Hochstromkondensatoren

Die Zukunft der Energiespeicher

Hochstromkondensator als verlustfreier Energiespeicher ersetzt herkömmliche Speicher wie z.B. Batterien

Das Abschreckende am Elektroauto ist für viele potentielle Kunden der Preis. Denn vor allem die Batterien sind teuer. Eine neue Untersuchung skizziert das Problem deutlich - prophezeit den Stromern aber trotzdem eine große Zukunft.
Die Batterien bleiben die Schwachstelle der Elektroautos: „Hohe Preise und zu niedrige Reichweiten dürften die Einführung der Technologie noch lange bremsen. Nötig sei ein Technologiesprung. Andernfalls könnten nur staatliche Eingriffe die schnelle Verbreitung der Elektroautos sicherstellen, resümiert die Boston Consulting Group (BCG). Ohne Zuschüsse, Steuervorteile oder andere staatliche Eingriffe werde sich der Markt deutlich langsamer entwickeln. Nach Ansicht der Unternehmensberater werden die Batterien auch in zehn Jahren mit 8.000 bis 10.000 $ noch einen hohen Anteil am Preis eines Elektroautos haben. „Angesichts der höheren Anschaffungskosten werden die Verbraucher genau prüfen, ob sich ein Elektroauto gegenüber einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor überhaupt lohnt", sagte BCG-Geschäftsführer Georg Sticher jüngst bei der Vorstellung der Studie in München.

Auch die Reichweite bleibe ein Problem: Batterien, die dabei mit Verbrennungsmotoren konkurrieren könnten - also eine Fahrt von 500 Kilometern und dann ein Aufladen binnen weniger Minuten ermöglichten - würden in den nächsten zehn Jahren nicht für den Massenmarkt verfügbar sein. Dennoch prognostiziert die Studie ein deutliches Marktwachstum für Autos mit Hybridantrieb oder Elektromotor. Diese beiden Technologien würden 2020 in China, Japan, den USA und Westeuropa einen Anteil von rund 26 Prozent bei den Neuwagen erreichen, erwarten die Unternehmensberater. Dies entspreche rund 14 Millionen Fahrzeugen. Der weltweite Markt für Lithium-Ionen-Batterien werde sein Volumen bis dahin auf rund 25 Mrd. $ verdreifachen. Dabei spielen die staatlichen Förderprogramme laut BCG eine große Rolle.

Diese reichten derzeit bis 7500 $ pro Auto in Frankreich, Deutschland und den USA. Würden sie bis 2020 ausgedehnt, könnte sich der Kauf eines Elektroautos dann schon nach ein bis fünf Jahren amortisieren. Für den Einsatz in der Unterhaltungselektronik wurde die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie bereits weit getrieben. Doch der Bau einer für das Auto geeigneten, leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterie ist weitaus komplexer als für mobile Unterhaltungselektronik. Der Energiespeicher für das Auto muss viel haltbarer sein. Ein Mobiltelefon wird häufig nach rund zwei Jahren ausgetauscht, die Batterie für den Elektromotor im Fahrzeug muss acht bis zehn Jahre halten. Auch die Sicherheitsvorkehrungen sind komplexer. Bei Akkumulatoren in Handys, Notebooks oder MP3-Spielern kommt es immer wieder zu Bränden, die durch einen Kurzschluss im Akku ausgelöst werden. Kein Autohersteller kann sich einen solchen Fehler leisten, denn ein brennender Akku im Auto hat vermutlich schwerwiegendere Folgen als ein in Flammen stehendes Handy.

Als aussichtsreiche Alternative bietet sich der Kondensator als Energiespeicher an. Dieser hat jedoch das Problem, dass die für einen Einsatz als Energiespeicher wirtschaftlich notwendigen Kapazitäten mit den heutigen Entwicklungsansätzen nicht erreicht werden können. So können u.a. die Spannungswerte, die einen befriedigenden Einsatz ermöglichen würden, wegen mangelnden Durchschlagsfestigkeit oder wegen des Herstellungsprinzips nicht erreicht werden.



Das Einsatzfeld „hohe Energien in sehr kurzer Zeit“, kann nur mit schnell ladenden Kondensatoren realisiert werden.

Um die Machbarkeit eines solchen Kondensators zu prüfen,, muss noch einmal die Physik bemüht werden. Die Fähigkeit Energie zu speichern hängt im großen Maße von der Spannungsfestigkeit des Kondensators ab, da in der Kondensatorenformel die Spannung U Quadrat mal C ist. Das bedeutet, die Spannung geht quadratisch in die Energieformel ein. Es muss deshalb ein Kondensator entwickelt werden, der Spannungen um 100 Volt und mehr pro Zelle verträgt. Neben der hohen Spannungsfestigkeit müssen auch sehr hohe Ströme ein- und ausleitbar sein, da der Kondensator auch wieder in einer annehmbarer Zeit aufgeladen werden muss. Heute besteht die Ansicht, dass der Ladevorgang wegen der hohen Ströme und der damit notwendigen, unhandbaren Leitungsquerschnitte nicht in einer kürzeren Zeit als einer halben bis drei viertel Stunde stattfinden kann.

Es sind jedoch durchaus Lösungen für kürzere Ladevorgänge denkbar. An den Tankstellen, an denen die Hochstromkondensatoren der Nutzfahrzeuge geladen werden würden, befinden sich ebenfalls Hochstromkondensatoren, die „langsam“ über das Netz aufgeladen werden. Für die schnelle Übertragung auf die mobilen Kondensatoren im Fahrzeug werden Kabel aus Supraleiter, die mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden und sehr hohe Ströme übertragen können, genutzt. Wegen der Supraleitfähigkeit kann der mobile Kondensator in einigen wenigen Minuten wieder aufgeladen werden. Hierbei wird von einem Kondensator ausgegangen, der in der Baugröße heutigen Bleiakkumulatoren in Kfz entspricht.

Dieser Kondensator muss aktuell mindestens eine Energie speichern, die ein KFZ mit 50kW 80-120km weit fahren lässt. Solch ein Kondensator mit 10-20kWh Kapazität ist geeignet

  • für den stätischen Nahverkehr
  • für kleine Elektromobile
  • für Hybridfahrzeuge, egal ob die Fahrzeuge mit Benzin, LNG, Erdgas, Diesel oder Wasserstoff betrieben werden
  • für reine Batteriefahrzeuge
  • für Brennstoffzellenfahrzeuge

Der Kondensator muß für eine Schnellladung innerhalb von 1 – 2 Minuten geeignet sein und selbstverständlich die Bremsenergie vollständig aufnehmen. Er sollte nicht größer sein als die im Fahrzeug mitgeführte Batterie. Die ideale Kombination wird in der Verbindung mit einem Allstoff-Hybridmotor gesehen, verbunden mit einer kombinierten Kondensator-Batterielösung. Das Fernziel ist der Ersatz der Batterie.

- Der Weg dahin führt über eine mehrfache Oberflächenvergrößerung durch Mikro- und Nanostrukturierung der Elektroden- und Dielektrikums Flächen mittels Femtosekunden- Lasern, die Verwendung von High-K-Dielektrika und die Spannungserhöhung.