen den Boden der Kanne durch Hartgummiprismen isoliert und gegen die Seitenwände durch dünne Hartgummiformstücke. Die Zelle wird durch einen Deckel verschlossen, durch den die beiden Polbolzen hindurchgehen, die durch übergeschobene Hartgummibüchsen und Weichgummiringe gegen den Deckel isoliert sind. Der Deckel ist mit einer Füllöffnung und einem Ventil versehen, durch das die bei der Ladung in großer Menge sich bildenden Gase entweichen; es ist so eingerichtet, daß die mitgerissenen Teilchen des Elektrolyten zurückgehalten werden.
Der Elektrolyt soll stets ca. 12 mm über Oberkante der Platten stehen. Den richtigen Stand der Kalilauge konstatiert man mit Hilfe eines Glasrohres mit kleiner Ausflußöffnung, das man wie eine Pipette benutzt. Sinkt der Stand der Flüssigkeit unter das vorgeschriebene Maß, so ist destilliertes Wasser nachzufüllen.
Fig. 28.Nickelelektrode
Fig. 28.
Vor einiger Zeit hat Edison die Nickelelektrode wieder anders gestaltet. Die Taschen haben eine runde Form erhalten (s.Fig. 28). Sie sind aus spiralig gewundenem, fein gelochtem Stahlband gefertigt und werden mit Hilfe von Stahlringen außerordentlich verstärkt. Das Nickelhydroxydwird nicht mehr mit Graphit sondern mit Nickelflocken vermischt, auch soll etwas Wismutoxyd beigemengt werden. Der Kaliumlösung wird eine geringe Menge von Lithium zugesetzt. Die Gasentwickelung soll bei der neuen Type (Type A)geringer[121]und die Leistung bei gleichem Gewichte etwa 25%höher[122]sein als bei der H-Type.
DieEdison-Zelle im Betriebe. Die elektromotorische Kraft der geladenen Zelle beträgt etwa 1,5 Volt. Wird sie mit der normalen Stromdichte, d. h. derjenigen, die der 33⁄4-stündigenEntladungentspricht, beansprucht, so beträgt, wie man aus derFig. 29ersieht, die anfängliche Klemmenspannung etwas weniger als 1,4 Volt, gegen Ende der Entladung etwa 1,15 Volt. Im Mittel beläuft sich die Nutzspannung auf 1,23 Volt. Sie ist noch geringer, wenn mit stärkerem Strome entladen wird.
Fig. 29.Klemmenspannung
Fig. 29.
Die Stromstärke bei der normalenLadung, die auch rund 33⁄4Stunde dauert, ist größer als die Entladestromstärke; z. B. wird die Type H27mit 45 Amp. entladen und mit 65 Amp. geladen. Wie die Klemmenspannung verläuft, ist aus derFig. 29zu ersehen. Nach etwa 31⁄3Stunden hat also die Spannung den Wert 1,8 Volt; man soll dann noch 30-40 Minuten weiter laden. Da die Zelle schon kurz nach Beginn der Ladung gast (daher der niedrige Wirkungsgrad) und die Konzentration des Elektrolyten nur sehr wenig schwankt, so ist es, wenn man ein Voltmeter nicht benutzt, nicht möglich, anzugeben, wann das Ende der Ladung nahe ist. Am besten lädt man dann mit vorgeschriebener Stromstärke und hört nach 33⁄4Stunden auf; allerdings vergeudet man, wenn die Batterie nicht erschöpft war, unter Umständen viel Energie. —
Vor Beginn der Ladung soll man sich von dem Stande des Elektrolyten überzeugen und ev. nachfüllen. Ein Zusatz von Wasser ist nach jeder zweiten oder dritten Ladung nötig. Die Konzentration der Lauge nimmt langsam ab, da durch die Gase trotz des Ventils kleine Partikelchen des Elektrolyten mitgerissen werden; nach ca. 300 Entladungen soll der Elektrolyt erneuert werden. Die mitgerissenen Laugeteilchen sammeln sich auf dem Deckel und „bilden im Laufe der Zeit einen weißlichen, kristallinischen Niederschlag, der durch gelegentliches Reinigen mit einem Tuch oder Pinsel entfernt wird‟ (Kammerhoffl. c. S. 43).
