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Superkondensatoren und die Energiewende
Was haben Superkondensatoren mit der Energiewende zu tun? Sehr viel!

Superkondensatoren sind elektrochemische Energiespeicher und im Moment brandaktuell. Das hat vor allem mit dem Streben nach einer nachhaltigeren Energieversorgung, aber auch der zunehmenden Popularität von Elektromobilität zu tun. In beiden Fällen sind Stromspeicher elementar für den Erfolg der Konzepte, da sie es möglich machen, fluktuierende Energiegewinnung mit schwankendem Verbrauch zu synchronisieren und so ebenfalls Autos mit umweltfreundlich erzeugtem Strom betrieben werden können.

1. Innovationen mit spannendem Innenleben

Der Funktionsweise von Superkondensatoren liegen unheimlich spannende elektrochemische Zusammenhänge zugrunde. Sie sind gegenwärtig Gegenstand eines immer noch wachsenden Forschungsgebietes, in dem es immer noch viel Potenzial für Innovationen gibt. Damit lernst du hier nicht nur viele Fakten über eine spannende Technologie kennen sondern auch wichtige elektrochemische Konzepte wie Kapazität oder Doppelschicht, die auch für andere Energiespeicher bedeutungsvoll ist.

2. Zukunftsfähige Leistungsträger

Im Vergleich zu Akkus weisen Superkondensatoren zwar nur ein Zehntel der Energiedichte auf, aber zehn- bis hundertfach höhere Leistungsdichten. Sie können damit im Vergleich zu vielen anderen Stromspeichern besonders schnell geladen werden. Deswegen eigenen sie sich ganz besonders für Anwendungen, bei denen in kurzer Zeit hohe Leistungen erforderlich sind. Im Gegensatz zu Akkus können sie etwa 500-mal so oft einen Lade-Entladevorgänge durchlaufen. Kapazität, Leistungs- und Energiedichte von Superkondensatoren werden zudem kontinuierlich weiter entwickelt.

3. Wachstumsmarkt für Superkondensatoren

Zwar handelt es sich noch um eine Nische im Vergleich zu Akkus und Kondensatoren, aber das Wachstum ist immens. Bereits 2024 wird ein Marktvolumen von 3,5 Milliarden US$ [1] prognostiziert, was eine Steigerung um das Vierzehnfache innerhalb von acht Jahren bedeuten würde. Insgesamt gibt es viele Forschungsbereiche im Bezug auf Superkondensatoren, vor allem werden alternative Elektrolytsysteme und neue Elektrodenstrukturen untersucht.

4. Bedeutung für die Energiewende

Superkondensatoren kommt eine zentrale Rolle bei der Energiewende zu, in Folge derer Energiespeicher ganz allgemein immer wichtiger werden. Hinsichtlich seiner Eigenschaften ist der Superkondensator zwischen elektrischen Kondensatoren und Akkus angesiedelt und ermöglicht vor allem Speicherung im Minutenbereich.

5. Vielseitiger Anwendungsbereich von Superkondensatoren

Auch der Anwendungsbereich ist unheimlich vielseitig, von Endverbraucher-Elektronik über Industrielle Elektronik bis hin zur Mobilität, aber auch für Bastler und Tüftler bieten sie eine äußerst attraktive Kombination von Eigenschaften. Noch ist die Technologie kaum bekannt. Aber in Pilotprojekten in Shanghai und Graz gibt es bereits e-Busse, die als Stromspeicher ausschließlich Superkondensatoren verwenden.

Übrigens: Die Begriffe Superkondensator, die englische Version Supcercapacitor (oder auch abgekürzt Supercap) oder elektrochemischer Kondensator bezeichnen alle die gleiche Form von Energiespeichern. Teilweise wird auch die Bezeichnung Ultrakondensatoren benutzt, um heraus zu stellen, dass ein Superkondensator ganz besonders leistungsstark ist. Allerdings sind die Begriffe nicht geschützt und daher als Synonyme für den gleichen Typ Stromspeicher anzusehen.

