ENERGIEFORSCHUNG 27. Jun 2019, 14:57 Uhr Manfred Schulze

Forschungsflaute bei Superkondensatoren

Die Möglichkeit, elektrische Energie in Kondensatoren zu speichern, ist in den letzten Jahren durch die Fokussierung auf Batterien stark in den Hintergrund gedrängt worden. Völlig zu Unrecht, behaupten die Hersteller – und erhalten dafür Unterstützung aus der Forschung.

In Pressemeldungen von Unternehmen wie der Eaton-Tochter Cooper Bussmann oder den jungen Technologiespezialisten wie Nesscap oder Skeleton überschlagen sich die Erfolgsmeldungen, wenn es um die sogenannten Super- oder Ultracaps geht. Diese Hochleistungskondensatoren stecken seit Jahren bereits in Elektronikgeräten und Werkzeugen, aber auch in Windkraftanlagen, um als Kurzzeitpuffer bei der Spannungsstabilisierung zu helfen.

Danach sei es gelungen, die Energiedichte der Speicher deutlich zu verbessern. Eine wichtige Nachricht, denn bislang ist diese um den Faktor 20 und mehr geringer als die von Lithium-Ionen-Batterien. Zudem ermöglichen graphenbasierte Doppelschichtkondensatoren deutlich höhere Stromflüsse und vertragen eine sehr große Zahl von Ladezyklen. Diese neueren Entwicklungen machen die Ultracaps wirklich zu einer Alternative zu Batterien bei einer Vielzahl von Anwendungen.

Doch noch sprechen Preise und tatsächliche Leistungsdichte deutlich für die Batterievariante, auch wenn die Ultracaps schon bei Bussen und Bahnen erprobt werden. Abgesehen von solchen Anwendungen, wie sie das Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme (IVI) in Dresden für interessant ansieht, tut sich in der eigentlichen Grundlagenforschung wenig in Mitteleuropa.

Dabei ist das Thema Energiespeicher eines der Kernthemen bei der Fraunhofer-Gesellschaft, die damit gleich mindestens ein halbes Dutzend Institute beschäftigt. Auch werden praktisch an jeder technischen Universität des Landes mittlerweile neue Batterietechnologien untersucht oder die Prozesse der chemischen Energiewandlung wie in Brennstoffzellen erforscht.

Nur bei den Kondensatoren mutete die ansonsten dichte Forschungslandschaft eher wie eine Steppe an. Am Schweizer Paul Scherrer Institut (PSI), wo es noch vor wenigen Jahren einen solchen Forschungsbereich gab, ist inzwischen der Fokus auf Power-to-gas-Technologien neu ausgerichtet worden. Der Leiter des Themas Ultracaps ist im Ruhestand – ohne Nachfolger für dieses Gebiet.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) kann nur ein einziges Projekt nennen, an dem mit Drittmitteln überhaupt an diesem Thema gearbeitet wird. An der RWTH Aachen erforscht eine Arbeitsgruppe unter Dirk Uwe Sauer kohlenstoffbasierte Doppelschichtkondensatoren und ihre chemischen Veränderungen beim Gebrauch.

„Wir haben in den letzten Jahren einen stagnierenden Markt beim Einsatz von Ultracaps gesehen, was dem aktuellen Stand von Leistung und Kosten entspricht“, berichtet der Forscher, der an der RWTH den Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik innehat.

Bislang bringt zum Beispiel ein Kondensator, der mit 2 kWh und einer Energiedichte von 5 Wh/kg kurze Anfahrprozesse in schweren Fahrzeugen unterstützen kann, inklusive Gehäuse rund 400 kg auf die Waage. Das schont zwar die Batterie, die mit den hohen Stromflüssen Probleme hat, ist aber bislang noch weit von der wirtschaftlichen Einsatzfähigkeit entfernt. Also sucht die Branche nach neuen Materialien (s. Artikel oben). Welche Auswirkungen neue Materialien und höhere Spannungen aber auf die Lebensdauer der Ultracaps haben, ist derzeit noch ungeklärt, darauf verweist auch Dirk Uwe Sauer.

Moritz Teubner, der zurzeit an der RWTH zum Thema Supercaps an seiner Dissertation arbeitet, sieht den Weg vergrößerter Oberflächen bei den genutzten Graphenvarianten als vielversprechend an. Daran werde in vielen Labors weltweit intensiv gearbeitet, berichtet er. Entscheidend bleibe aber, wie hoch der Fertigungsaufwand sei und wie sich das neue Material im Langzeiteinsatz bewähre. „Darüber wissen wir allerdings noch nichts Belastbares“, sagt er.

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