Superkondensatoren: Wann können Supercaps Batterien vollständig ersetzen?

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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.

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