02.03.2021 | Energiespeicher | Kompakt erklärt | Online-Artikel
verfasst von: Christiane Köllner
Ultrakondensatoren können innerhalb kürzester Zeit viel mehr Leistung liefern als Lithium-Ionen-Akkus – ohne, dass ihre Lebensdauer leidet. Die Speichertechnik könnte die Elektromobilität voranbringen.
Ragone-Diagramm: Vergleich unterschiedlicher Speichertechnologien. Superkondensatoren weisen eine sehr hohe Leistungsdichte [W/kg], aber eine niedrige Energiedichte [Wh/kg] auf. Aus: Superkondensatoren – Automotive-Lösungen für Komfort, Sicherheit und CO2-Reduzierung, ATZelektronik 10/2020.
Darstellung Eberspächer, angelehnt an "Energiespeicher3" (© MovGP0 CC-BY-SA-2.5 [4])
Als Alternative zu Batterien steht für die Speicherung elektrischer Energie auch die Kondensatortechnologie zur Verfügung. Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, auch Ultrakondensatoren (Ultracaps) beziehungsweise Superkondensatoren (Supercaps), die eine Weiterentwicklung der Doppelschichtkondensatoren sind, gehören systematisch gesehen zur Gruppe der Kondensatoren. "Aufgrund ihres Aufbaus mit porösen Elektroden und gelösten Ionen in einem organischen Elektrolyten werden sie – in Analogie zum Aufbau von Batterien – oftmals aber auch den elektrochemischen Energiespeichern zugerechnet", erklären Wissenschaftler der RWTH Aachen im Artikel Superkondensatoren – elektrochemische Doppelschichtkondensatoren aus der MTZ 2/2013.
Hohe Stromimpulse schaden elektrischen Energiespeichern auf Lithium-Ionen-Basis. Der Einsatz von Ultrakondensatoren ist deshalb für die moderne Elektromobilität interessant, erläutert Dr. Sebastian Pohlmann. Verantwortlich für den Bereich strategische Innovation bei Skeleton weiß er um die Vorteile der physikalischen Energiespeicher, die als System ausgelegt die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus um bis zu 80 % verlängern können.
Die Entwicklung von Ultrakondensatoren, die für den Einsatz in Fahrzeugantrieben geeignet sind, begann etwa 1990, wie Springer-Autor Andrew F. Burke im Kapitel Energy Storage: Ultracapacitor des Buchs Transportation Technologies for Sustainability erklärt. Ultrakondensatoren sind interessante Energiespeicher für alle Anwendungen, bei denen eine hohe Leistung und große Zyklenzahl gefordert sind. Sie können einen sofortigen Energieschub liefern und millionenfach geladen und entladen werden, was sie zu einer perfekten Ergänzung zu Batterien macht, wie der Beitrag Ultracapacitors Still Showing Promise aus dem Hansen Report 7/2014 beschreibt.
Ultrakondensatoren eignen sich gut für die Stromversorgung von Start-Stopp-Anwendungen, führt der Hansen Report weiter aus, insbesondere wenn schnelle Neustarts erforderlich seien, und für die Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung des Fahrzeugs, da häufige Neustarts die Batterie entladen können. Elektrische Turbolader, die häufige Stromstöße benötigen, seien eine weitere vielversprechende Anwendung, ebenso wie die Bremsenrekuperation, da Ultrakondensatoren schnell große Stromstöße aufnehmen können.
Ein weiterer Vorteil: Ultrakondensatoren enthalten weder seltene Metalle wie Kobalt noch Alkalimetalle wie Lithium. Die Elektroden von Ultrakondensatoren bestehen aus Aktivkohle. Auch in der Herstellung werden für Ultrakondensatoren weniger umweltschädliche Materialien eingesetzt. Das Recycling dieser Energiespeicher ist auch sehr einfach. "Die einzigen anfallenden Rohstoffe sind Kohlenstoff und Aluminium, für die klare Recyclinglösungen existieren. Ein weiterer Vorteil von Ultrakondensatoren ist, dass sie nicht explodieren, wenn sie in einen Unfall verwickelt sind, und, anders als Lithium-Ionen-Akkus, komplett entladen werden können, ohne Schaden zu nehmen", erklärt Sebastian Pohlmann, verantwortlich für den Bereich strategische Innovation bei Skeleton Technologies, im Interview "Der Weg zu langlebigen und leistungsfähigeren Batteriesystemen" aus der ATZelektonik 10/2020.
Einen Nachteil haben Ultrakondensatoren aber: die Energiedichte. "Mit nur etwa 7 bis 8 Wh/kg liegt die Energiedichte von Ultrakondensatoren bis zu 30 Mal niedriger als die von Batterien", so Skeleton-Experte Pohlmann. Batterien bieten hingegen eine wesentlich höhere Energiedichte und sind in der Lage, Energie über einen längeren Zeitraum zu liefern. Ihre Fähigkeit Energie zu speichern, verschlechtert sich aber im Laufe der Zeit durch den Lade- und Entladevorgang. Skelton hat es nach eigenen Angaben geschafft, mit "gekrümmten Graphen" die doppelte Energiedichte heutiger Ultrakondensatoren zu erreichen.
Allerdings werden Ultrakondensatoren in puncto Energiedichte nie mit Batterien gleichziehen, so Pohlmann. Dies liege am grundlegenden Energiespeichermechanismus. "Während Batterien Energie chemisch speichern, speichern Ultrakondensatoren Energie nur durch Ladungstrennung, also physikalisch", so Pohlmann. "Dies erklärt die extrem schnelle Verfügbarkeit der gespeicherten Ladung, das hohe Zyklisierungspotenzial sowie die geringere Empfindlichkeit gegen niedrige Temperaturen", ergänzt Eberspächer Controls im Artikel Superkondensatoren – Automotive-Lösungen für Komfort, Sicherheit und CO2-Reduzierung der ATZelektronik 10/2020.
Ultrakondensatoren beziehungsweise Superkondensator(SCAP)-Anwendungen "sind bereits seit einigen Jahren bei vielen Automobilherstellern in Serie – sowohl als einzelne Zellen bei Niederspannungsspeichern wie auch im Verbund als Modul für Energiespeicher im 12-V-, 24-V- oder 48-V-Bordnetz", erklärt Eberspächer Controls. Die zunehmende Varianz von Bordnetzkonzepten und unterschiedlichen Spannungsebenen sollen zu einem erweiterten Einsatz von SCAP-Modulen führen. Bei PSA und Continental sowie Mazda kommen sie bereits in Rekuperationsanwendungen zum Einsatz. Skeleton nennt als eines der Hauptwachstumsfelder für Ultrakondensatoren die Hybridisierung von Batterie und Ultrakondensator, um den Weg für kleinere, langlebigere und leistungsfähigere Batteriesysteme zu bereiten.
Noch aber ist es der Preis, der einen Durchbruch der Ultrakondensatoren verhindert, weiß Pohlmann, denn der Markt frage derzeit nur eine relativ geringe Menge an. "Wenn es uns gelingt, die Preise von Ultrakondensatoren von derzeit etwa 4500 Euro pro kWh auf unter 2500 Euro pro kWh zu bringen, sehen wir die Möglichkeit zur breiten Anwendung im Automotive-Bereich, insbesondere in PHEVs und HEVs, aber auch in BEVs", so Pohlmann. Deshalb müssten die Produktionsmethoden effizienter werden.
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