Superkondensatoren sind extrem leistungsfähige Energiespeicher, die in vielen Bereichen eingesetzt werden. Ihre Eigenschaft, schnell viel Energie zu speichern, macht sie auch zu Hoffnungsträgern für die Automobilindustrie und Elektroautos. Können Superkondensatoren Batterien irgendwann vollständig ersetzen?

Wie Superkondensatoren funktionieren

Superkondensatoren, die auch als Supercaps bezeichnet werden, speichern Energie anders als Akkus nach dem Prinzip der Ladungsverschiebung. Setzt man eine Spannung an, findet nicht wie im Akku ein langwieriger chemischer Prozess statt, sondern es werden nur Ladungen im Material verschoben.

Die Zellen in Superkondensatoren bestehen aus zwei Elektroden, die durch einen Isolator voneinander getrennt sind, und einem Elektrolyten. Die Elektroden bestehen aus einem leitenden metallischen Kollektor und einem Aktivmaterial, wobei meist Metalloxide, Kohlenstoff und Graphit eingesetzt werden. Die Kohlenstoffplatten haben eine große Oberfläche. Wegen seiner porösen Struktur kann Kohlenstoff besonders viel Energie speichern.

Legt man eine Spannung an die positive Elektrode an, wandern negative Ionen aus dem Elektrolyten dorthin, legt man eine Spannung an die negative Elektrode an, zieht sie positive Ionen an. An den Elektroden bildet sich eine Doppelschicht aus Ionen, die in der Nähe der Oberfläche des Kohlenstoffs gespeichert werden. Dadurch können Supercaps hohe Energiemengen in kurzer Zeit speichern und abgeben.

Je größer die Oberfläche des aktiven Teils, desto höher die Kapazität von Superkondensatoren. Deshalb spielen bei ihrer Weiterentwicklung Nanotechnologien eine wichtige Rolle.

Wo Supercaps eingesetzt werden

Weil Supercaps Energie blitzschnell aufnehmen und abgeben können, findet man sie überall dort, wo Leistungsspitzen anfallen. Fotografen zum Beispiel nutzen sie seit Jahrzehnten in Blitzgeräten, wo Superkondensatoren ihre Energie innerhalb von Mikrosekunden als Lichtblitz abgeben. Sie können auch Systeme gegen kurzfristige Stromausfälle absichern oder das Stromnetz stabilisieren.

Theoretisch könnte auch ein Elektroauto mit einem Superkondensator innerhalb von Sekunden aufgeladen werden. Schon 2011 prophezeite Tesla-Chef Elon Musk, die Zukunft des Elektroautos liege nicht in der Batterie, sondern in Superkondensatoren. Denn anders als Akkus überstehen Superkondensatoren dank ihrer speziellen Funktionsweise mehrere hunderttausend bis zu einer Million Ladezyklen und altern viel langsamer. Dabei gibt es bisher nur ein Problem: Die Energiedichte von Supercaps kommt bei weitem nicht an die von elektrochemischen Akkus heran, sie müssten größer und schwerer ausfallen als diese. Superkondensatoren können Akkus im Elektroauto deshalb noch nicht ersetzen, sondern würden das Reichweitenproblem sogar noch verstärken.

Dennoch werden Supercaps schon heute in Fahrzeugen eingesetzt, vor allem in Nutzfahrzeugen. Sie geben großen und schweren Fahrzeugen zum Beispiel beim Start einen Energieschub, etwa LKWs, Schiffen oder Kränen. In Shanghai testete der US-Hersteller Sinautec mit Superkondensatoren ausgestattete Busse auf drei Linien. An den Haltestellen fahren die Busse Stromabnehmer aus, verbinden sich mit einer Oberleitung und laden so ihre Kondensatoren auf. In nur einer halben Minute haben sie genug Strom getankt, um bis zur nächsten Haltestelle zu kommen. In der Formel 1 speichern Superkondensatoren die Bremsenergie der Rennfahrzeuge, um sie beim Beschleunigen wieder abzugeben.

Ein weiterer Vorteil von Superkondensatoren ist, dass sie auch bei extremen Temperaturen ohne Einschränkung funktionieren, was mit Akkus nicht möglich ist.

Fortschritte in der Forschung machen Hoffnung

Seit Jahren tüfteln Forscher an Ideen, um die Energiedichte von Supercaps zu verbessern. Neue Materialien machen Hoffnung, dass sich die Lücke zwischen Akkus und Superkondensatoren langsam schließt. Forscher der Universitäten in Surrey und Bristol in Großbritannien haben zum Beispiel 2018 ein neues Polymermaterial entwickelt, das bei gleichem Gewicht tausend- bis zehntausendmal so viel Energie speichern wie bisherige Materialien. Ein Prototyp ihres Superkondensators könnte nächstes Jahr fertig sein. Kommen die Forscher so voran wie geplant, könnte ihr Kondensator bald eine Energiedichte von 180 Wh/kg erreichen, was an die Werte heutiger Lithium-Ionen-Akkus herankommt. Neben dem Einsatz in Elektroautos sehen die Forscher auch Anwendungsmöglichkeiten in der Luft- und Raumfahrttechnik, in Smartphones, Tablets und Laptops.