Funktionsweise von Superkondensatoren

Superkondensatoren – Kraftpakete mit interessantem Innenleben

Zwar ist der grundlegende Aufbau von Superkondensatoren einfach und kann schnell erklärt werden, trotzdem ist die Technik ausgefeilt und innovativ. Die Besonderheit: im Grunde steht die Technik zwischen zwei anderen Arten von Energiespeichern, nämlich elektrischen Kondensatoren und Akkus. Damit eröffnet sie ganz neue Anwendungsbereiche. Einerseits speichern Superkondensatoren Energie elektrostatisch und weisen damit Parallelen zum Kondensator auf. Dabei kommt es zur Ladungstrennung an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode, die so genannte Doppelschicht bildet sich aus. So kommt es bei dieser Form der Energiespeicherung zu keiner chemischen Konversion der beteiligten Stoffe, was wiederum bedeutet, dass im Gegensatz zu vielen Batterien oder Akkus weniger mechanischer Stress an den Bauteilen zehrt. Deswegen weisen Superkondensatoren eine sehr hohe Effizienz auf.

Grundsätzlich sind Superkondensatoren aus zwei Elektroden aufgebaut, die durch einen Separator mechanisch voneinander getrennt werden, durch einen Elektrolyten aber elektrisch verbunden sind. Außerdem sind einzelne Superkondensator Zellen zu einem Modul verschaltet, um eine entsprechend erforderliche Nennspannung zu erreichen. Diese Konfiguration ist die Grundlage des Stromspeichers.

Superkondensatoren speichern Energie in der elektrochemischen Doppelschicht, die sich beim Anlegen einer Spannung an den Kondensator an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode ausbildet. Dabei ergibt sich die Kapazität aus der Summe zweier verschiedener Speicherprinzipien: der Kapazität der Doppelschicht und der so genannten Pseudokapazität, die sich aus den oben bereits erwähnten redoxaktiven Stoffen ergibt. Die elektrische Kapazität ist eine physikalische Größe, die beschreibt, wie sehr sich eine Änderung der elektrischen Ladung in einem System auf das elektrische Potential auswirkt. Kapazität ist also das Verhältnis von Ladung und Spannung. Messtechnisch können diese beiden Arten von Kapazität nicht unterschieden werden, ihnen liegen aber unterschiedliche Ursachen zu Grunde.

Die Rolle von Superkondensatoren in der Energiewende

Die Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen hängt in vielen Fällen von einem schwer prognostizierbaren, stark fluktuierenden Faktor ab: dem Wetter. Durch die Erhöhung des Anteils von erneuerbaren Energien am Energiemix ist so mit einem zusätzlichen Synchronisationsbedarf zwischen Energieerzeugung und Energieverbrauch zu rechnen. Deswegen spielen Stromspeicher eine wichtige Rolle bei der Realisierung der Energiewende.

Elektrochemische Energiespeicher sind eine Option, diesem Synchronisationsbedarf zu entsprechen und Versorgungssicherheit und Netzstabilität zu sichern. Ein zusätzliches Einsatzgebiet für elektrochemische Energiespeicher ergibt sich aus der Elektromobilität. Welche Rolle spielen Superkondensatoren also als Stromspeicher der Zukunft für die Gesellschaft?

Es gibt zahlreiche Anwendungsbereiche im Bezug auf neue Mobilitätskonzepte und Energiespeicher, bei denen Superkondensatoren Hoffnungsträger sind. Im Bereich der Elektromobilität bieten sie sich vor allem zur Rekuperation (die Rückgewinnung der Bremsenergie) von Stadtbussen oder bei der Start-Stop-Automatik von PKWs an. Auch bei schnellladenden Energiespeichern, die z. B. an Photovoltaikanlagen angeschlossen sind, erhofft man sich eine bessere Performance des Gesamtsystems. Superkondensatoren kommt hierbei vor allem die Rolle zu, die Lebensdauer des Gesamtsystems zu erhöhen und Leistungsspitzen aufzunehmen. Inzwischen gibt es auch schon Konzepte, die Supercpacitors für elektrische Rennautos vorsehen.

Anwendung: Superkondensatoren und Elektromobilität

Elektromobilität ist ein interessanter Anwendungsbereich für Lithium-Ionen-Akkus und Superkondensatoren

Obwohl die Akkus in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt wurden, genügen die verfügbaren Lithium-Ionen-Akku Modelle den Anforderungen für die Elektromobilität noch immer nicht vollständig. Eines der größten Probleme ist der nicht-gleichförmige Energieverbrauch, der von häufigen Leistungsänderungen Änderungen während des Fahrzyklus und damit der Entladung des Akkus begleitet wird. Dies ist sehr schädlich für die verbauten Akkus und verkürzt die Lebenszeit beträchtlich. Hier können Superkondensatoren als Puffer ebenfalls einen wichtigen Beitrag leisten. Sie werden als komplementärer Energiespeicher eingesetzt, der vor allem Belastungsspitzen abfängt.