WirkungsgradundNutzeffekt, die wie beim Bleiakkumulator von der Stromstärke und der zwischen Ladung und Entladung liegenden Zeit abhängig sind, haben ziemlich niedrige Werte; sie werden bei 33⁄4stdg. Ladung und Entladung zu 72% und 52% angegeben. DieKapazitätist viel weniger von der Entladezeitabhängig als beim Bleiakkumulator. Sie nimmt übrigens im Laufe der Zeit ab; diese Abnahme ist abhängig von der Beanspruchung; nach etwa 600 Entladungen mit stark schwankendem Stromverbrauch, wie er beim Elektromobilbetrieb vorkommt, ist die Kapazität um etwa 15% gesunken.
Vergleich zwischen Blei- und Edison-Akkumulator.Die Endspannung bei dem Edison-Akkumulator sei 1,15 Volt, beim Bleiakkumulator ist sie 1,8 Volt. Für eine 110 Volt-Anlage sind also 110:1,15 = 96 Eisen-Nickel-Zellen, dagegen nur 110:1,8 = 61 Bleiakkumulatoren erforderlich. Weiterhin folgt, daß die Anzahl der mit dem Zellenschalter zu verbindenden Elemente bei Verwendung von Edison-Zellen bedeutend größer ist als bei Benutzung von Bleiakkumulatoren. Was die Überwachnung und Wartung anbelangt, so sind diese, soweit es sich um stationäre Anlagen handelt, für Bleiakkumulatoren einfacher als fürEdison-Zellen[123],besonders wenn erstere in Glasgefäße eingebaut sind. Andererseits hat aber die Edison-Zelle manche Vorzüge vor ihrem älteren Rivalen voraus; vor allem ist sie gegen Überanstrengung, sei es daß diese in zu weitgetriebener Entladung, z. B. bis zu 0,5 Volt Spannung, oder in Entnahme anormal starken Stromes besteht, fast ganz unempfindlich; ferner kann die Zelle im entladenen Zustande lange stehen, ohne daß sie Schaden leidet, und daher ist das oft höchst lästige Nachladen, das bei Bleiakkumulatoren erfolgen muß, wenn die Batterie längere Zeit nicht benutzt wird, überflüssig; endlich sind zu erwähnen die große mechanische Festigkeit, verbunden mit der Widerstandsfähigkeit gegen Stöße, und der feste Halt der wirksamen Masse.
Diese Eigenschaften sind in manchen Fällen so wertvoll, daß man die Mängel gern mit in den Kauf nimmt. Das Hauptgebiet, das sich der Edison-Akkumulator zu erobern gedenkt, ist das Elektromobil. Hier spielen das Gewicht pro Einheit der Leistung und die Raumbeanspruchung eine maßgebende Rolle. Wir wollen zusehen, welcher von den beiden Akkumulatoren in dieser Hinsicht den Vorzug verdient. Dem schon mehrmals erwähnten Buche vonKammerhoffentnehme ich, daß die Type H27, d. h. die H-Type mit 27 normalen Platten, für jedes Kilogramm Totalgewicht 24 Wattstundenleistet[124];unter Totalgewicht ist das Gewicht der kompletten Zelle inkl. Holzträger zu verstehen. Der Berechnung liegt 33⁄4stündige Entladung zugrunde. In einem Vortrage vonRolofffindet man die Angaben, daß man erhält
5stündige Entladung vorausgesetzt. Will man unparteiisch urteilen, so muß man bei dem transportablen Bleiakkumulator auch 33⁄4stünd. Entladung annehmen. Die dieser Zeit entsprechende Kapazität kann zu 5-6% geringer angenommen werden als die bei 5stündiger Entladung; auch ist zu berücksichtigen, daß die mittlere Klemmenspannung etwas kleiner ist. Auf keinen Fall aber bedeutet der Edison-Akkumulator, wenn es sich um transportable Zellen handelt, die in 3-4 Stunden entladen werden sollen, einen Fortschritt hinsichtlich einerGewichtsverringerung[126].
