Können Superkondensatoren Batterien in Elektroautos ersetzen?

Elektroautos und Hybride sind als neue Runde in der Entwicklung von Fahrzeugen fest in den Köpfen moderner Autofahrer verankert. Wenn wir diese Autos im Vergleich zu Modellen mit ICE betrachten, haben sie ihre Vor- und Nachteile.

Zu den Vorteilen zählen immer der geräuschlose Betrieb sowie die Abwesenheit von Umweltverschmutzung während der Fahrt (obwohl heute die Herstellung einer Batterie für ein Elektroauto die Umwelt mehr als 30 Jahre lang mit einem einzigen Dieselmotor belastet).

Der Hauptnachteil von Elektrofahrzeugen ist die Notwendigkeit, die Batterie aufzuladen. In Verbindung damit entwickeln führende Autohersteller verschiedene Optionen, um die Batterielebensdauer zu verlängern und das Intervall zwischen den Ladevorgängen zu verlängern. Eine solche Option ist die Verwendung von Superkondensatoren.

Betrachten wir diese Technologie am Beispiel einer neuen Autoindustrie - Lamborghini Sian. Was sind die Vor- und Nachteile dieser Entwicklung?

Neu auf dem Elektroautomarkt

Wenn Lamborghini mit der Einführung eines Hybrids beginnt, können Sie sicher sein, dass es sich nicht nur um eine leistungsstärkere Version des Toyota Prius handelt.

Sian, das Debüt des italienischen Unternehmens auf dem Gebiet der Elektrifizierung, ist das erste in Serie produzierte Hybridauto (bis zu 63 Exemplare), bei dem Superkondensatoren anstelle von Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden.

Viele Physiker und Ingenieure glauben, dass der Schlüssel zur Massenmobilität in ihnen und nicht in Lithium-Ionen-Batterien liegt. Sian speichert damit Strom und versorgt ihn gegebenenfalls mit seinem kleinen Elektromotor.

Vorteile von Superkondensatoren

Im Vergleich zu den modernsten Batterien laden und geben Superkondensatoren Energie viel schneller ab. Darüber hinaus können sie ohne Kapazitätsverlust deutlich mehr Lade- und Entladezyklen aushalten.

Bei Sian treibt der Superkondensator einen 25-kW-Elektromotor an, der im Getriebe integriert ist. Es kann entweder eine zusätzliche Steigerung des 6,5-Liter-V12-ICE mit einer Kapazität von 785 PS bewirken oder einen Sportwagen bei Manövern mit niedriger Geschwindigkeit, beispielsweise beim Parken, alleine fahren.

Da der Ladevorgang sehr schnell ist, muss dieser Hybrid nicht an eine Steckdose oder Ladestation angeschlossen werden. Superkondensatoren werden jedes Mal vollständig aufgeladen, wenn das Auto langsamer wird. Batterie-Hybride haben auch eine Bremsenergierückgewinnung, die jedoch langsam ist und nur teilweise zur Verlängerung der elektrischen Laufleistung beiträgt.

Der Superkondensator hat einen weiteren sehr großen Trumpf: das Gewicht. Beim Lamborghini Sian bringt das Gesamtsystem – Elektromotor plus Kondensator – nur 34 Kilogramm auf die Waage. In diesem Fall beträgt die Leistungssteigerung 33,5 PS. Zum Vergleich: Allein die Batterie des Renault Zoe (mit 136 PS) wiegt rund 400 kg.

Nachteile von Superkondensatoren

Natürlich haben Superkondensatoren auch Nachteile gegenüber Batterien. Im Laufe der Zeit sammeln sie viel schlechtere Energie an - wenn Sian eine Woche lang nicht gefahren ist, ist keine Energie mehr im Kondensator. Aber auch für dieses Problem gibt es Lösungsmöglichkeiten. Lamborghini arbeitet mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) zusammen, um ein rein elektrisches Modell auf Basis von Superkondensatoren zu entwickeln, das berühmte Konzept des Terzo Millenio (drittes Jahrtausend).

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Übrigens ist Lamborghini, das zum Volkswagen Konzern gehört, nicht das einzige Unternehmen, das auf diesem Gebiet experimentiert. Peugeot-Hybridmodelle verwenden seit Jahren Superkondensatoren, ebenso wie die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Modelle von Toyota und Honda. Chinesische und koreanische Hersteller bauen sie in Elektrobusse und Lkw ein. Und letztes Jahr kaufte Tesla Maxwell Electronics, einen der weltweit größten Hersteller von Superkondensatoren, ein sicheres Zeichen dafür, dass zumindest Elon Musk an die Zukunft der Technologie glaubt.

7 Schlüsselfaktoren zum Verständnis von Superkondensatoren

1 Wie Batterien funktionieren

Batterietechnologie ist eines der Dinge, die wir lange als selbstverständlich angesehen haben, ohne darüber nachzudenken, wie sie funktioniert. Die meisten Menschen stellen sich vor, dass wir beim Laden einfach Strom in die Batterie „gießen“, wie Wasser in ein Glas.

