Könnten Ultrakondensatoren die Batterien in zukünftigen Elektrofahrzeugen ersetzen?

Ultrakondensatoren sind in letzter Zeit in aller Munde, aber könnten sie die Batterien in den EVs der Zukunft sinnvoll ersetzen?

Ultrakondensatoren
Ultrakondensatoren. Die nächste Generation?

Ultrakondensatoren sind fantastisch. Aber könnten sie die Batterien in zukünftigen Elektrofahrzeugen sinnvoll ersetzen?

Ultrakondensatoren haben erhebliche Vorteile gegenüber Batterien, denn sie sind viel leichter, schneller zu laden, sicherer und ungiftig. Es gibt jedoch einige Bereiche, in denen Batterien den Boden mit ihnen aufwischen. Zumindest im Moment.

Mit den jüngsten Übernahmen von Ultrakondensator-Herstellern wie Tesla könnten Ultrakondensatoren kurz davor stehen, Batterien als Stromquelle für Elektroautos zu verdrängen.

Was ist ein Ultrakondensator?

Ultrakondensatoren, auch Superkondensatoren, Doppelschichtkondensatoren oder elektrochemische Kondensatoren genannt, sind eine Art von Energiespeichersystem, das in den letzten Jahren an Popularität gewonnen hat. Man kann sie sich als eine Kreuzung zwischen einem gewöhnlichen Kondensator und einer Batterie vorstellen, doch sie unterscheiden sich von beiden.

Ultrakondensatoren haben im Vergleich zu ihren traditionellen Alternativen eine sehr hohe Kapazität – daher der Name. Genau wie eine Batterie haben Ultrakondensatorzellen eine positive und eine negative Elektrode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Aber im Gegensatz zu Batterien speichern Ultrakondensatoren Energie elektrostatisch (wie ein Kondensator) und nicht chemisch wie eine Batterie.

Ultrakondensatoren haben auch einen dielektrischen Separator, der den Elektrolyten teilt – genau wie ein Kondensator. Diese interne Zellstruktur ermöglicht es Ultrakondensatoren, eine sehr hohe Energiespeicherdichte zu haben, insbesondere im Vergleich zu einem normalen Kondensator.

Ultracapacitors speichern weniger Energie als eine Batterie ähnlicher Größe. Sie sind jedoch in der Lage, ihre Energie viel schneller abzugeben, da die Entladung nicht von einer stattfindenden chemischen Reaktion abhängt.

Ein weiterer großer Vorteil von Ultrakondensatoren besteht darin, dass sie eine große Anzahl von Ladezyklen mit geringer oder keiner Degradation (mehr als 1 Million Lade-/Entladezyklen sind keine Seltenheit) wiederaufgeladen werden können. Dies liegt daran, dass bei der Wiederaufladung keine physikalischen oder chemischen Veränderungen auftreten.

Aus diesem Grund werden Superkondensatoren häufig in Anwendungen eingesetzt, die viele schnelle Lade-/Entladezyklen erfordern und nicht als kompakte Langzeit-Energiespeicher dienen, wie z.B. in Booster-Packs und Power Banks für Autos.

Das am häufigsten verwendete Elektrodenmaterial für Ultrakondensatoren ist Kohlenstoff in verschiedenen Formen, wie Aktivkohle, Kohlefasergewebe, Kohlenstoff auf Karbidbasis, Kohlenstoff-Aerogel, Graphit (Graphen) und Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT).

Wie lädt man einen Ultrakondensator auf?

Wenn eine Spannungsdifferenz an die positiven und negativen Platten des Kondensators angelegt wird, beginnt er sich aufzuladen. Laut Battery University ist dies „ähnlich wie der Aufbau elektrischer Ladung beim Gehen auf einem Teppich“. Beim Berühren eines Gegenstandes wird die Energie durch den Finger freigesetzt“.

Einige der allerersten Beispiele dieser Technologie wurden in den späten 1950er Jahren bei General Electric entwickelt, aber es gab damals noch keine praktikablen kommerziellen Anwendungen. Es würde bis in die 1990er Jahre dauern, bis Fortschritte in Materialwissenschaft und Fertigung die Leistung von Ultrakondensatoren verbessern und ihre Kosten so weit senken würden, dass sie kommerziell rentabel würden.

Wie funktionieren Ultrakondensatoren?

