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Superkondensatoren boosten die Reaktion

Superkondensatoren supercapacitors

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.“

 

Was ist Energy Harvesting?

Was ist Energy Harvesting?

Die Nutzung unterschiedlichster Technologien trägt zum Stillen des Energiehungers der wachsenden Weltbevölkerung bei. Oberstes Ziel dabei ist die Klimaneutralität. Energy Harvesting ist eine der neuen Möglichkeiten, um beiden miteinander zu vereinen. Aber was ist Energy Harvesting?

Der globale Energiebedarf wird bis 2040 um rund ein Drittel steigen. Das ist das Ergebnis des „Energy Outlook 2019“ des Energiekonzerns BP. Dennoch ist sich Bernard Looney, BP-CEO, sicher: „Klimaneutralität kann bis 2050 erreicht werden. Die entsprechenden CO2-freien Energien und Technologien gibt es schon heute. Aber die Herausforderung besteht darin, sie möglichst schnell und umfänglich zu nutzen. Ich bleibe optimistisch, dass wir dies erreichen können.“

Studie
Energy Outlook 2019: Die wesentlichen Aussagen im Überblick:

 

1. Der globale Energiebedarf steigt bis 2040 um rund ein Drittel, getragen von einer Verbesserung des Lebensstandards, insbesondere in Indien, China und ganz Asien.

2. Der Energieverbrauch von Industrie und bei Gebäuden macht rund 75 Prozent des Bedarfsanstiegs aus. Das Plus im Verkehrssektor verlangsamt sich im Vergleich zur Vergangenheit, da sich die Effizienz der Kraftfahrzeuge erhöht.

3. Auf den Stromsektor entfallen rund 75 Prozent des Anstiegs bei der Primärenergie.

4. Erneuerbare Energien und Erdgas erzeugen 85 Prozent der Energieversorgung, wobei sie bis 2040 zum größten Energieträger bei der weltweiten Stromerzeugung werden.

Was ist Energy Harvesting?

Energy Harvesting bezeichnet die Nutzung von Energie, die in der Umgebung ohnehin vorhanden ist. Wie zum Beispiel Körper- und Wasserbewegungen, Luftströmungen oder Temperaturunterschiede. „Energy-Harvesting-Lösungen bilden die Basis zur Versorgung einer Vielzahl von batterielosen IoT-Applikationen. Diese erleichtern uns im Rahmen der digitalen Transformation in Zukunft unser Leben“, ist sich Dieter Bauernfeind von Elec-Con technology sicher. Das Unternehmen ist an einem Projekt beteiligt, dass für Logistik-Anwendungen ein Energy-Harvesting-Netzteil entwickelt. Das Netzteil generiert Strom aus verschiedenen Bewegungen. Damit können zum Beispiel Sensoren gespeist werden, die die erfassten Daten dann per Funk weitergeben.

Energy-Harvesting-Lösungen können aber nicht nur IoT-Geräte mit Energie versorgen, sondern auch im großen Rahmen Strom produzieren. Davon ist zumindest Professor Dr. Zhong Lin Wang vom US-amerikanischen Georgia Institute of Technology überzeugt. Er hat Nanogeneratoren entwickelt, die aus geringen mechanischen Bewegungen kostengünstig Strom erzeugen. Diese triboelektrischen Nanogeneratoren funktionieren über zwei Materialschichten, die immer wieder miteinander verbunden und voneinander getrennt werden. Dabei bauen sich elektrische Ladungen auf, die zur Stromerzeugung genutzt werden können. Wang kann sich vorstellen, damit auch die Meere als Quelle von erneuerbaren Energien zu nutzen: „Ein Netzwerk aus Nanogeneratoren, das die Wellenbewegungen in elektrische Energie umwandelt, könnte einen nennenswerten Beitrag zur Stromversorgung leisten“, meint er.

Steigende Wirkungsgrade in der Photovoltaik

Noch dominieren bei den erneuerbaren Energien allerdings „Klassiker“ wie Wind- oder Sonnenenergie. Eine Vorreiterrolle nimmt dabei die Nutzung des Sonnenlichts durch Photovoltaik-Solarmodule ein. Hierbei besitzt die kristalline Silizium-Technologie einen Anteil von circa 95 Prozent am Photovoltaik-Weltmarkt. Deren Zellwirkungsgrade liegen heute bei bis zu 22 Prozent. Mit neuen Materialien soll der Wirkungsgrad weiter verbessert werden.

