SuperCaps Kondensator Speicher

SuperCaps (Kondensator-Speicher)

Bereits 1992 melden US-Firmen die Entwicklung neuartiger Super-Kondensatoren, deren Kapazität rund 100.000 mal höher liegt als bei herkömmlichen Kondensatoren. Ein Doppelschicht-Kondensator, wie er auf deutsch genannt wird, besteht aus zwei Elektroden mit großer Grundfläche, die in eine dünne Elektrolytschicht eingetaucht sind. Man lädt einen derartigen Superkondensator, indem man eine Spannung anlegt, worauf sich an den Elektroden mehrere Moleküllagen geladener Ionen sammeln. Dabei handelt es sich allerdings um ein elektrostatisches Prinzip und nicht um einen chemischen Vorgang.

Ursprünglich sollen diese Bauteile dazu dienen, hohe Spannungen für satellitengestützte Laserkanonen des SDI-Projektes zur Verfügung zu stellen. Diese Kondensatoren sollen nun Elektroautos jene Stromspitzen liefern, die beim Anfahren oder starken Beschleunigen nötig sind – wodurch die Batterielebensdauer um das 400fache verlängert wird. Die im kalifornischen Los Gatos entwickelten Bauteile bestehen aus einer Art metallischen Schwamms, dessen Oberfläche bei gleichem Volumen viel größer ist als die bei herkömmlichen Kondensatoren aus Metallfolien.

Diese modernen Kondensatoren eigenen sich aber auch für die Speicherung von elektrischem Strom. Ihre Energiedichte wird mit 5 – 20 kWs/kg angegeben, und es sind Leistungen bis 10 kW erreichbar. Die Lebensdauer-Zyklenzahl beträgt ca. 1 Million und die Energieeffizienz liegt bei rund 95 %. Die Kosten belaufen sich auf 10 – 20 T€/kWh Speicherkapazität.

Die SuperCaps können binnen drei bis fünf Minuten geladen werden und liefern während kurzer Zeit auch sehr viel Energie. Anders als bei einer herkömmlichen Batterie kommen hier keine chemischen Vorgänge zum Einsatz, sondern rein physikalische. Das verhindert auch jeden Abnutzungserscheinungen, wie man sie von herkömmlichen Akkus kennt. Herzstück der von Maxwell Technologies entwickelten SuperCaps ist eine Elektrode aus Aluminium. Darauf aufgebracht ist eine Schicht aus aktiviertem Kohlestoffpulver. Wird eine Spannung an die Elektroden angelegt, haften die elektrischen Ladungen daran und bleiben – weil sie sich gegenseitig anziehen – eine Zeit lang dort gespeichert, auch wenn die Stromquelle abgenommen wird. Je kleiner der Abstand zwischen den Elektroden ist, und je größer deren Oberfläche, desto mehr Ladung kann gespeichert werden. Das Kohlestoffpulver auf einem einzigen SuperCap-Wickel hat eine Oberfläche von rund 130 Fußballfeldern.

Obwohl für den Betrieb eines Busses in Luzern fast 1.000 SuperCaps nötig sind, um genügend Energie für die Fahrt vom Verkehrshaus zum Bahnhof zu tanken, ist das Gesamtgewicht wesentlich kleiner als bei einem batteriebetriebenen Fahrzeug. Außerdem gehen SuperCaps nicht kaputt und ihre Zyklenzahl liegt bei zwei Millionen! In Luzern versorgt eine spezielle Testtankstelle die SuperCaps mit Energie. Das Laden geschieht ohne direkte Berührung per magnetischer Induktion (Stand 2004).

Daß SuperCaps besonders viel Energie speichern können, liegt an der großen Fläche der Elektroden (etwa aus Aktivkohle) und deren geringen Abstand im Nanometerbereich, was wie kleine Kanäle wirkt. Bisher war man allerdings der Meinung, daß es eine prinzipielle Grenze gibt: Wenn man annimmt, daß sich die Ionen vor der Oberfläche sammeln sollen, dürften die kleinen Kanäle eigentlich nicht kleiner sein als die Ionen selbst, vor allem, da diese aufgrund ihrer Ladung normalerweise auch noch von weiteren Molekülen umgeben sind, ihrer Lösungswolke.

Forscher aus den USA und Frankreich berichten jedoch im August 2006, daß es mit einem speziellen Verfahren gelungen sei, Kohlenstoffelektroden zu erzeugen, die Poren von nur 0,6 Nanometern Durchmesser enthielten. Als sie die Speicherfähigkeiten damit aufgebauter Doppelschicht-Kondensatoren untersuchten, zeigte sich, daß das veränderte Material nicht (wie zunächst vermutet) unnütz war, sondern daß es sogar 50 % mehr Ladung speicherte als das Standard-Material. Die Forscher vermuten, daß die Lösungswolke jedes Ions stark verzerrt wird, und das Ion dann trotzdem in die Poren paßt.

Ein Forscherteam vom CNRS Research Centre on Divided Matter in Orléans findet heraus, daß sich aus Algen qualitativ gute und günstige SuperCaps herstellen lassen, die Materialien erfordern, die extrem rein sein müssen, eine lange Lebensdauer haben und hohe Energiedichten aufweisen. Ebenfalls im August 2006 präsentieren sie Ladungsspeicher aus dem Ausgangsmaterial Alginat – einer zelluloseähnlichen Verbindung aus Braunalgen – die große Energiemengen besonders schnell freisetzen können. Zur Herstellung der Kondensatoren wird das Alginat unter Sauerstoffausschluß auf 600°C erhitzt, und die Überreste mit Salzsäure und Wasser gewaschen, wodurch ein sauberes Pulver entsteht, das mit einem Bindemittel vermischt, erhitzt und in ein breites Elektrodenband gepreßt wird. Dieses Band kann aufgerollt und in die gewünschte Form gebracht werden, um die Algenkondensatoren beliebig in Fahrzeughohlräume einzubauen. Außerdem wiegen sie nur etwa halb so viel wie gleich große Batterien. Die Prototypen haben Energiedichten von 15 bis 16 Wh/kg und liegen damit fast dreimal so hoch wie die Konkurrenzmodelle aus aktiviertem Kohlenstoff. Auch nach über 10.000 Lade- und Entladezyklen verlieren sie nur vergleichsweise wenig ihrer Kapazität. Das Unternehmen SGL Carbon, Kooperationspartner der französischen Forscher, will das neue Verfahren zur Marktreife bringen. Man geht davon aus, daß Superkondensatoren aus Algen in drei Jahren getestet werden können und in etwa zehn Jahren auf den Markt kommen.

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