Warum sind Ultrakondensatoren für die E-Mobilität interessant?

Ultrakondensatoren können innerhalb kürzester Zeit viel mehr Leistung liefern als Lithium-Ionen-Akkus – ohne, dass ihre Lebensdauer leidet. Die Speichertechnik könnte die Elektromobilität voranbringen. 

×

Als Alternative zu Batterien steht für die Speicherung elektrischer Energie auch die Kondensatortechnologie zur Verfügung. Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, auch Ultrakondensatoren (Ultracaps) beziehungsweise Superkondensatoren (Supercaps), die eine Weiterentwicklung der Doppelschichtkondensatoren sind, gehören systematisch gesehen zur Gruppe der Kondensatoren. "Aufgrund ihres Aufbaus mit porösen Elektroden und gelösten Ionen in einem organischen Elektrolyten werden sie – in Analogie zum Aufbau von Batterien – oftmals aber auch den elektrochemischen Energiespeichern zugerechnet", erklären Wissenschaftler der RWTH Aachen im Artikel Superkondensatoren – elektrochemische Doppelschichtkondensatoren aus der MTZ 2/2013.

Die Entwicklung von Ultrakondensatoren, die für den Einsatz in Fahrzeugantrieben geeignet sind, begann etwa 1990, wie Springer-Autor Andrew F. Burke im Kapitel Energy Storage: Ultracapacitor des Buchs Transportation Technologies for Sustainability erklärt. Ultrakondensatoren sind interessante Energiespeicher für alle Anwendungen, bei denen eine hohe Leistung und große Zyklenzahl gefordert sind. Sie können einen sofortigen Energieschub liefern und millionenfach geladen und entladen werden, was sie zu einer perfekten Ergänzung zu Batterien macht, wie der Beitrag Ultracapacitors Still Showing Promise aus dem Hansen Report 7/2014 beschreibt. 

Hohe Stromlieferfähigkeit und Unempfindlichkeit gegen Zyklisierung

Ultrakondensatoren eignen sich gut für die Stromversorgung von Start-Stopp-Anwendungen, führt der Hansen Report weiter aus, insbesondere wenn schnelle Neustarts erforderlich seien, und für die Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung des Fahrzeugs, da häufige Neustarts die Batterie entladen können. Elektrische Turbolader, die häufige Stromstöße benötigen, seien eine weitere vielversprechende Anwendung, ebenso wie die Bremsenrekuperation, da Ultrakondensatoren schnell große Stromstöße aufnehmen können.

Ein weiterer Vorteil: Ultrakondensatoren enthalten weder seltene Metalle wie Kobalt noch Alkalimetalle wie Lithium. Die Elektroden von Ultrakondensatoren bestehen aus Aktivkohle. Auch in der Herstellung werden für Ultrakondensatoren weniger umweltschädliche Materialien eingesetzt. Das Recycling dieser Energiespeicher ist auch sehr einfach. "Die einzigen anfallenden Rohstoffe sind Kohlenstoff und Aluminium, für die klare Recyclinglösungen existieren. Ein weiterer Vorteil von Ultrakondensatoren ist, dass sie nicht explodieren, wenn sie in einen Unfall verwickelt sind, und, anders als Lithium-Ionen-Akkus, komplett entladen werden können, ohne Schaden zu nehmen", erklärt Sebastian Pohlmann, verantwortlich für den Bereich strategische Innovation bei Skeleton Technologies, im Interview "Der Weg zu langlebigen und leistungsfähigeren Batteriesystemen" aus der ATZelektonik 10/2020.

Nachteil Energiedichte

Einen Nachteil haben Ultrakondensatoren aber: die Energiedichte. "Mit nur etwa 7 bis 8 Wh/kg liegt die Energiedichte von Ultrakondensatoren bis zu 30 Mal niedriger als die von Batterien", so Skeleton-Experte Pohlmann. Batterien bieten hingegen eine wesentlich höhere Energiedichte und sind in der Lage, Energie über einen längeren Zeitraum zu liefern. Ihre Fähigkeit Energie zu speichern, verschlechtert sich aber im Laufe der Zeit durch den Lade- und Entladevorgang. Skeleton hat es nach eigenen Angaben geschafft, mit "gekrümmten Graphen" die doppelte Energiedichte heutiger Ultrakondensatoren zu erreichen.