Peters[127]gelangt zu der Ansicht, daß der Edison-Akkumulator in keiner Hinsicht mit dem Bleiakkumulator konkurrieren könne.Graefenbergfindet, daß der Edison-Akkumulator 16-18 Wattstunden pro 1 kg Gesamtgewicht leiste.
Peters[127]gelangt zu der Ansicht, daß der Edison-Akkumulator in keiner Hinsicht mit dem Bleiakkumulator konkurrieren könne.Graefenbergfindet, daß der Edison-Akkumulator 16-18 Wattstunden pro 1 kg Gesamtgewicht leiste.
Die Zahlen ändern sich aber zugunsten der Edison-Zelle, wenn es sich um schnelle Entladungen handelt, indem nämlich die Kapazität der Bleizelle in viel höherem Maße von der Entladedauer abhängig ist als diejenige der Edison-Zelle. Auch spricht die Lebensdauer ein wichtiges Wort mit, und diese dürfte bei Bleiakkumulatoren, die 25-30 Wattstunden pro 1 kg Gewicht leisten, keine besonders große sein; wie es in dieser Hinsicht mit den Edison-Zellen bestellt ist, darüber fehlen noch unparteiische Angaben.
Was die Raumbeanspruchung anbelangt, so hat der Bleiakkumulator von vornherein einen Vorsprung, weil er eine viel höhere mittlere Spannung hat als die Edison-Zellen (Verringerung der Zellenzahl).Kammerhoffberechnet, daß die Type H27bedarf
angenommen ist, daß je 6 Zellen in einen Holzkasten eingebaut sind. Für eine Bleizelle, die für Elektromobilbetrieb bestimmt ist, wird angegeben, daß ohne Holzkasten erforderlich sind
NachRoloffsind für transportable Bleizellen 12 l pro Kilowattstunde und für die Edison-Zelle 19 l erforderlich. Auch hier fragt es sich, ob die Raumverringerung nicht auf Kosten der Lebensdauer erkauft ist.
Die Angaben, die man über die Lebensdauer der für Elektromobilbetrieb bestimmten Batterien findet, widersprechen sich. WährendJolyin dem (a.S. 160) zitierten Aufsatze behauptet, daß der Bleiakkumulator 3000-3500 Meilen leiste, die Edison-Zelle aber nur 2500 Meilen, berechnetKammerhoff(l. c. S. 152), daß die Lebensdauer des Bleiakkumulators im günstigsten Falle 9750 Wagenkilometern und diejenige einer um etwa 30% leistungsfähigeren Edison-Batterie 54000 Wagenkilometern entspreche. Natürlich sind auch die Preise für die Batterien in Rechnung zu setzen. Übernimmt die Fabrik gegen Zahlung einer gewissen Summe, sei es pro Jahr oder sei es pro Wagenkilometer, die volle Unterhaltung (inkl. Erneuerung der Platten), so spielt die Lebensdauer für den Besitzer des Wagens keine Rolle, und es treten dann die früher erörterten Faktoren um so mehr in den Vordergrund.
Die Angaben, die man über die Lebensdauer der für Elektromobilbetrieb bestimmten Batterien findet, widersprechen sich. WährendJolyin dem (a.S. 160) zitierten Aufsatze behauptet, daß der Bleiakkumulator 3000-3500 Meilen leiste, die Edison-Zelle aber nur 2500 Meilen, berechnetKammerhoff(l. c. S. 152), daß die Lebensdauer des Bleiakkumulators im günstigsten Falle 9750 Wagenkilometern und diejenige einer um etwa 30% leistungsfähigeren Edison-Batterie 54000 Wagenkilometern entspreche. Natürlich sind auch die Preise für die Batterien in Rechnung zu setzen. Übernimmt die Fabrik gegen Zahlung einer gewissen Summe, sei es pro Jahr oder sei es pro Wagenkilometer, die volle Unterhaltung (inkl. Erneuerung der Platten), so spielt die Lebensdauer für den Besitzer des Wagens keine Rolle, und es treten dann die früher erörterten Faktoren um so mehr in den Vordergrund.
