Superkondensatoren: stehen Energiespeicher vor dem Durchbruch ?

werden Ultrakondensatoren die zweite Energiewende einläuten ?

Superkondensatoren

kurz vor dem Durchbruch zum Massenmarkt ?

Wir haben immer gesagt, dass die Energiewende weder notwendig noch machbar ist, da u.a. die Speichertechnologie fehlt, um Öko-Strom auch über eine längere Dunkelflaute von mehreren Wochen speichern zu können. Nun sehen Experten die Ultrakondensatoren als Nachfolger der Lithium-Ionen-Batterie auf dem Vormarsch. Sie sollen sich durch eine hohe Energiedichte auszeichnen und können blitzartig aufgeladen werden. Im Vergleich zur Batterie liefern sie eine deutlich höhere elektrische Leistung und wiegen erheblich weniger. Wir haben uns daher mit der Frage beschäftigt, ob wir unsere These überprüfen müssen und ob die Energiewende doch noch bis 2050 gelingen wird.      

Ladungsverteilung in einem Doppelschicht-Kondensator, Illustration: Elcap, CCO 1.0, wikimedia commons

was ist ein Kondensator ?

Allgemein formuliert kann man sagen, das ein Kondensator ein elektrisches Bauteil ist, welches elektrische Ladungen speichern und verdichten kann. Das wichtigste Bau-element aller Kondensatoren sind zwei voneinander isolierte Metallplatten, zwisch-en denen sich Luft befindet. Elektrische Lad-ungen können auf der Kondensatorplatte allerdings nicht unbegrenzt gespeichert werden, sondern bei vorgegebener Spann-ung nur stets eine begrenzte Anzahl von Ladungsträgern aufnehmen. Die Metall-platten beim Plattenkondensator sind mit je einem Pol mit einer Spannungsquelle ver-bunden. Kondensatoren lassen sich als En-ergiespeicher, Blindwiderstände und als Sensoren verwenden.

Bevor wir eine Überprüfung anhand der Kriterien „Bezahlbarkeit, Sicherheit, Nach-haltigkeit“  starten,  wollen wir zunächst die Frage klären “ aus was besteht eigentlich ein Kondensator bzw. ein Superkondensator ?“ Anschließend werden wir uns mit den Vor-und Nachteilen beschäftigen.

was ist ein Superkondensator ?

Bei einem Superkondensator handelt es sich um einen elektrochemischen Konden-sator. Dieser besteht aus elektrochemisch-en Doppelschichten auf Elektroden, die mit einem Elektrolyt befeuchtet sind. Beim  An-legen einer Spannung sammeln sich an beiden Elektroden Ionen entgegengesetzer Ladung und bilden hauchdünne Zonen von unbeweglichen Ladungsträgern. Anders als bei Akkus tritt nur eine Ladungsverschieb-ung, aber keine chemische Stoffänderung ein. Die Doppelschichten bestehen aus Graphen. Graphen besteht aus reinem Kohlenstoff. Genauer gesagt: (für die Chemiker:) aus polycyclischem aromat-ischem Kohlenwasserstoff. Eine Graphen-Lage ist etwa 0,3 Nanometer dick.( viel dünner als ein Haar!) Man unterscheidet einlagiges Graphen, Graphen mit bis zu 10 Lagen und mit mehr als 10 Lagen (Graphit). Diese haben eine bienenwabenartige Schichtstruktur.  Soweit ganz knapp formuliert die Theorie.  Kommen wir nun zur Praxis.

Vor und Nachteile

Ultrakondensatoren haben eine Energiedichte von mehr als 10 Wh/kg und eine Kapazität von 4.500 Farad, Foto: Cybrain, fotolia-kauf

Superkondensatoren ( auch Ultra-oder Doppelschichtkondensator-en genannt) können große Energiemengen innerhalb von Sekunden aufnehmen und genau so schnell auch wieder abgeben. In ihnen vollzieht sich keine chemische Reaktion wie in Batterien. Dadurch entfällt der Verschleiß durch die Lade-und Entladevorgänge. Der Schlüssel für die Speicherung der Energie bildet der Kohlenstoff Graphen. Durch den Bau von Superkondensatoren mit höheren Zellenkapazitäten im Bereich von mehreren Tausend Farad (  1 Farad entspricht einer Ladespannung von einem Volt für eine Sekunde, Einheit für elektr. Kapazität) benötigt man künftig er-heblich weniger Raum für die Speicherung von Energie, so Volker Duden, Technikvorstand von Skeleton Technologies aus Groß-röhrdorf bei Dresden, da sie nur 60 mm groß sind. 26,7 Mio. EUR will die Firma für die weitere Entwicklung und Produktion investier-en. Durch den geringen Kondensatoren-Innenwiderstand von 0,095 Milliohm konnte der Wärmeverlust stark reduziert werden, was die Lebenserwartung der Superkondensatoren erheblich verlängert. Mehr als eine Million Lade-und Entladezyklen sind nunmehr mög-lich. Das stellt die Leistung von herkömmlichen Batterien bei weitem in den Schatten. Superkondensatoren werden in Hybrid-autos, Linienbussen, Satelliten, auf Schiffen und in Windkraftan-lagen als Kurzzeitspeicher eingesetzt. Darüber hinaus arbeiten Superkondensatoren mehr oder weniger temperaturunabhängig. Ihre Kapazität bleibt sowohl bei Minus 40 Grad als auch bei Plus 65 Grad konstant. Batterien verlieren dagegen bei  Kälte schnell ihre Leistung.  Der Kohlenstoff Graphen in der Doppelschicht des Superkondensators hat durch seine Krtistallstruktur darüber hinaus den Vorteil, dass er extrem fest und transparent ist sowie über eine hohe elektrische Leitfähigkeit verfügt, so Max Lemme von der RWTH Aachen. Damit erfüllen u.E.n. alle aufgeführten Vorteile der Superkondensatoren das Kriterium der Nachhaltigkeit vollumfäng-lich.     

