Energiespeicher der Namendo Solutions AG

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 kann die Energie speichern, die ein Kfz mit 50 KW einige hundert km weit bewegen kann.
Hochstromkondensatoren mit solchen Eigenschaften können heute von traditionellen Kondensatorenherstellern noch nicht hergestellt werden.


Dem technische Lösungsansatz für die Herstellung eines solchen Kondensators, liegen folgende Überlegungen zugrunde:

Bei den frühen Plattenkondensatoren wurden zwei Kupferplatten mit einer zwischen-gelagerten Glimmerschicht aufgeladen. Dabei werden Elektronen von der einen Platte zur anderen geschafft und es entstanden je eine positiv und eine negativ geladene Platte. Später hat man Folien aus Polymeren - also Kunststoffen - entwickelt, die als Dielektrikum verwendet wurden.

Bei der nun folgenden Entwicklung des Elektrolytkondensators verwendete man Aluminium, welches auf der Oberfläche oxydiert wurde, bekannt als „Eloxal“. Eine Platte besteht aus Aluminium, das Dielektrikum ist das Aluminiumoxyd und die andere Platte ein Elektrolyt, also eine Flüssigkeit. So kann man den Kondensator wickeln und eine sehr kompakte Bauform mit relativ hoher Kapazität erreichen. Für größere Energiespeicher mit den gewünschten Kapazitäten reicht dies jedoch nicht aus. Dies hat physikalische Ursachen, denn will man Elektronen auf ein Material speichern, kann man um so mehr Elektronen speichern, je höher das Atomgewicht des Materials ist. Aluminium ist im Periodensystem nicht sehr weit oben, hat deshalb ein relativ geringes Atomgewicht und damit auch eine geringe Fähigkeit, Elektronen zu speichern.

Der nächste Schritt war Tantal mit einem hohen Atomgewicht, jedoch mit dem Nachteil einer gegenüber Aluminium relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit. Man hat also Tantal schwammartig strukturiert, die damit sehr große Oberfläche oydiert, das Tantalpentoxyd als Dielektrikum genutzt und noch ein Elektrolyt dazugegeben.

Um Kondensatoren als Energiespeicher einsetzen zu können, müssen jedoch noch sehr viel höhere Kapazitäten erreicht werden. In Japan hat man deshalb Versuche mit Gold gemacht, da Gold im Atomgewicht weit oben ist und auch eine gute Leitfähigkeit besitzt. Es wurden auch sehr hohe Kapazitäten erreicht. Das Problem dabei ist, dass aus einsichtigen Gründen Politik und Bankwesen es nicht erlauben, Gold für Kondensatoren zu verbrauchen, da die Stückzahlen für Kondensatoren durch den Fortschritt der Elektronik ins Unüberschaubare gewachsen sind.

Wegen der Verfügbar und des Atomgewichtes zog man auch Blei als Material in Betracht. Blei hat das höchste Atomgewicht, das man verarbeiten kann, darüber liegen nur Uran und die Transurane, mit denen man nicht arbeiten will. Blei hat aber genau den gleichen Nachteil wie Tantal, nämlich die geringe Leitfähigkeit, was bedeutet, dass man keine hohen Ströme herausleiten kann. Deshalb führten auch die Versuche mit Blei, bei denen ein schwammartiges Gebilde mit sehr großer Oberfläche hergestellt wurde, nicht zum gewünschten Ergebnis. Diese „Schwammstruktur“ stellt für die Elektronen, die aus dem Elektrlyten herauskommen, einen sehr weiten Weg zur Anschlußstelle dar. Hohe Ströme sind also auch hier nicht möglich.


Supercaps / Doppelschicht-Kondensatoren

Supercaps bzw. Doppelschicht-Kondensatoren sind Speicherkondensatoren mit höchsten Kapazitäten im Faradbereich. Sie können unter anderem Batteriefunktion übernehmen, erlauben kurzfristig die Entnahme wesentlich höherer Ströme und sind zudem wartungsfrei.

Der technische Aufbau eines Doppelschicht-Kondensators kann vereinfacht als Plattenkondensator verstanden werden, bei dem es darauf ankommt, die Elektroden mit größter Oberfläche auszulegen. Dafür ist aktivierte Kohle bestens geeignet, da sie Kapazitäten von bis zu 100 F/g bezogen auf die Aktivmasse einer Elektrode erlaubt.