Ein definitives Urteil über den Wert des Eisen-Nickel-Akkumulators kann noch nicht gefällt werden; man muß berücksichtigen, daß er erst einige Jahre alt ist, während der Bleiakkumulator auf eine etwa 25jährige Vergangenheit zurückblicken kann, während deren an seiner Vervollkommnung Tausende von Theoretikern und Praktikern gearbeitet haben. Einstweilen kann der Edison-Akkumulator nur in einigen beschränkten Anwendungsgebieten mit dem Bleiakkumulator erfolgreich konkurrieren.
DerZink-Nickel-Sammlerist einstweilen nur von theoretischem Interesse und soll nur der Vollständigkeit halber erwähnt werden. Analog wie die Nickelplatten des Edison-Akkumulators lassen sich Masseplatten aus Zink herstellen. Der Masse wird Graphit und Pottasche zugesetzt, ersterer verhindert, daß der bei der Ladung sich bildende Zinkschwamm zusammensintert, die Pottasche löst sich, und es bilden sich Hohlräume, die beim Quellen der Masse Platz gewähren.
[113]E. T. Z. 1905 S. 301.[114]Letzteres ist für zweiwertiges Blei 103,2, für zweiwertiges Nickel nur 29,3.[115]S.: A.Kammerhoff. Der Edisonakkumulator. Berlin, 1910.[116]E. T. Z. 1905, S. 756.[117]Zeitschr. für Elektrochemie 1908, Nr. 21.[118]Zeitschr. für Elektrochemie 1906, S. 463 oder E. T. Z. 1906, S. 999.[119]E. T. Z. 1905, S. 756.[120]Aus der aktiven Masse werden kleine Briketts von etwa 1 mm Dicke hergestellt.[121]Siehe Elektrische Kraftbetriebe und Bahnen, 1910, Nr. 23 (Kammerhoff) oder E. T. Z. 1910, S. 404.[122]Siehe The Electrical Times, 1910 (17. Nov.).[123]Man vergleiche die Vorschriften über Ladung, Entladung usw.[124]Für die neueste Type werden 30 Wattstunden pro 1 kg Totalgewicht angegeben. Siehe E. T. Z. 1910, S. 404.[125]Ohne Holzkasten oder dgl.[126]Über die neueste Type (s.S. 159) liegt noch zu wenig Beobachtungsmaterial vor.[127]E. T. Z. 1908, S. 1232.[128]Zentralblatt für Akkum. u. Galvanotechnik 1908, S. 49.
[113]E. T. Z. 1905 S. 301.
[114]Letzteres ist für zweiwertiges Blei 103,2, für zweiwertiges Nickel nur 29,3.
[115]S.: A.Kammerhoff. Der Edisonakkumulator. Berlin, 1910.
[116]E. T. Z. 1905, S. 756.
[117]Zeitschr. für Elektrochemie 1908, Nr. 21.
[118]Zeitschr. für Elektrochemie 1906, S. 463 oder E. T. Z. 1906, S. 999.
[119]E. T. Z. 1905, S. 756.
[120]Aus der aktiven Masse werden kleine Briketts von etwa 1 mm Dicke hergestellt.
[121]Siehe Elektrische Kraftbetriebe und Bahnen, 1910, Nr. 23 (Kammerhoff) oder E. T. Z. 1910, S. 404.
[122]Siehe The Electrical Times, 1910 (17. Nov.).
[123]Man vergleiche die Vorschriften über Ladung, Entladung usw.
[124]Für die neueste Type werden 30 Wattstunden pro 1 kg Totalgewicht angegeben. Siehe E. T. Z. 1910, S. 404.