Allerdings werden Ultrakondensatoren in puncto Energiedichte nie mit Batterien gleichziehen, so Pohlmann. Dies liege am grundlegenden Energiespeichermechanismus. "Während Batterien Energie chemisch speichern, speichern Ultrakondensatoren Energie nur durch Ladungstrennung, also physikalisch", so Pohlmann. "Dies erklärt die extrem schnelle Verfügbarkeit der gespeicherten Ladung, das hohe Zyklisierungspotenzial sowie die geringere Empfindlichkeit gegen niedrige Temperaturen", ergänzt Eberspächer Controls im Artikel Superkondensatoren – Automotive-Lösungen für Komfort, Sicherheit und CO2-Reduzierung der ATZelektronik 10/2020.

Bislang war es insbesondere der Preis, der einen Durchbruch der Ultrakondensatoren verhinderte, weiß Pohlmann, denn der Markt habe in der Vergangenheit nur eine relativ geringe Menge angefragt. "Wenn es uns gelingt, die Preise von Ultrakondensatoren von derzeit etwa 4500 Euro pro kWh auf unter 2500 Euro pro kWh zu bringen, sehen wir die Möglichkeit zur breiten Anwendung im Automotive-Bereich, insbesondere in PHEVs und HEVs, aber auch in BEVs", so Pohlmann im Jahr 2020. Deshalb müssten die Produktionsmethoden effizienter werden.

Superbattery: zwischen Li-Ion-Batterien und Superkondensatoren

Nichtsdestotrotz sind Ultrakondensatoren beziehungsweise Superkondensator(SCAP)-Anwendungen "bereits seit einigen Jahren bei vielen Automobilherstellern in Serie – sowohl als einzelne Zellen bei Niederspannungsspeichern wie auch im Verbund als Modul für Energiespeicher im 12-V-, 24-V- oder 48-V-Bordnetz", erklärt Eberspächer Controls. Die zunehmende Varianz von Bordnetzkonzepten und unterschiedlichen Spannungsebenen sollen zu einem erweiterten Einsatz von SCAP-Modulen führen. Bei PSA und Continental sowie Mazda werden sie in Rekuperationsanwendungen genutzt. 

Der deutsch-estnische Energiespeicherspezialist Skeleton Technologies nennt als eines der Hauptwachstumsfelder für Ultrakondensatoren die Hybridisierung von Batterie und Ultrakondensator, um den Weg für kleinere, langlebigere und leistungsfähigere Batteriesysteme zu bereiten. Bei der sogenannten Superbattery kombiniert Skeleton "die Speichermechanismen von Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren innerhalb der Batteriezelle – konkret den kapazitiven Speicheranteil der Superkondensatoren mit den auf interkalationbasierten Speichern von Lithium-Ionen-Batterien", wie Dr. Linus Froböse, Chief Technology Officer und Managing Director bei Skeleton Technologies, im Interview "Wir sehen die Superbattery nicht in direkter Konkurrenz zur Lithium-Ionen-Batterie" aus der MTZ 6-2024 erklärt. Entscheidend sei, so Froböse, dass beide Komponenten in einen engen Kontakt miteinander gebracht werden, sodass sie zusammen als Einheit funktionieren. 

Skeleton erachtet Superbatteries als eine Ergänzung zu Superkondensatoren und herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. "Im Grunde ist die Superbattery zwischen Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren anzusiedeln. Sie hat eine deutlich höhere Energiedichte als Superkondensatoren, kann aber immer noch deutlich schneller als Lithium-Ionen-Batterien Energie abgeben und aufnehmen. Dank geringer Hitze und geringem Widerstand ist die Lebensdauer auch höher als bei Lithium-Ionen-Batterien", so Skeleton-Experte Froböse. Die Superbattery habe eine leicht geringere Energiedichte im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien, könne dafür aber in unter einer Minute geladen werden und das 50.000 mal.

Markt für Superkondensatoren wächst

Nach Angaben des Marktanalysten Market.us soll der Markt für Superkondensatoren bis zum Jahr 2033 einen Wert von rund 21,7 Mrd. US-Dollar haben – ausgehend von 4,3 Mrd. US-Dollar im Jahr 2023 mit einer jährlichen Wachstumsrate von 17,7 % im Prognosezeitraum von 2024 bis 2033. Treiber des Marktwachstum seien unter anderem technologische Fortschritte in der Materialwissenschaft, die zunehmende Anwendung in der Automobilindustrie, insbesondere in Elektrofahrzeugen für regenerative Bremssysteme, und der expandierende Sektor der erneuerbaren Energien. Das Segment Automobil- und Transportwesen hatte 2023 mit einem Marktanteil von über 32 % eine dominante Marktposition auf dem Superkondensatormarkt inne.