Auch in Deutschland wird an Superkondensatoren geforscht. Das Start-up Skeleton Technologies und die HWT Dresden arbeiten an Ultrakondensatoren, einer Variante von Superkondensatoren, und setzen dabei auf Graphen als Material. Ihre Ultracaps werden bereits von der Europäischen Raumfahrtbehörde (ESA) in Satelliten eingesetzt. Auch ein französisches Schwerlast-Luftschiff wird einen Ultrakondensator von Skeleton an Bord haben, der Lastspitzen ausgleicht und damit die CO2-Emissionen niedrig hält. Skeleton sieht seine Produkte nicht als Ersatz für Lithium-Ionen-Akkus, sondern als Ergänzung. Auch das Start-up erwartet aber weitere Fortschritte bei der Energiedichte. Heute weisen die Superkondensatoren von Skeleton eine Energiedichte von 20 Wh/kg auf. Diesen Wert will das Unternehmen verdreifachen.

Auch Tesla ist weiterhin vom Potenzial der Technologie überzeugt und will den Batterietechnik-Spezialisten Maxwell übernehmen. Maxwell stellt Superkondensatoren  und Ultrakondensatoren her, die in Hybridautos und in regenerativen Bremssystemen verwendet werden.

Wann können Superkondensatoren Batterien ersetzen?

Bei der Weiterentwicklung von Supercaps werden besonders Nanotechnologien eine Rolle spielen, die höhere Speicherkapazitäten ermöglichen. Nanotechnologien bieten ganz neue Möglichkeiten, etwa den Ersatz der Aktivkohleschicht durch eine Schicht, die aus Milliarden von Nanoröhren besteht. Dadurch werden sehr hohe Kapazitätsdichten möglich.

Wie schnell sich die Lücke zwischen Batterien und Superkondensatoren schließen lässt, ist nicht genau vorherzusagen. Das Interesse in Industrie und Forschung ist jedenfalls sehr groß.

Quellen / Weiterlesen

Die stille Kraft der Superkondensatoren | Elektronik
Neuer Hoffnungsträger für Spritsparer | Handelsblatt
Super-Batterie soll Pläne von Elon Musk übertrumpfen | Welt
Mit Rekord-Kapazität zum Batterieersatz? | WirtschaftsWoche
Der bessere Stromspeicher fürs Elektroauto | Zeit Online
Nanotechnologie für die Umwelt | Fraunhofer ISC
Bildquelle: Wikipedia – Von Wuestenfisch1Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0

Stephan Hiller
Stephan Hiller ist Betriebswirt (Studium an der Fachhochschule für Wirtschaft Berlin und in Cambridge, UK) mit umfangreicher Geschäftsführungs- und Start-Up Erfahrung. Er hat sich erfolgreich darauf spezialisiert, den Finanzbereich und das Controlling junger Unternehmen operativ zu betreuen und Start-Ups strategisch sowie in den Bereichen Marketing, Vertrieb und Finanzen zu beraten. Er verfügt über umfassende kaufmännische Erfahrungen, die er durch mehrjährige Berufstätigkeit für internationale Unternehmen im In- und Ausland aufgebaut hat. Hierunter waren u.a. Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, aus der Automobilindustrie, Solarmodulhersteller und Projektentwickler aus dem Bereich erneuerbare Energien. Weiterhin hat er mehrere Unternehmensgründungen im Bereich erneuerbare Energien initiiert und erfolgreich mit aufgebaut. Stephan hat zusammen mit Ajaz Shah energyload.eu im Oktober 2013 gegründet.

1 KOMMENTAR

  1. „Kommen die Forscher so voran wie geplant, könnte ihr Kondensator bald eine Energiedichte von 180 Wh/kg erreichen, was an die Werte heutiger Lithium-Ionen-Akkus herankommt.“

    Das bedeutet also im Klartext, dass selbst die abenteuerlichsten Varianten der Kondensatoren gerade einmal mit dem heutigen Stand von Lithium-Ionen-Akkus gleichziehen. Falls sich die Akku-Technologie auch in den nächsten Jahrzehnten weiterentwickeln sollte, werden die Kondensatoren somit voraussichtlich nie die Akkus vollwertig ersetzen können.

    Besonders skuril ist bei dieser Aussage aber das Wörtchen „bald“. Wann konkret wird dieser Kondensator denn im freien Handel erwerbbar sein? In einem Jahr, in zehn Jahren oder in hundert Jahren?

    Und nur mal als Vergleich dieser phänomenalen 180 Wh/kg bzw. 0,658 MJ/kg hier einige Alternativen:

    Zink-Luft-Batterie: 1,2 MJ/kg
    Aluminium-Luft-Batterie: 4,7 MJ/kg
    Braunkohle: 11,3 MJ/kg
    Holz: 16,8 MJ/kg
    Diesel: 43 MJ/kg
    Methan: 50 MJ/kg
    Flüssiger Wasserstoff: 120 MJ/kg
    Kernspaltung U235: 79.390.000 MJ/kg
    Kernfusion von Deuterium: 299.792.000 MJ/kg
    Materie-Antimaterie-Reaktion von Deuterium: 89.875.000.000 MJ/kg

    Mein persönlicher Favorit ist übrigens der flux capacitor von Dr. Emmett L. Brown in der Ausbaustufe mit einem Fusionsreaktor, der eigentlich bereits im Jahr 2015 erfunden worden sein müsste. Denn der Materie-Antimaterie-Reaktor wird ja bekanntlich erst nach 2050 erfunden (weil man vorher erst noch Dilithium in der Antarktis entdecken muss), was mir dann doch zu lange dauert.

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