Wie oben bereits erwähnt, arbeiten Ultrakondensatoren, indem sie zu Spitzenzeiten des Strombedarfs schnelle Energiestöße liefern und dann überschüssige Energie, die ansonsten verloren gehen könnte, einfangen und schnell speichern.

Aus diesem Grund sind sie ein großes Kompliment für die Primärenergieträger, denn sie laden und entladen sich sehr schnell und effizient.

Batterien können zwar große Mengen an Energie speichern, aber das Wiederaufladen dauert in der Regel Stunden. Im Gegensatz dazu laden Kondensatoren, insbesondere Ultrakondensatoren, fast augenblicklich auf, aber sie können nur geringe Energiemengen speichern.

Aus diesem Grund sind Ultrakondensatoren die perfekte Lösung, wenn ein System schnell geladen werden muss und keine Elektrizität über lange Zeiträume speichern muss. Außerdem wiegen sie weniger als Batterien, kosten weniger und enthalten im Allgemeinen keine giftigen Metalle oder schädlichen Materialien.

Können Ultrakondensatoren Batterien ersetzen?

Die Antwort auf diese Frage hängt sehr stark davon ab, wofür sie verwendet werden. Sie haben Vor- und Nachteile. Wie bereits erwähnt, haben Batterien eine viel höhere Energiedichte als Ultrakondensatoren.

Das bedeutet, dass sie sich besser für Anwendungen mit höherer Energiedichte eignen, oder wenn ein Gerät über lange Zeiträume mit einer einzigen Ladung betrieben werden muss. Ultracapacitors haben eine viel höhere Leistungsdichte als Batterien.  Das macht sie ideal für Anwendungen mit hohem Stromverbrauch, wie z.B. für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs.

Wie bereits erwähnt, haben Ultrakondensatoren auch eine viel längere Lebensdauer als Batterien. Eine normale Batterie kann etwa 2000-3000 Lade- und Entladezyklen verkraften, während Ultrakondensatoren in der Regel mehr als 1.000.000 Lade- und Entladezyklen verkraften können. Dies kann enorme Einsparungen an Material und Kosten bedeuten.

Ultrakondensatoren Infografik
Ultrakondensatoren Schaubild

Ultrakondensatoren sind auch viel sicherer und wesentlich weniger toxisch. Sie enthalten keine schädlichen Chemikalien oder Schwermetalle und sind viel weniger explosionsgefährdet als Batterien.

Darüber hinaus haben Ultrakondensatoren eine viel größere Reichweite als Batterien. Tatsächlich schlagen sie Batterien in diesem Bereich um Längen, da sie in Bereichen von -40 bis +65 Grad Celsius arbeiten können.

Ultrakondensatoren können auch viel schneller geladen und entladen werden als Batterien, in der Regel innerhalb von Sekunden, und sind bei der Selbstentladung wesentlich effizienter als Batterien.

Viele Ultrakondensatoren haben auch eine viel längere Haltbarkeit als Batterien. Einige, wie z.B. SkelCap-Zellen, können bis zu 15 Jahre auf einmal gelagert werden, wobei die Kapazität kaum oder gar nicht abnimmt.

Wie bei den meisten Technologien ist der Hauptgrund für den Einsatz von Ultrakondensatoren ihr Kosten-Nutzen-Verhältnis. Ultrakondensatoren sind auf lange Sicht die wirtschaftlichere Wahl für Anwendungen, die kurze Energiestöße benötigen.

Batterien sind jedoch eine viel bessere Wahl für Anwendungen, die über einen längeren Zeitraum einen konstanten, niedrigen Strom benötigen.

Könnten Ultrakondensatoren die Batterien in zukünftigen Elektroautos ersetzen?

Wie wir gesehen haben, sind Ultrakondensatoren am besten für Situationen geeignet, in denen viel Leistung in kurzer Zeit benötigt wird. Im Hinblick auf Elektroautos würde dies bedeuten, dass sie gegenüber Batterien Vorteile hätten, wenn das Fahrzeug – wie bei der Beschleunigung – Stromstöße benötigt.

Genau das hat Toyota mit dem Konzeptfahrzeug Yaris Hybrid-R getan, bei dem ein Superkondensator für die Beschleunigung verwendet wird.