Als Elektrolyt, das sich als leitende Flüssigkeit zwischen den Elektroden befindet, wird in wässrigem oder organischem Lösungsmittel gelöstes Leitsalz eingesetzt, das Spannungen von 2 V (in Spezialfällen bis zu 3 V) anzulegen gestattet.

Die eigentliche Doppelschicht besteht aus Ionen, die sich bei Anlegen einer Spannung ihrer umgekehrten Polung entsprechend an die positive bzw. negative Elektrode anketten und ein Dielektrikum von nur wenigen Angström bilden. Nach der Kondensatorformel ergibt sich mit der Dielektrizitätskonstante der Doppelschicht in der Größenordnung von 10 und der äußerst geringen Stärke des Dielektrikums eine sehr hohe Kapazitätsausbeute. Die Spannungsfestigkeit beträgt jedoch nur wenige Volt je Zelle. Diese Tatsache zwingt, um höhere Spannungen zu erreichen, zur Kaskadierung von Kondensatorenzellen mit gewissen Nachteilen. Zur Energiespeicherung hoher Kapazitäten und einer kontinuierlichen „schnellen“ Umladung sind deshalb auch Supercaps nicht uneingeschränkt geeignet.


Als Lösung auf dem Weg zum Hochstromkondensator bleibt nach diesen kurzen Betrachtungen momentan nur ein Weg: die deutliche Vergrösserung der Oberfläche einer Bleifolie, wobei der Innenwiderstand sinkt.

Die Oberfläche von Blei zu vergrössern, stellt jedoch bis jetzt ein Problem dar. Auf mechanischem Wege ist die Oberflächenvergrößerung sehr schwer, da Blei sehr weich und deshalb mechanisch kaum zu strukturieren ist. Härtere Materialien als Blei können mit Kugelsandstrahlern aufgerauht werden. Dieses Verfahren ist bei Blei jedoch nicht möglich, da die Kugeln im Blei stecken bleiben würden. Auch auf chemischen Wege kennt man bisher keine Möglichkeit, Bleioberflächen wirtschaftlich aufzurauhen.

Es bleibt weltweit nur das Verfahren Bleifolien mit einer sehr großen, nanometerstrukturierten Oberfläche herzustellen. Es lässt sich zusammenfassend feststellen, dass immer dann, wenn Energiegewinnung und Energieverbrauch nicht zum gleichen Zeitpunkt stattfindet, die Anwendung eines Höchstleistungskondensator als nahezu verlustfreier Energiespeicher die optimale Lösung ist.


Der Energiespeicher der Zukunft ersetzt die Batterie

Schnell aufgeladen mit einem noch nicht dagewesenen Speichervermögen.

Die Kaltlaser-Technologie ist auch auf diesem Feld vorteilhaft einzusetzen. Z.B. durch die Herstellung von nm-strukturierten Oberflächen. die für die Produktion von Hochstrom-Bleisuperkondensatoren benötigt werden. Diese können sehr viel Elektroenergie spei¬chern und gleichzeitig hohe elektrische Ströme verkraften. Dadurch kann intermetierend erzeugte Elektroenergien (Elektromotoren die zum Bremsen als Generatoren geschaltet werden, Photovoltaiganlagen, Windkraftwerke usw.)

effizient genutzt werden. Das bedeutet auch, dass Generatoren (z.B. Brennstoffzellen) immer im optimalen Betrieb arbeiten können, ohne auf den momentanen Bedarf achten zu müssen. Bei Solarzellen können durch die Kaltlaser-Technologie mehrere Maßnahmen (deren Beschreibung den Rahmen dieses Dokuments sprengen würde) zur deutlichen Effizienz-steigerung realisiert werden. Das gleiche trifft auf die Brennstoffzellentechnologie zu.


Aussagen zu Hochstromkondensatoren

Die Elektroenergie ist die wichtigste, da flexibelste, externe Energie der Menschheit. Sie kann auf verschiedene Art und Weise hergestellt werden. Dabei fällt oft der Zeitpunkt der Erzeugung nicht mit dem Zeitpunkt des Bedarfs zusammen. Die Möglichkeit der Speicherung der Energie ist deshalb eine Unabdingbarkeit. Bei den Speicherverfahren wird in der Regel die Elektroenergie in eine andere Energie überführt und später wieder in die elektrische zurückverwandelt. Als Beispiele dafür sollen hier einige Möglichkeiten aufgezeigt werden:

Potentielle Energie → Pumpspeicherwerke, Druckgasbehälter.
Kinetische Energie → Schnelllaufende Kreisel (Schwungmassen, –räder)
Chemische Energie → Akkumulatoren

Die Umwandlung von einer in die andere Energieform ist immer verlustbehaftet. Das trifft aber nicht in dem Maße auf die Direktspeicherung der Elektroenergie zu, welche in einem Kondensator erfolgen kann.
Kondensatoren werden als Energiespeicher in vielfältiger Form in der Elektrotechnik/-Elektronik eingesetzt. Sie werden insbesondere, wegen ihres geringen Innenwidertandes, als gute Stromquellen geschätzt.
Derzeitige Speicher sind unbefriedigend. Der Blei-Hochstromkondensator ist das Medium der Zukunft.