Metallorganischen Perowskiten, eine neue Halbleiterklasse, bewirkten beispielsweise einen Wirkungsgrad von 24,3 Prozent. Zudem versprechen sie eine deutlich günstigere und einfachere Herstellung. Daraus gefertigte Zellen können auch bei der direkten solaren Wasserspaltung zur Gewinnung von Wasserstoff eingesetzt werden.

Hoffnungsträger Wasserstoff

Denn Wasserstoff soll zukünftig die fossilen Brennstoffe großflächig ersetzen. Einsatzgebiete liegen sowohl im industriellen Sektor, als auch im Bereich der Stromveredelung und -speicherung in Verbindung mit Wind- und Solarparks.

Wie das aussehen kann, zeigt unter anderem das Projekt eFarm, das größte Wasserstoff-Mobilitätsprojekt seiner Art in Deutschland. Fünf Elektrolyseure der Firma H-Tec Systems mit jeweils 225 Kilowatt elektrischer Leistung wandeln Strom aus regionalen Bürgerwindparks in Wasserstoff um. Dieser wird an zwei Tankstellen dem öffentlichen Nahverkehr und auch dem Individualverkehr bereitgestellt. Die Abwärme aus dem Elektrolyse-Prozess fließt in die regionale Wärmeversorgung. Diese ganzheitliche Nutzung des Umwandlungsvorgangs ermöglicht einen optimalen Wirkungsgrad von bis zu 95 Prozent.

„Die Nutzung von alternativen Kraftstoffen wie Wasserstoff gewinnt zunehmend an Bedeutung“, so Deutz-CEO Dr. Frank Hiller. Deutz arbeitet mit dem Münchner Unternehmen Keyou zusammen, um CO2-freie Wasserstoffmotoren für den Off- und On-Roadbereich sowie die Energieerzeugung zu bauen. Keyou entwickelt auf Basis von konventionellen Diesel- oder Gasmotoren emissionsfreie Wasserstoffmotoren. Unter anderem mit speziell auf Wasserstoff angepassten Komponenten wie Zündanlage oder Motorsteuergerät.

Was ist Keyou?
Bei dem Keyou-Ansatz handelt es sich um eine Technologie, die bereits mehrfach ausgezeichnet wurde. So zuletzt mit dem SET100-Award. Diese Auszeichnung prämiert jährlich die 100 zukunftsweisendsten und innovativsten Start-Ups weltweit, die mit ihren Technologien, Lösungen und Ideen „die Welt revolutionieren können“. Nachzulesen in der offiziellen Jury-Begründung der SET100-Initiative (eine emission-free technology Initiative u.a. vom World Energy Council, Deutsche Energie-Agentur, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie).

Die Technologie ist deutlich kostengünstiger als bei Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen. Zudem kommen Wasserstoffmotoren ohne seltene Rohstoffe aus. Thomas Korn, CEO und Mitgründer von Keyou: „Die Nachfrage von Herstellerseite an dem Thema Wasserstoffmotor ist enorm groß. Selbst aus dem Schienensektor oder dem maritimen Bereich erreichen uns zahlreiche Anfragen.“

Der Sonne nachempfunden

Wasserstoff spielt auch bei einer Technologie eine wesentliche Rolle, die die größte Revolution in der Energieversorgung verspricht: Kernfusion. Eine Weltbevölkerung von bald zehn Milliarden Menschen braucht kontinuierlich gewaltige Mengen Energie. Eine solche Menge können fluktuierende Wind- und Solarkraft samt ihrer Speichertechnologien nicht allein bereitstellen können. Bei der Kernfusion werden bei über 100 Millionen Grad Celsius Wasserstoff-Atome zu Helium verschmolzen. Die dabei entstehende Energie kann zur Stromerzeugung genutzt werden. Die Machbarkeit soll mit 500 Megawatt Fusionsleistung der internationale Experimentalreaktor ITER zeigen, der zurzeit in weltweiter Zusammenarbeit in Cadarache in Frankreich entsteht.