PSA Peugeot Citroen hat ebenfalls begonnen, Ultrakondensatoren als Teil seiner Start-Stopp-Kraftstoffeinsparungssysteme einzusetzen. Dies ermöglicht eine wesentlich schnellere Anfangsbeschleunigung.

Das i-ELOOP-System von Mazda verwendet ebenfalls Ultrakondensatoren zur Energiespeicherung beim Abbremsen. Die gespeicherte Energie wird dann für die Stopp-Start-Systeme des Motors verwendet.

Superkondensatoren werden auch verwendet, um die Stromversorgungen in Hybridbussen schnell aufzuladen, wenn diese von Haltestelle zu Haltestelle fahren.

Wenn Hybrid-Energie nur für die Leistung genutzt wird, sind Fragen wie Reichweite und die Fähigkeit, die Ladung zu halten, nicht so wichtig – und so beginnen auch einige High-End-Hersteller wie Lamborghini damit, superkondensatorbetriebene E-Motoren in ihre Hybride einzubauen.

Ultrakondensatoren sind jedoch kein Ersatz für Batterien in den meisten Elektrofahrzeugen – noch nicht. Li-Ionen-Batterien werden wahrscheinlich in naher und ferner Zukunft die Stromversorgung für EVs bilden.

Viele halten es für wahrscheinlicher, dass Ultrakondensatoren als Stromerzeugungssysteme bei der Abbremsung immer häufiger zum Einsatz kommen werden. Diese gespeicherte Energie kann dann während der Beschleunigungsphasen wiederverwendet werden, anstatt die Batterien direkt zu ersetzen.

Laut dieser Studie könnten sie jedoch auch in Hybridfahrzeugen anstelle von Batterien eingesetzt werden, wenn „der Leistungsbedarf geringer ist als die Leistungsfähigkeit des Elektromotors; wenn der Leistungsbedarf des Fahrzeugs den des Elektromotors übersteigt, wird der Motor betrieben, um den Leistungsbedarf des Fahrzeugs zu decken und zusätzlich die Leistung zum Aufladen der Superkondensatoreinheit bereitzustellen“.

Jüngste Forschungen zu graphenbasierten Superkondensatoren könnten auch zu Fortschritten bei der Verwendung von Superkondensatoren in Elektroautos führen. Eine Studie von Wissenschaftlern der Rice University und der Queensland University of Technology führte zu zwei Arbeiten, die im Journal of Power Sources und Nanotechnology veröffentlicht wurden.

Sie schlugen eine Lösung vor, die aus zwei Graphenschichten mit einer Elektrolytschicht dazwischen besteht. Dieser daraus resultierende Film ist stark, dünn und in der Lage, in kurzer Zeit große Energiemengen freizusetzen.

Diese Faktoren sind eine Selbstverständlichkeit – es handelt sich schließlich um einen Superkondensator. Das Besondere an dieser Studie ist, dass die Forscher vorschlagen, dass die neuen, dünneren Ultrakondensatoren die sperrigen Batterien in künftigen Elektrofahrzeugen ersetzen könnten.

Dazu könnte auch die Integration der Ultrakondensatoren z.B. in Karosseriebleche, Dachverkleidungen, Böden und sogar Türen gehören. Dadurch könnte das Fahrzeug theoretisch mit der gesamten benötigten Energie versorgt werden und deutlich leichter werden als batteriebetriebene Elektrofahrzeuge.

Ein solches EV würde auch wesentlich schneller geladen als die heutigen batteriebetriebenen Fahrzeuge. Aber, wie alle Ultrakondensatoren, kann diese Lösung immer noch nicht so viel Energie speichern wie Standardbatterien.

„Für die Zukunft hofft man, dass der Superkondensator so entwickelt wird, dass er mehr Energie speichern kann als eine Li-Ionen-Batterie und gleichzeitig die Fähigkeit behält, seine Energie bis zu zehnmal schneller abzugeben – was bedeutet, dass das Auto vollständig von den Superkondensatoren in seinen Karosserieteilen angetrieben werden könnte“, sagte der Mitautor der Studie, Jinzhang Liu.

„Nach einer vollen Aufladung sollte dieses Auto in der Lage sein, bis zu 500 km (310 Meilen) zu fahren – ähnlich wie ein benzinbetriebenes Auto und mehr als doppelt so hoch wie die Stromgrenze eines Elektroautos.

Es scheinen interessante Zeiten vor uns zu liegen. Beobachten Sie diesen Raum.