[125]Ohne Holzkasten oder dgl.
[126]Über die neueste Type (s.S. 159) liegt noch zu wenig Beobachtungsmaterial vor.
[127]E. T. Z. 1908, S. 1232.
[128]Zentralblatt für Akkum. u. Galvanotechnik 1908, S. 49.
Die Verwendung der Akkumulatoren ist eine so vielseitige, daß es ganz ausgeschlossen ist, sie in diesem kleinen Werkchen auch nur einigermaßen erschöpfend zu behandeln.
1. Am wichtigsten ist dieVerwendungder Akkumulatorenin elektrischen Anlagen. Wir beschränken uns hier auf den einfachsten Fall, nämlich auf dieZweileiteranlage, bei der die Batterie parallel zur Dynamo geschaltet wird. Machen wir uns zunächst klar, welchenNutzendie Verwendungder Akkumulatorengewährt. Eine Lampe brennt nur dann ruhig, wenn die Potentialdifferenz zwischen den Zuleitungsdrähten konstant ist. Bei reinem Maschinenbetrieb ist es aber ganz unmöglich, in einer Anlage mit stark schwankendem Konsum die Klemmenspannung der Dynamo konstant zuhalten[129].Ist nun eine Akkumulatorenbatterie parallel zur Dynamo geschaltet, so werden durch sie die Schwankungen ausgeglichen, so daß die Lampen ein gleichmäßiges Licht ausstrahlen. Ja, man kann, wenn man Akkumulatoren zu Hilfe nimmt, Kraftmaschinen benutzen, die an und für sich nicht sehrregelmäßig laufen, z. B. Wasserräder. Sodann ermöglichen die Akkumulatoren eine ökonomische Ausnutzung der Maschinen. Bekanntlich nämlich arbeiten Dampfmaschinen und Dynamos mit dem günstigsten Wirkungsgrade, wenn sie voll belastet sind. Ist nun der Konsum gering, so kann die Dynamo Strom an die Batterie abgeben; wird die Netzbelastung so groß, daßeineDynamo zu stark belastet sein würde undzweizu schwach, so gibt die Batterie so lange Strom ab, bis es sich lohnt, die zweite Dynamo in Betrieb zu setzen. In den frühen Morgen- und späten Abendstunden ist die Energieabgabe der Zentrale meistens so gering, daß eine Dynamomaschine verhältnismäßig schwach belastet sein würde. Man überträgt dann der Batterie die Stromlieferung. Hierdurch wird nicht nur eine nicht unbedeutende Ersparnis an Betriebsmaterial, sondern auch eine einfachere und billigere Bedienung ermöglicht.
Bei kleineren Anlagen können die Akkumulatoren im Sommer die Speisung der Lampen usw. eventuell ganz übernehmen.
Die stete Bereitschaft der Akkumulatoren kann endlich unter Umständen von großem Nutzen sein (Reparaturen an Maschinen usw.). Durch die Batterie wird also dieBetriebssicherheitbedeutenderhöht, sie bildet die letzte, aber durchaus zuverlässige Reserve.
Der Umstand, daß sich die Spannung des Akkumulators sowohl während der Entladung als auch besonders während der Ladung ändert, bedingt die Anwendung eines besonderen Apparates, desZellenschalters. Da während der Entladung die Klemmenspannung der Elemente langsamsinkt[130],so muß man,wenn die Spannung in der Zentrale möglichst auf konstanter Höhe gehalten werden soll, von Zeit zu Zeit eine der in der Reserve stehenden Zellen zu den bereits an der Stromlieferung beteiligten hinzuschalten. Bei 110 Volt z. B. genügen bei Beginn der Entladung etwa 55 Elemente, ist die Spannung jeder Zelle bis zu 1,97 Volt gesunken, so fehlen ca. 1,8 Volt, so daß die Zelle Nr. 56 hinzugeschaltet werden muß. Da man bis zu etwa 1,8 Volt entlädt, so sind 61 Zellenerforderlich[131],von denen die 6 letzten als Schaltzellen dienen. Diese werden natürlich nicht so stark beansprucht wie die Elemente 1 bis 55. Wird nun geladen, so fangen die Schaltzellen früher an zu gasen und müssen abgeschaltet werden.