Doch wie sieht die Anwendung von Superkondensatoren in der Praxis aus, wenn man diese Technik unter dem Blickwinkel der Sicherheit und der Bezahlbarkeit betrachtet ? Anders gefragt: sind Superkondensatoren demnächst in der Lage, Strom aus Windkraft-und Photovoltaikanlagen in großen Mengen zu speichern und diesen zu akzeptablen Preisen dem Markt zur Verfügung zu stellen? Martin Ammon vom MaFo-Unternehmen EuPD Research schätzt, dass Energiespeicher in 10 Jahren massentauglich werden und das die Preise von 500 Dollar pro kWh in 2018 auf unter 250 Dollar je Kilowattstunde Strom in 2025 absinken werden. Ob ein solcher Preisverfall durch flächendeckend einsetzbare Superkond-ensatoren in Kombination z. B. mit supergroßen Batterien tatsäch-lich eintreten wird, bleibt allerdings zunächst reine Spekulation.     

 

Denn es kommt nicht von ungefähr, warum man bei Forschung und Entwicklung solcher Superkondensatoren nicht so schnell voran-kommt, wie es sich die interessierten Wirtschaftskreise wünschen. Daher ist der Automobilhersteller Mercedes bereits in 2015 aus der Zellproduktion wieder ausgestiegen, da er nicht daran glaubt, dass man hierzulande kostendeckend solche Superkondensatoren als Akkus produzieren könnte. Anders sieht es dagegen beim Bau von Superkondensatoren für die Raumfahrt aus. Die europäische Raum-fahrtbehörde ESA hat sich für den Einsatz von Superkonden-satoren entschieden, weil diese die schweren Batterien in den Raumschiffen ersetzen können. Damit können erhebliche Kosten eingespart werden. Doch wie kommt es, dass man Graphen trotz seiner einfachen Struktur und ausreichender Erforschung im Alltag bisher nur in Tennisschlägern und Skiern findet ? Antwort: es liegt an der schwierigen Nutzbarmachung. So muß man z.B. beim sog. abbauenden Schälverfahren einlagige Graphenschichten von großen Graphitkristallen mechanisch mittels Klebebänder ab-trennen. Oder man gewinnt Graphitoxid aus Graphit, wobei das Graphitoxid im Anschluss chemisch oder thermisch in einer Flüssigkeit zu mehrlagigem Graphen umgewandelt wird, um dieses als Kunststoffzusatz mit anderen Materialien weiter zu verarbeiten. Dann gibt es noch das sog. aufbauende Verfahren. In diesem Ver-fahren wird auf einer beschichteten Metalloberfläche Methan auf-geblasen. Das Methan zersetzt sich dort und bildet dabei Graphen. Durch weitere Verarbeitungsschritte können anschließend ver-schiedene elektronische Komponenten hergestellt werden. Das ganze ist nicht nur langwierig, sondern auch sehr teuer. Die Kosten pro kWh Speicherkapazität werden mit 10 bis 20.000 EUR beziffert. Der Vorteil dieser Superkondensatoren liegt darin, dass sie kurz-fristig Energie speichern und somit für eine unterbrechungsfreie Versorgung von Elektrosystemen aller Art beitragen können. Der Nachteil liegt darin, dass sie eine hohe Selbstentladung haben und sich daher als Langzeitspeicher nicht eignen.          

Quellenhinweise:

Trummler, Horst: Stromspeicher: was sie sind, was sie taugen, was sie kosten, in: Eike.de vom 27.05.2012; Praxistipps. chip. de: was ist ein Kondensator ? vom 1.9.2019; Helles-Koepfchen.de; Wikipedia: Super-kondensatoren;  Roth, Wolf-Dieter: Ultra-kondensatoren: besonders robuste Energie-speicher, in: All-Electronics.de o.J.; Handels-blatt vom 30.07.2019; Ingenieur.de vom 09.05.2019; Elektronik-Praxis.Vogel.de vom 2.7.2015; Energie-Experten.org: so funktion-ieren Super-und Ultrakondensatoren als Stromspeicher, Schughart, Anna: Warum setzt sich das Wundermaterial Graphen nicht durch?, in:  GQ-Magazin vom 9.2.2017; Nanopartikel.info (Graphenerläuterung) so-wie RK-Redaktion vom 02.09.2019  

 

Fazit

Superkondensatoren werden weiterent-wickelt, weil sie sich als Kurzfristspeicher für unterbrechnungsfreie Stromsysteme be-sonders gut eignen. Als Speichermedium zur Aufrechterhaltung der Stromversorgung eignen sie sich vorläufig aufgrund der hoh-en Kosten und der schnellen Selbstentlad-ung nicht. Um das Stromnetz in Deutsch-land unterbrechungsfrei aufrecht zu erhalt-en, wird im Durchschnitt eine Tagesstrom-speicherkapazität von 50.000 bis 80.000 MW Leistung benötigt. In der kalten Jahres-zeit kann der Bedarf auch steigen. Die Speicherkapazitäten werden von den Kraft-werken bereitgehalten, um z.B. Lastspitzen oder Ausfälle abzufangen. Darüber hinaus müssen sie die Schwankungen der rege-nerativen Energieträger wie z.B. den Strom aus Windkraftanlagen ausgleichen, da er meist nicht bedarfsgerecht zur Verfügung steht.  Die staatliche Förderung zur Weiter-entwicklung von Superkondensatoren kann man aufgrund der hohen Kosten und der Ungeeignetheit als Langfristspeicherme-dium daher nur spirituell rechtfertigen. 

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