Die Rolle von Ultrakondensatoren in der Elektromobilität

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Ultrakondensatoren sind sehr leistungsfähige Energiespeicher, die Lithium-Ionen-Akkus in mehreren Punkten überlegen sind. Um ihre Vorteile bestmöglich zu nutzen, experimentieren Forscher mit Systemen, die Akkus und Ultrakondensatoren kombinieren.

Die Vorteile von Ultrakondensatoren

Ultrakondensatoren für die Anwendung im Fahrzeug werden seit etwa 1990 entwickelt. Sie speichern Energie anders als Akkus nicht chemisch, sondern durch Ladungstrennung und sind deshalb wesentlich schneller. Überall dort, wo es auf hohe Leistung, schnelle Energieschübe und auf eine lange Lebensdauer ankommt, sind sie die perfekten Speicher. Theoretisch auch im Elektroauto: Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus macht häufiges, kräftiges Beschleunigen einem Ultrakondensator nichts aus. Was Lithium-Ionen-Akkus schneller altern lässt, können Ultrakondensatoren millionenfach wiederholen.

Nachteil Energiedichte

Trotzdem taugen Ultrakondensatoren nicht als Ersatz für heutige Akkus, denn sie haben eine Schwachstelle. Ihre Energiedichte fällt deutlich niedriger aus und liegt bei etwa einem Zwanzigstel bis Dreißigstel der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien. Ultrakondensatoren können ihre hohe Leistung nur für ein paar Sekunden liefern, was aber für viele Anwendungen ausreicht. Sie sorgen etwa in Windrädern dafür, dass sich die Rotorblätter bei kräftigen Windstößen innerhalb von Sekundenbruchteilen aus dem Wind drehen, damit die Anlage keinen Schaden nimmt. Auch manche Straßenbahnen haben Ultrakondensatoren an Bord, die Bremsenergie aufnehmen und beim Anfahren wieder abgeben.

In Kombination spielen Ultrakondensatoren und Akkus ihre Stärken aus

Ultrakondensatoren also sind gut für den Sprint geeignet, Lithium-Ionen-Akkus dagegen für die Langstrecke. Deshalb sind Ultrakondensatoren bestens geeignet, um die Elektromobilität voranzubringen: Als Hybridsystem angelegt, können Superkondensatoren Akkus ergänzen und immer dann einspringen, wenn das Auto kurzzeitig viel Leistung benötigt, etwa beim Anfahren. Das entlastet den Hauptakku und verlängert dessen Lebenszeit.

Dieses Zusammenspiel ermöglicht kleinere Lithium-Ionen-Batterien im Fahrzeug, weil die Akkus die Beschleunigung nicht mehr selbst übernehmen müssen. Das würde sich vor allem bei schweren Nutzfahrzeugen wie LKW und Bussen positiv auswirken, die deutlich mehr Energie für das Anfahren brauchen. Zudem könnte bei diesen Fahrzeugen besonders viel Bremsenergie zurückgewonnen werden. Ein weiterer Pluspunkt ist, dass Supercaps weder Kobalt noch Lithium enthalten, denn ihre Elektroden bestehen aus Aktivkohle. Sie lassen sich einfacher recyceln und sind im Fahrzeug sicherer, da sie bei einem Unfall nicht explodieren können.

Hybridsysteme sind im Kommen

Man kann davon ausgehen, dass in den nächsten Jahren einige Elektrofahrzeuge auf den Markt kommen werden, die beide Arten von Stromspeichern an Bord haben. Zumindest so lange, wie es dauert, bis auch neuere Batterien gut genug mit Lastspitzen klarkommen. Ein Hindernis dabei ist bisher der Preis. Ultrakondensatoren sind noch zu teuer, um standardmäßig verbaut zu werden.

Mittlerweile tüfteln Wissenschaftler schon an der nächsten Stufe der Kombination von Akkus und Ultrakondensatoren. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Batteriehersteller Skeleton arbeiten an einem neuartigen Hybridspeicher, in dem Ultrakondensator und Batterie verschmelzen. Diese Speicher basieren wie auch die anderen Ultrakondensatoren von Skeleton auf dem neuen Material „Curved Graphene„. Sie sollen die Ladezeiten und Lebensdauer sowie die Leistung von Ultrakondensatoren liefern und gleichzeitig mehr Energie speichern können als klassische Ultrakondensatoren.

An einem ähnlichen Konzept arbeitet auch die TU Graz, wo Wissenschaftler die Elektrode eines Ultrakondensators mit der einer Batterie kombinieren. Ihr Hybridsystem hat eine positive Batterieelektrode und eine negative Ultrakondensatorelektrode, die beide aus porösem Kohlenstoff bestehen. Als Elektrolyt dient Salzwasser. Damit sind alle verwendeten Materialien kostengünstig, umweltfreundlich und leicht zu recyceln. Der Hybridspeicher könnte in schweren Nutzfahrzeugen eingesetzt werden und dort die Stärken von Batterien und Ultrakondensatoren vereinen. Die Grazer Forscher sehen ihn aber vor allem als Speicher für die Netzentlastung, wenn bei starkem Wind oder Sonne schnell sehr viel überschüssiger Ökostrom in die Stromnetze fließt.

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