Superkondensatoren können sehr schnell große Energiemengen speichern und ebenso schnell wieder abgeben. Damit können sie fluktuierende Energiequellen sehr dynamisch austarieren und werden so zu einem elementaren Bestandteil nachhaltiger Energiesysteme.
Um fossile Brennstoffe effektiv zu ersetzen, werden Energiespeicher benötigt. Diese müssen nicht nur riesige Mengen an Energie speichern, sondern diese auch schnell wieder abgeben können. Denn durch den zunehmenden Anteil an regenerativen Energien entstehen Schwankungen im Netz. Diese müssen in Sekundenschnelle ausgeglichen werden müssen, um die Stromversorgung stabil zu halten.
Eine vielversprechende Lösung ist dabei eine Kombination aus Batterie und Kondensator. Solche hybriden Superkondensatoren können ähnlich schnell geladen und entladen werden wie ein Kondensator. Und dabei annähernd so viel Energie speichern wie herkömmliche Batterien. Zusätzlich können sie deutlich schneller und viel häufiger geladen und entladen werden. Während eine Lithium-Ionen-Batterie eine Lebensdauer von wenigen tausend Zyklen erreicht, schafft ein Superkondensator rund eine Million Ladezyklen. Einsatz finden sie schon heute häufig in Smartphones, Laptops, elektronischen Geräten und Elektrofahrzeugen. Mit der Energiewende werden Superkondensatoren – insbesondere solche, die mit umweltfreundlichen Materialien und Prozessen hergestellt werden – nun auch zu einem wichtigen Teil nachhaltiger Energiesysteme.
Vorteile zweier Systeme kombiniert
Ein solches extrem leistungsfähiges, nachhaltiges und kostengünstiges Hybridsystem ist das Entwicklungsziel des europäischen Forschungsprojekts HyFlow, in dem elf Partner aus Deutschland, Italien, Spanien, Tschechien, Österreich, Portugal und Russland unter Koordination der Hochschule Landshut zusammenarbeiten. Die Forscher wollen dabei eine Hochleistungs-Vanadium-Redox-Flow-Batterie und einen Superkondensator kombinieren. „Eine Redox-Flow-Batterie besitzt eine große Speicherkapazität, lässt sich aber nur langsam auf- und entladen. Der Superkondensator hingegen verfügt über kurze Ladezeiten bei geringer Energiedichte. Durch die Hybridisierung soll ein Energiespeichersystem entstehen, das die Vorteile beider Systeme kombiniert: hohe Speicherkapazität und hohe Leistung“, so Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger, wissenschaftlicher Leiter des Technologiezentrums Energie der Hochschule Landshut, der das Projekt koordiniert. Der Superkondensator soll dabei das Netz mit einer Entladeleistung im Megawattbereich stützen. So ist das geplante Speichersystem künftig in der Lage, bei kritischen Netzzuständen, zum Beispiel bei hohen Last- oder Erzeugungsspitzen, den Strom- und Energiebedarf flexibel auszugleichen, ob über Sekunden oder gar Tage hinweg.
Hocheffizient mit Graphen
Ein Problem der Superkondensatoren war bislang ihre geringe Energiedichte. Während Lithium-Ionen-Akkumulatoren eine Energiedichte von bis zu 265 Wattstunden pro Kilogramm erreichen, liefern bisherige Superkondensatoren lediglich ein Zehntel davon. Nun hat ein Team der TU München ein neuartiges, leistungsfähiges und dabei nachhaltiges Graphen-Hybridmaterial für Superkondensatoren entwickelt. Es dient als positive Elektrode im Energiespeicher. Die Forscher kombinierten es mit einer schon bewährten, auf Titan und Kohlenstoff basierenden negativen Elektrode. Der neue Energiespeicher erzielt damit nicht nur eine Energiedichte von bis zu 73 Wattstunden pro Kilogramm, was in etwa der Energiedichte eines Nickel-Metallhydrid Akkus entspricht, sondern leistet mit seiner Leistungsdichte von 16 Kilowatt pro Kilogramm auch deutlich mehr als die meisten anderen Superkondensatoren.
System aus Kohlenstoff und Salzwasser
Eine besonders nachhaltige, bislang aber recht unerforschte Variante eines hybriden Superkondensators wird aktuell von Forschern der TU Graz näher untersucht: „Das von uns eingehend betrachtete System besteht aus nanoporösen Kohlenstoffelektroden und einem wässrigen Natriumiodid-Elektrolyten, sprich aus Salzwasser. Damit ist dieses System besonders umweltfreundlich, kostengünstig, unbrennbar und einfach zu recyceln“, führt Christian Prehal aus. Er ist Erstautor der Studie und kürzlich vom Institut für Chemische Technologie für Materialien der TU Graz an die ETH Zürich gewechselt. Das Verständnis der Vorgänge in diesen Superkondensatoren eröffnet Wege zu hybriden Superkondensatoren mit deutlich höherer Energiedichte bei sehr schnellen Lade- und Entladevorgängen. Vor allem für die Speicherung von beispielsweise Energie aus Photovoltaik in privaten Haushalten könnten sie eine attraktive Option sein.
Preiswertes Polymermaterial
Auf Basis eines Materials namens Polyanilin entwickelte das Advanced Technology Institute der Universität Surrey einen Superkondensator. Dieses billige Polymermaterial speichert Ladung, indem es Ionen innerhalb der Elektrode einfängt. Dies geschieht durch den Austausch von Elektronen mit dem Ion, das das Material „dotiert“. Ash Stott, leitender Wissenschaftler des Projekts und Doktorand an der University of Surrey: „Superkondensatoren haben sich bereits als eine der führenden Technologien für die kurzzeitige Speicherung sowie für die Lieferung hoher Leistung erwiesen. Mit unserer Arbeit haben wir eine Grundlage für Geräte mit hoher Energie geschaffen, die auch mit hoher Leistung arbeiten, was den Bereich der möglichen Anwendungen effektiv erweitert.“