Fig. 30.Schaltung
Fig. 30.
Derjenige Apparat, der es ermöglicht, nach Bedarf Zellen ab- oder hinzuzuschalten, ist derZellenschalter. Das Prinzip desselben soll an der Hand derFig. 30erläutert werden. Die 6 letzten Zellen der Batterie sind mit I, II bis VI bezeichnet und durch Drähte mit den Kontaktstückenc1bisc6des Zellenschalters verbunden. Diese und ebenso der drehbare SchleifkontaktHsind auf einer gut isolierenden Unterlage montiert. Die Nutzleitung ist mit dem positiven Pole der letzten Zelle und mit dem Hebel verbunden. Befindet sichHin der Lage1, so fließt der Strom durch die Nutzleitung, die LampenL, nacha, überc2zum negativen Pole der SchaltzelleII. Die mitIIIbisVIbezeichneten Elemente sind also an der Stromlieferung nicht beteiligt. Dreht manHin die Lage2, so sind alle Zellen eingeschaltet.
Soll der Strom während des Hinzu- oder Abschaltens einer Zelle nicht unterbrochen werden, so muß der HebelHden folgenden Kontakt schon berühren, bevor er den vorhergehenden verläßt.
Liegt nunHbeispielsweise zugleich aufc2undc3, so ist die ZelleIIIkurz geschlossen; denn ihr positiver Pol ist durch die nachc2undc3gehenden Verbindungsdrähte, durch den Hebel und die beiden erwähnten Kontaktstücke mit dem negativen Pole verbunden. Durch den Kurzschluß kann die Zelle Schaden leiden. Um den Übelstand zu beseitigen, schaltet man zwischen die Kontaktstückec1,c2usw. kleinere Kontaktstückea,b,cusw., die sogenannten Zwischenkontakte, und verbindet, wie es aus derFig. 31zu ersehen ist, die Zwischen- und die Hauptkontakte durch Widerständew. Natürlich darf jetzt der Schleifkontakt nicht so breit sein, daß er zwei Hauptkontakte, z. B.c1undc2, gleichzeitig berührt.
Fig. 31.Schaltung
Fig. 31.
Bei der durch unsereFigurangedeuteten Anordnung muß für jede Schaltzelle ein besonderer Zwischenwiderstandvorgesehen werden. Man kommt aber mit einem Zwischenwiderstand aus, wenn man den SchleifkontaktH(Fig. 30) der Länge nach halbiert und die gegeneinander isolierten Hälften durch einen Widerstand (eine Drahtspirale) miteinander verbindet. Die Zwischenkontaktea,b,cusw. derFig. 31können bei dieser jetzt meistens benutzten Anordnung in Wegfall kommen. Um aber eine ganz ebene Schleiffläche für die Kontaktbürste zu erzielen, legt man zwischen die Kontaktstücke Scheiben aus Glas oder Schiefer.
Fig. 32.Einfachzellenschalter
Fig. 32.
Ein solcher Einfachzellenschalter ist inFig. 32abgebildet.
Schaltung.InFig. 33ist die Parallelschaltung mit Einfachzellenschalter schematisch dargestellt. Die Batterie kann nicht gleichzeitig Strom aufnehmen und abgeben. Während der Ladung hat die MaschineDeine höhere Spannung als die normale, die wir zu 110 Volt annehmen wollen. Dem Zellenschalterhebelhgibt man eine solche Lage, daß die Spannung der zwischen ihm und dem Punkteeliegenden Zellen 110 Volt beträgt, die LampenLalso mit normaler Spannung brennen. Der von der Maschine kommende Strom teilt sich an dem Schleifkontaktehdes Zellenschalters; durch die Zellen, die rechts von dem Schalthebel (zwischenhundd) liegen, fließt also der ganze Maschinenstrom, durch die anderen Elemente die Differenz zwischen diesem Strome und dem durch die Lampen gehenden. Die zuerst erwähnten Zellen sind also früher geladen (auch aus dem Grunde, weil sie bei der Entladungweniger stark beansprucht wurden). Da sie aber nicht abgeschaltet werden können, so müssen sie so lange Strom aufnehmen, bis die übrigen Zellen vollgeladen sind. Dies hat zwei Nachteile; erstens ist hierdurch ein nicht unbedeutender Arbeitsverlust bedingt,zweitens ist das jedesmalige Überladen den Elementen schädlich. Daher ist der Betrieb mit Doppelzellenschalter vorzuziehen.
