Energie : Akku vs. Ultrakondensator: Wer setzt sich in Zukunft durch?

Elektroautos wie der Tesla Model 3, Renault Zoe, Nissan Leaf, Toyota Prius und selbst der Kleinwagen e.go life haben eines gemeinsam: Sie benötigen Lithium-Ionen-Batterien zur Speicherung von Strom. Selbst Plug-in-Hybride besitzen einen Verbrennungs- und Elektromotor, der neben einem Tank ein weiteres Medium zum Speichern von Energie benötigt. Jetzt soll das Speichermedium aber einem effektiveren weichen, das weniger Ressourcen benötigt und sich bessern recyceln lässt.

Anfang des Montags gab der Kondensator-Spezialist Maxwell Technologies in einer Mitteilung bekannt, dass der kalifornische Elektro-Autobauer Tesla den Kondensator-Spezialisten übernehmen wird. Maxwell soll durch Aktientausch ein vollständiges Tochterunternehmen werden. Das lässt sich das Unternehmen auch kosten, der Kaufpreis pro Aktie liegt mehr als 50 Prozent über dem aktuellen Kurs. Tesla bewertet das Eigenkapital von Maxwell in der Übernahme mit 218 Millionen US-Dollar. Elon Musk outete sich selbst als großer Fan der Kondensator-Technologie. Für ihn wird sie eine wichtige Rolle in Bezug auf die Elektromobilität spielen.

Maxwell Technologies erwartet eine Durchführung des Deals im zweiten Quartal, wenn rechtlich alles geklärt ist. Doch wieso führt Elon Musk die Übernahme eines Unternehmens durch, dessen technologisches Produkt für Elektroautos noch gar nicht serienreif ist? Hat sich Elon Musk etwa verkalkuliert?

Im Gegenteil meint Taavi Madiberk, Chef des europäischen Ultrakondensator-Unternehmens Skeleton Technologies Group, der die Tesla-Investition befürwortet. Das ursprünglich aus Tallin (Estland) stammende Tech-Unternehmen hat sich selbst zum Ziel gesetzt, die „Electric-Vehicle-Utopie“ bereits in den nächsten drei bis vier Jahren zur Wirklichkeit werden zu lassen. Sie besteht darin, dass die Energie von Elektroautos komplett aus Kondensatoren anstelle von Akkus kommt.

Dazu wurde im letzten Jahr der Produktionsstandort nach Großröhrsdorf, nahe Dresden verlegt. Ein strategischer Schachzug, denn „wenn es um Deutschland geht, ist das wichtigste die Automobilindustrie“, sagte der Skeleton Tech-CEO im letzten Jahr. Die Entwicklung geschieht nach wie vor in Tallin, wo eng mit der dortigen Universität zusammengearbeitet wird.

Mit dem Schritt nach Deutschland sollen die Lieferketten möglichst kurz und die Logistikkosten gering gehalten werden. „Mit Blick auf Automobilzulieferer wie Bosch, Continental, aber auch Automobilhersteller wie BMW, Volkswagen und Audi ist Nähe ein wichtiges Kundenkriterium“, so Madiberk.

Konkret geht es um die Entwicklung von leistungsstarken Graphen-basierten Kondensatoren, sogenannten Ultrakondensatoren. Skeleton Tech hat sich den nanoporösen Kohlenstoff patentieren lassen, der in diesen Hochleistungskondensatoren zur Anwendung kommt. Leistungsdichte und Schnellladefähigkeit sind nur zwei der großen Vorteile dieser Technologie.

Zum Beispiel können Kondensatoren mit 95 Prozent Wirkungsgrad auch bei minus 40 Grad Celsius betrieben werden, wobei sie bei einem Kaltstart – auch unter extremen Temperaturbedingungen – standhaft bleiben, erklärte eine Sprecherin des Unternehmens. Ein Pluspunkt für den Kondensator. Bei Lithium-Ionen-Akkus kommt es hingegen sehr auf die verwendeten Materialien an, wie gut dieser Energiespeicher Temperaturextremen trotzt.

Verantwortlich für den heimlichen Energieschwund im Akku ist vor allem das Verhalten des Elektrolyts, einer dickflüssigen Substanz in den einzelnen Akkuzellen. Ist es zu kalt, haben die Ionen auf ihrem Weg vom negativ geladenen Minus- zum Plus-pol ihre Schwierigkeiten, das Elektrolyt zu durchdringen, weil es immer zähflüssiger wird.

Ein Lithium-Ionen-Akku muss zwar eine Leitfähigkeit über -40 Grad gewährleisten, in der Praxis sieht dies aber anders aus: Die ideale Temperatur für den Gebrauch eines Lithium-Ionen-Akkus liegt bei ungefähr 20 Grad, je kälter es wird, desto träger werden die Ionen.

Im Extrembereich quittiert der Akku komplett den Dienst. Wann das passiert, ist von Akku zu Akku verschieden, weil nicht alle Hersteller die gleichen Materialien verwenden. Zudem enthalten Ultrakondensatoren keine Schwermetalle, die Grundbestandteile eines Ultrakondensators sind Aluminium, Separator-Papier, Kohlenstoff und ein Elektrolyt, dessen Zusammensetzung von den Herstellern in der Regel gut gehütet wird. Sie gelten zudem als umweltfreundlicher und sicherer als Lithium-Ionen-Akkus, da sie nicht explodieren oder brennen können.

