9. April 2011, Neue Zürcher Zeitung / NZZexecutive

Ein langlebiger Speicher für den schnellen Kick

Errungenschaften der Technik

Errungenschaften der Technik - Superkondensator

Leonid Leiva

So mancher dürfte aufgehorcht haben, als Elon Musk, der Stratege der Elektroautomarke Tesla, kürzlich sagte, die Zukunft in der Elektromobilität gehöre den Superkondensatoren. Viele hätten an dieser Stelle an hochleistungsfähige Lithiumionen-Batterien gedacht. War das nicht der Speicher der Wahl für die elektromobile Revolution?

Schneller als Batterien

Musk ist nicht der Erste, der die Vorzüge von Superkondensatoren erkennt. Auch andere Autobauer, Bus- und Tramhersteller und sogar Rennsportställe blicken seit einigen Jahren mit Interesse auf diesen kleinen Bruder der Batterie. Superkondensatoren sind vor allem als Energiespeicher für Hybridautos attraktiv. Ihr wesentlicher Vorteil gegenüber selbst den besten Batterien liegt in der Schnelligkeit, mit der sie aufgeladen und wieder entladen werden. Ein typischer Superkondensator kann binnen weniger Sekunden viel Energie aufnehmen oder bereitstellen. Das macht ihn ideal für die bei Hybriden oft als Trumpf angepriesene Rückgewinnung der Bremsenergie. Dieses regenerative Bremsen funktioniert, weil der Elektromotor beim Bremsen als Generator fungiert, der aus Bewegungsenergie Elektrizität erzeugt. Da die Bremsphase sehr kurz ist, bietet sich hierfür ein schnell aufladbarer Speicher wie der Superkondensator an.

Die Geschichte des Superkondensators beginnt mit einem von Ingenieuren der Firma General Electrics Ende der 1950er Jahre eingereichten Patentgesuch. Ihr Speicher bestand aus Elektroden aus porösem Grafit, getränkt in einem Elektrolyt. Anders als in einer Batterie waren hier aber keine chemischen Reaktionen im Spiel. Die Ionen des Elektrolyten dockten beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden, die ihnen eine riesige Kontaktfläche boten, und konnten sich sehr rasch wieder ablösen, wenn die Spannungsquelle wieder getrennt wurde. Die Ingenieure witterten hier einen viel schnelleren Speicher als alle damals bekannten Batterietypen. Bis zur Kommerzialisierung sollte es aber noch dauern. Erst im Jahr 1971 startete die japanische Firma Nippon Electric Company eine Serienproduktion. Sie prägte den heute in anglofonen Ländern üblichen Marktnamen «supercapacitor», kurz «supercap». Erste Anwendungen waren für Back-up-Funktionen von Computern und den Stand-by-Betrieb elektronischer Kleingeräte.

Erfolg dank Aktivkohle

Aber erst Materialien wie Aktivkohle, die aufgrund ihrer verästelten Porenstruktur die Fläche eines Fussballfeldes in einem Gramm Gewicht unterbringen, verhalfen den Supercaps zum Durchbruch. Als Elektrolyt werden häufig entweder wasserlösliche Salze oder organische Substanzen verwendet. Letztere können unter höheren elektrischen Spannungen betrieben werden, was wiederum ein höheres Speichervermögen pro Gramm ermöglicht.

Supercaps glänzen auch in Sachen Langlebigkeit: Da sie auf chemische Reaktionen verzichten, kommt es kaum zum Verschleiss des Elektrodenmaterials. Ein Superkondensator kann mehrere Millionen Mal ohne merkliche Funktionsstörungen aufgeladen werden. Für die meisten Anwendungen gibt das eine Lebensdauer von 10 bis 20 Jahren – im Gegensatz zu 1 bis 2 Jahren für die besten Akkus. Insbesondere bei Offshore-Windparks, deren Wartung sehr aufwendig ist, braucht man einen Speicher, der über die gesamte Nutzungsdauer nicht ausgetauscht werden muss. Einige Hunderte Windturbinen sind in den letzten Jahren in der Nordsee mit Superkondensatoren ausgestattet worden, die zum Einsatz kommen, wenn die Anlagen infolge eines Unwetters schnell abgeschaltet werden müssen. Die Superkondensatoren liefern dann den Strom für die elektronische Regelung der Turbine, denn auch das schnelle Abschalten muss kontrolliert geschehen, damit die Rotoren keinen Schaden erleiden.

Öffnet Notfalltüren

Windkraft und Elektroautos: Hier scheint sich für die Supercaps eine einträgliche Symbiose aufzutun. Doch auch wenn der Boom des Ökostroms auf sich warten lassen sollte, einen hochfliegenden Werbeträger haben die Superkondensatoren schon. Das jüngste Mitglied der Airbus-Familie, der Jumbo A380, trägt Superkondensatoren an Bord, die von der Firma Maxwell Technologies im freiburgischen Rossens gebaut wurden. Sie erfüllen eine Aufgabe, bei der es schnell gehen muss: das Öffnen der Notfalltüren.

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