Die aktuelle Forschung bei Leistungskondensatoren laufen zurzeit in Richtung so genannter Super Caps. Das sind Doppelschichtkondensatoren. Sie stellen einen Zwitter zwischen Akkumulatoren und Kondensatoren dar. Sie erreichen hohe Kapazitätswerte (Farad), aber haben den ungeheuren Nachteil der geringen Spannungsfestigkeit von nur ca. 2,5 Volt.

Um aber hohe Energiewerte zu speichern, braucht man neben der Kapazität auch einen hohen Spannungswert. Als Beispiel sei hier die Kraftfahrzeugtechnik angeführt. Autarke Antriebssysteme mit Elektromotoren (z.B. Automobile), werden in Zukunft mit ca. 90 V betrieben. Das macht sich erforderlich, da für den Antrieb hohe Leistungen erforderlich sind. Leistung ist aber Spannung mal Strom [N = U·I]. Hohe Ströme verlangen große Kabelquerschnitte, was zu einem hohen Gewicht führt. Daher sind große Spannungen von Vorteil. Um 90 V Spannungsfestigkeiten zu erreichen, ist die Reihenschaltung von einzelnen Super Caps notwendig. Ein Anwendungsbeispiel aus der Literatur für 42 V sieht die Reihenschaltung von 18 solcher Zellen vor, die über eine aufwendige elektronische Regelung verbunden sein müssen. Denn wenn eine Zelle ausfällt, würde sonst das gesamte System zerstört werden.

Blei-Hochstromkondensatoren

Mit Bleikondensatoren kann man sehr hohe Spannungsfestigkeiten erreichen. Blei (Pb) ist, wegen seines hohen Atomgewichtes, das Metall mit der höchsten Elektronenspeicherdichte mit dem man noch recht unbedenklich arbeiten kann. Blei hat aber eine geringe elektrische Leitfähigkeit. Deshalb wendet man bei den Bleikondensatoren eine ähnliche Technologie an, wie bei den Ta-Elektro¬lytkondensatoren (Bildung eines porösen Metallmonolithen) mit mäßigem Erfolg für die Stromausbeute.
Dieser Nachteil tritt nicht bei gewickelten Kondensatoren auf. Hierfür müsste man die Oberfläche der Bleifolien (Elektroden) entscheidend vergrößern. Übliche Methoden zur Oberflächenvergrößerung bei Metallen versagen aber bei Blei. Hier setzt unsere einzigartige Technologie an.

Nach Aussage von einem der drei bekannten Entwicklungsteams, für das ich erste Proben geliefert habe, ist mit unserer Technologie hier ein entscheidender Durchbruch bei der Leistungssteigerung zu erwarten.

Kondensatoren liefern hohe Kurzschlussströme, vertragen aber auch hohe Ladeströme, ohne wie Akkumulatoren dabei sich thermisch zu zerstören. Deshalb sehen wir ein sehr großes Anwendungspotential in der automobilen Technik mit Elektromotoren, da hier die Bremsenergie in elektrische Energie zurückgewonnen werden kann, um dann in Kondensatoren gespeichert zu werden. Diese Kondensatoren können beispielsweise in den Schwellern untergebracht werden.
Andere Anwendungsfelder sind bekannt. Solche Kondensatoren werden gebraucht, vor allem dort, wo große Ströme gefordert werden. Weitere Anwendungsfelder in diesem Dokument aufzuzählen, würde den Rahmen der Arbeit sprengen.
Noch etwas zu Baugrößen: Pb-Kondensatoren werden, bei gleicher Kapazität, gegenüber Doppelschichtkondensatoren ein rund 3- bis 6-Fach größeres Volumen einnehmen. Betrachtet man hingegen aber die gespeicherte Leistung (N=C∙U2), dann benötigt der Pb-Kondensator nur ½ bis ¼ des Volumens, je nach Spannungsfestigkeit.