Bei einem solchen Hybrid-Design kann der Supercapacitor sehr schnell und für einen kurzen Zeitraum Energie bereitstellen, wenn das Akkusystem dazu nicht in der Lage ist. Damit kann der Entladungsvorgang des Akkus schonender durchgeführt werden. Allerdings ist die Kopplung dieser beiden Bauteile alles andere als trivial. Zusätzlich zu dem Aufbau der einzelnen Zellen sollte das gesamte Speichersystem so angepasst werden, dass die beiden Komponenten eine einheitliche Energiequelle bilden.

Neben der Automobilindustrie haben sowohl Superkondensatoren als auch Lithium Ionen Akkus vor allem in Kombination das Potenzial, auch in anderen Bereichen konventionelle Verbrennungsmotoren zu ersetzen. Weitere denkbare Anwendungsbereiche sind z. B. Boote oder Straßenbahnen.

Einige praktische Umsetzungen von Superkondensatoren in Nahrverkehrsmitteln gibt es allerdings schon. In Shanghai sind 17 Busse unterwegs, die in 30 Sekunden für acht Kilometer geladen werden können. Die Energiekosten betragen dabei lediglich ein Zehntel derer eines konventionellen Dieselbusses. Auch die Stadt Graz hat inzwischen ein Pilotprojekt für vier neue Elektrobusse gestartet, die dank Superkondensatoren als Energiespeichern besonders schnell aufgeladen werden können [2]. Die Zwischenladung benötigt auch hier lediglich eine halbe Minute, also nicht länger als der Ein- und Aussteigevorgang der Fahrgäste.

Anwendung: Superkondensatoren als Energiespeicher im Stromnetz

Das Stromnetz – ein wichtiger Faktor bei der Energiewende und ein großer Anwendungsbereich für Superkondensatoren

Auch für Übertragungsleitungen sind Superkondensatoren eine interessante Alternative. Aber für eine sichere Stromversorgung müssen auch Variationen in der elektrischen Leistungsanforderung aufgefangen werden. Superkondensatoren können als Energiespeicher zur Verbesserung der Netzqualität, Spannungs- und Frequenzstabilisierung, Verbesserung der Leistungsübertragung eingesetzt werden und so dezentrale Versorgung und Erzeugung erst möglich machen. Auch die schnelle Reaktionsfähigkeit von Superkondensatoren ist gleichzeitig pro Kilowatt weniger kostenintensiv als traditionelle Energiespeicher oder Leistungselektronik [3]. Für kritische Lasten, die nur für sehr kurze Zeit wirksam sind, sind Superkondensatoren deutlich effektiver als beispielsweise Lithium-Ionen-Akkus bei gleichzeitig geringeren Wartungskosten im Verglich zu vielen anderen Stromspeichern. Gleichzeitig können sie auch kurzzeitige Leistungsabfälle ausgleichen. Zudem können sie den Inselbetrieb ermöglichen oder für Mikronetze eingesetzt werden.

Zwar können Spannungseinbrüche vom Netz verursacht werden, in Privathaushalten ist jedoch der Anlaufstrom von Kühlschränken und Klimaanlagen die häufigste Ursache für Spannungseinbrüche. Ähnliche Probleme bestehen auch in der Industrie bezüglich Kompressoren, Motoren usw. Dabei eigenen sich Superkondensatoren bestens als Energiespeicher für den Schutz empfindlicher Geräte gegen Spannungsdurchgang, sowohl für Hausgeräte als auch in der Industrie.

Allerdings haben viele Energiespeicher schon vor Jahrzehnten die Marktreife erreicht und sind folglich weiter optimiert als elektrochemische Kondensatoren. Im Endeffekt werden Entscheidungen für oder gegen Superkondensatoren aus wirtschaftlichen Gründen getroffen, so dass vor allem der Preis stimmen muss. Insofern ist mit einer flächendeckenden Nutzung erst zu rechnen, wenn die Produktionskosten deutlich fallen. So lange werden konventionellere Formen von Stromspeichern bevorzugt werden.

Quellen

  1. Market-Research-Media. Ultracapacitor Market Forecast 2019-2024. 2018; Available from: https://www.marketresearchmedia.com/?p=912.
  2. Graz-Holding-Linien. Vier neue Elektrobusse für Graz. 2016  [cited 2018 14.05.]; Available from: https://www.holding-graz.at/elektrobusse.html