Fig. 33.Schaltung
Fig. 33.
Die Anzahl der Schaltzellen ist bei der Schaltung nachFig. 33eine große. Sind z. B. bei 110 Volt 61 Zellen vorhanden, und rechnen wir als Endspannung einer Zelle bei der Ladung 2,75 Volt, so dürfen gegen Ende der Ladung nur 110:2,75 = 40 Elemente mit dem Netze verbunden sein; es müssen also 21 Zellen abschaltbar sein.
Die Schaltung bei Verwendung einesDoppelzellenschaltersist inFig. 34dargestellt[132].Der Betrieb gestaltet sich folgendermaßen:
a) Die Batterie und die DynamoDgeben Strom ab (Parallelbetrieb). Der Hebelvdes Umschalters liegt auf dem Kontakte2, hat also die in der Figur angedeutete Lage; der Entladehebelc1des Doppelzellenschalters wird so lange gedreht, bis die Spannung der zwischenBundc1liegenden Zellen gleich ist der Klemmenspannung der Maschine. Diese wird gemessen, wenn man den Hebel des Voltmeterumschalters auf den mit3bezeichneten oder auf den zur Leitung4(oder5) zugehörigen Kontaktlegt[133].Ob die Batterie Strom abgibt oder aufnimmt, erkennt man an dem StromrichtungszeigerR, der aus einer durch den Strom abgelenkten Magnetnadel besteht.
Fig. 34.SchaltungD= Dynamo,E= Automatischer Schwachstromschalter,B= Bleisicherung,A1,A2= Ampermeter,V= Voltmeter,R= Stromrichtungsanzeiger.
Fig. 34.
D= Dynamo,E= Automatischer Schwachstromschalter,B= Bleisicherung,A1,A2= Ampermeter,V= Voltmeter,R= Stromrichtungsanzeiger.
b)Ladung.vliegt auf1; die Meßleitung5steht also jetzt mit dem Ladehebel in Verbindung. Ehe die Maschine auf die Batterie geschaltet wird, muß sie biszu einer Spannung erregt werden, die etwas höher ist als die Spannung der Batterie (siehe auch S. 94). Die Maschinenspannung bei geöffnetem Stromkreise (der SchwachstromautomatEist noch nicht eingeschaltet) wird gemessen, wenn man den Hebel des Voltmeterumschalters auf den Kontakt der Leitung4legt; die Batteriespannung erhält man, wenn mancauf das Kontaktstück der letzten Zelle dreht und das Voltmeter mit der Leitung5verbindet. Der Maschinenstrom fließt durch die zwischencundc1liegenden Zellen und teilt sich beic1, indem ein Teil durch den Entladehebel nach den LampenL, ein Teil durch die links vonc1liegenden Zellen geht. Natürlich mußc1so gedreht werden, daß die Spannung der zuletzt erwähnten Elemente 110 Volt beträgt.
Feststellung der richtigen Type.Es ist von Wichtigkeit, daß man bei einer solchen Anlage die richtige Akkumulatorentype wählt. Um diese zu erhalten, bestimmt man die verlangte Leistung in Amp.-Stdn. — sie seiQ— und die höchste vorkommende Entladestromstärke. Der Akkumulator muß so bemessen werden, daß er mit dem StromeJbeansprucht werden darf und seine Kapazität auch bei Entladung mit dem StromeJmindestens gleichQist[134].Natürlich wählt man im Zweifel lieber eine zu große Type.