Jedoch erreichen die Ultrakondensatoren die Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus allein aufgrund physikalischer Einschränkungen der Technologie derzeit nicht. Stattdessen funktioniere eine Kombination aus beiden Technologien, eine Hybridlösung, verrät uns Skeleton Tech. Dabei stellten Ultrakondensatoren die Energie für tägliche Fahrten bereit, während Li-Ionen-Batterien die Energie für Fahrten mit größerer Reichweite reservieren.

In einer solchen Hybridlösung würde das Laden der Ultrakondensatoren laut Skeleton Tech lediglich 15 Sekunden dauern und der Lithium-Ionen-Akku müsste nur durchschnittlich einmal alle ein bis zwei Monate geladen werden. Doch die Vision des Kondensator-Herstellers aus Estland geht noch weiter: Revolutionieren soll der Einsatz von Ultrakondensatoren auch die Batterieindustrie in Sachen Konzeption und Planung.

Zum Beispiel könnten die ressourcenintensiven Fahrzeug-Akkus leistungsreduzierter gebaut werden, was sich in einer längeren Lebensdauer (mehr als eine Million Zyklen), einer größeren Reichweite und einer höheren Sicherheit wiederspiegelt.

Mit Hochtouren arbeitet Skeleton Tech nach eigenen Angaben daran, dass innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahre eine Kurzstreckenfahrt nur mit Ultrakondensatoren durchgeführt werden kann. Die Zusammenarbeit laufe nicht nur mit dem deutschen und US-amerikanischen Automobilsektor gut, nach Angaben des Firmenchefs Madiberk habe sein Unternehmen bereits Verträge in den Bereichen Elektro- und Hybrid mit der japanischen Industrie-Gruppe Sumitomo Corporation.

„Neue Hybrid-Busse werden Europas Straßen in 2019 erreichen, dabei lassen sich aufgrund des Einsatzes von ‚Superkondensatoren‘ Treibstoffeinsparungen von rund 35 Prozent erzielen“, so Madiberk. Die Graphen-basierten Kondensatoren möchte Skeleton Tech liefern.

Elektronische Geräte verfügen über Kondensatoren, doch sie sind auch nicht fahrzeugfremd. Verwendet werden sie bereits in Millionen von Hybridfahrzeugen – zum Beispiel bei der Bremsenergierückgewinnung, der Rekuperation. In diesem Bereich arbeitet Skeleton Tech mit Automobilherstellern zusammen, um Ultrakondensatoren für Systeme zur Rückgewinnung kinetischer Energie anzubieten.

Zur Wirkung von Ultrakondensatoren gebe es laut Skeleton Tech bereits aussagekräftige Daten zu Lebenszyklus und Größenvorteil. „Was jetzt noch fehlt ist, diese Systeme zur Serienreife zu führen und für rein elektrische Fahrzeug anzubieten. Wir gehen davon aus, dass unsere Prototypen bereits 2020 eine Energiedichte von 60 Wh/kg erreichen werden und die Serienproduktion 2021/22 beginnen kann“, so die Unternehmenssprecherin. Aktuell liegt die Energiedichte bei 20 Wh/kg und damit deutlich höher als bei Maxwell mit 7 Wh/kg.

Von Magnesium-Akkus, die das Ende der Lithium-Ionen-Akkus einläuten sollen, zeigt sich Skeleton Tech wenig beeindruckt. Sie seien zwar aus Ressourcensicht ausgezeichnet, doch ihre Leistungsfähigkeit sei noch relativ gering, was zu vergleichsweise langen Lade- und Entladezeiten führt und außer dem ökologischen Aspekt keine Kundenvorteile mit sich bringen würde. Doch warten wir zunächst einmal die Entwicklung im Bereich von Festkörperbatterien (Solid State) ab.

Die elektrische Ladung, die das elektrische Feld erzeugt, wird zum Beispiel von einer elektrischen Spannung erzeugt. Dieses Prinzip wird auch im Kondensator angewendet. Ein gewöhnlicher Gleichstromkondensator besteht aus zwei metallischen Leitern, zwischen denen sich ein Isolator (ein Dielektrikum) befindet. Wird an einen Kondensator Gleichspannung angelegt, so fließt kurzzeitig ein Ladestrom. Dann sperrt der Kondensator den Gleichstrom.

Wird der Kondensator Kurzgeschlossen, fließt in entgegengesetzter Richtung ein Entladestrom. Beim Laden saugt die Spannungsquelle von der einen Kondensatorplatte Elektronen ab und drückt sie auf die andere, das heißt es entsteht auf der einen Seite Elektronenmangel und auf der anderen Elektronenüberschuss. Nach dem Trennen des Kondensators von der Spannungsquelle bleibt dieser Elektronenunterschied erhalten, der Kondensator ist geladen.

https://youtu.be/H8wdeqS3UlU

Folgen Sie dem Autor auf: @lukasklamert