Pufferbatterien.Batterien, die den Zweck haben, die Stöße, die durch starke und schnell wechselnde Belastungsschwankungen auf die Maschinen ausgeübt werden, von den letzteren fernzuhalten, nennt man Pufferbatterien. Ihre Verwendung gewährt also den Vorteil, daß die Belastung der Dynamo eine gleichmäßigere und daher ihre Lebensdauer und ihr Wirkungsgradhöher sind; ferner wird die Betriebssicherheit erhöht. Von Wichtigkeit ist auch, daß, wenn eine Pufferbatterie projektiert wird, die Maschinenanlage nicht dem nur für kurze Zeit vorhandenen maximalen Strome, sondern dem mittleren Konsume zu entsprechen braucht. Besonders bei elektrischen Bahnanlagen finden solche Batterien ausgedehnte Verwendung. Hier — zumal bei kleiner Anzahl der Wagen — können größere Belastungsänderungen durch das Halten und Anfahren der Wagen und durch stärkere Steigungen verursacht werden. Die Pufferbatterie soll, wenn die Klemmenspannung der Dynamo, mit der sie parallel geschaltet ist, bei stärkerer Zunahme der NetzstromstärkeJabzufallen beginnt (Ankerrückwirkung), Strom in die Leitung schicken und Strom aufnehmen, wennJunter den normalen Betrag sinkt. Könnte die Batterie ihre Aufgabe in vollkommener Weise erfüllen, so würden Dynamo und Dampfmaschine stets gleichmäßig belastet sein und mit dem günstigsten Wirkungsgrade arbeiten.
Soll die Batterie nur die Belastungsschwankungen ausgleichen, so gibt sie im Laufe eines Tages ungefähr so viel Strom ab, wie ihr zugeführt wird; wählt man die Batterie so groß, daß sie im Notfalle eine oder mehrere Maschinengruppen vertreten kann, oder regelmäßig bei schwachem Konsume den Strombedarf deckt, so wird sie zurKapazitätsbatterie.
Das Verhalten einer Pufferbatterie während des Betriebes erfordert ein eingehendes Studium, da eine ganze Reihe von Momenten zu berücksichtigen ist; hier können nur einige Andeutungen Platz finden. Daß die Dynamo mit konstantem Strome arbeitet, ist ganz ausgeschlossen. Denn wenn das der Fall wäre, so wäre ihre Klemmenspannung ebenfalls konstant, und dann könnte die Batterie weder Strom aufnehmen noch Stromabgeben. Die Spannung der Dynamomußsich also mit der Belastung ändern. Wenn z. B. der Verbrauchsstrom wächst, so muß zunächst die Klemmenspannung der Dynamo abfallen, diese aber sinkt erst dann, wenn die Maschine einen stärkeren Stromabgibt[135].
Die Pufferwirkung ist, was die Batterie anbelangt, abhängig von dem Spannungsabfall bei Stromabgabe und von dem Spannungsanstieg bei Stromzufuhr, und zwar nicht nur dem dem inneren Widerstande entsprechenden, sondern vor allem dem durch die Änderung der elektromotorischen Kraft verursachten. Dieser letztere Teil hängt von der Stromdichte und der Geschwindigkeit ab, mit der sich die Konzentration der Säure in den Poren der wirksamen Masse ändert, also von der Plattenkonstruktion und von der Porosität der aktiven Masse. Auch die Dauer der Entladung und der Ladezustand der Zellen spielen eine Rolle. Eine Zelle, die fast bis zur Gasentwicklung geladen ist, verhält sich, wenn man zur Entladung übergeht, anders wie eine Zelle, die nahezu erschöpftist[136].Bei größerer Stromaufnahme steigt die Klemmenspannung einesAkkumulatorsschnell, mag das Element fast entladen oder nahezu voll geladen sein (man vergleiche die KurveFig. 35mit derjenigen inFig. 7a.S. 81).