Aber eine Batterie speichert Strom nicht direkt, sondern erzeugt ihn nur bei Bedarf durch eine chemische Reaktion zwischen zwei Elektroden und einer (am häufigsten) sie trennenden Flüssigkeit, die als Elektrolyt bezeichnet wird. Bei dieser Reaktion werden die darin enthaltenen Chemikalien in andere umgewandelt. Bei diesem Vorgang wird Strom erzeugt. Wenn sie vollständig umgewandelt sind, stoppt die Reaktion - die Batterie ist entladen.

Bei wiederaufladbaren Batterien kann die Reaktion jedoch auch in umgekehrter Richtung erfolgen – beim Aufladen startet die Energie den umgekehrten Prozess, der die ursprünglichen Chemikalien wiederherstellt. Dies kann hundert- oder tausendfach wiederholt werden, aber unvermeidlich gibt es Verluste. Im Laufe der Zeit bauen sich parasitäre Substanzen an den Elektroden auf, sodass die Batterielebensdauer begrenzt ist (typischerweise 3000 bis 5000 Zyklen).

2 Wie funktionieren Kondensatoren?

Es gibt keine chemischen Reaktionen im Kondensator. Positive und negative Ladung werden ausschließlich durch statische Elektrizität erzeugt. Im Inneren des Kondensators befinden sich zwei leitende Metallplatten, die durch ein Isoliermaterial getrennt sind, das als Dielektrikum bezeichnet wird.

Das Aufladen ist dem Reiben eines Balls in einen Wollpullover sehr ähnlich, damit dieser bei statischer Elektrizität haftet. Positive und negative Ladungen sammeln sich in den Platten an, und der Separator zwischen ihnen, der verhindert, dass sie in Kontakt kommen, ist tatsächlich ein Mittel zur Energiespeicherung. Ein Kondensator kann sogar millionenfach ohne Kapazitätsverlust geladen und entladen werden.

3 Was sind Superkondensatoren?

Herkömmliche Kondensatoren sind zu klein, um Energie zu speichern – normalerweise gemessen in Mikrofarad (Millionen Farad). Aus diesem Grund wurden in den 1950er Jahren Superkondensatoren erfunden. In ihren größten industriellen Varianten, hergestellt von Firmen wie Maxwell Technologies, erreicht die Kapazität mehrere tausend Farad, also 10-20 % der Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie.

4 Funktionsweise von Superkondensatoren

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kondensatoren gibt es kein Dielektrikum. Stattdessen werden die beiden Platten in einen Elektrolyten getaucht und durch eine sehr dünne Isolierschicht getrennt. Die Kapazität eines Superkondensators nimmt tatsächlich zu, wenn die Fläche dieser Platten zunimmt und der Abstand zwischen ihnen abnimmt. Um die Oberfläche zu vergrößern, werden sie derzeit mit porösen Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren beschichtet (so winzig, dass 10 Milliarden davon auf einen Quadratzentimeter passen). Der Separator kann mit einer Graphenschicht nur ein Molekül dick sein.

Um den Unterschied zu verstehen, ist es am besten, sich Elektrizität als Wasser vorzustellen. Ein einfacher Kondensator sieht in diesem Fall aus wie ein Papiertuch, das eine begrenzte Menge aufnehmen kann. Ein Superkondensator ist im Beispiel ein Küchenschwamm.

5 Batterien: Vor- und Nachteile

Batterien haben einen wesentlichen Vorteil – eine hohe Energiedichte, die es ihnen ermöglicht, relativ große Energiemengen in einem kleinen Speicher zu speichern.

Allerdings haben sie auch viele Nachteile – hohes Gewicht, begrenzte Lebensdauer, langsames Aufladen und relativ langsame Energiefreisetzung. Außerdem werden für ihre Herstellung giftige Metalle und andere gefährliche Stoffe verwendet. Batterien sind nur in einem engen Temperaturbereich effizient, daher müssen sie oft gekühlt oder erhitzt werden, was ihren hohen Wirkungsgrad verringert.

6 Superkondensatoren: Vor- und Nachteile

Superkondensatoren sind viel leichter als Batterien, ihre Lebensdauer ist unvergleichlich länger, sie benötigen keine gefährlichen Substanzen, sie laden sich auf und geben fast augenblicklich Energie ab. Da sie fast keinen Innenwiderstand haben, verbrauchen sie keine Energie, um zu funktionieren - ihr Wirkungsgrad beträgt 97-98%. Superkondensatoren arbeiten im gesamten Bereich von -40 bis +65 Grad Celsius ohne nennenswerte Abweichungen.

Der Nachteil ist, dass sie deutlich weniger Energie speichern als Lithium-Ionen-Batterien.

7 Neue Materialien

Selbst die fortschrittlichsten modernen Superkondensatoren können die Batterien in Elektrofahrzeugen nicht vollständig ersetzen. Aber viele Wissenschaftler und private Unternehmen arbeiten daran, sie zu verbessern. In Großbritannien arbeitet Superdielectrics beispielsweise mit Materialien, die ursprünglich für die Herstellung von Kontaktlinsen entwickelt wurden.

Skeleton Technologies arbeitet mit Graphen, einer allotropen Form von Kohlenstoff. Eine Schicht, die ein Atom dick ist, ist 100-mal stärker als hochfester Stahl, und nur 1 Gramm davon kann 2000 Quadratmeter bedecken. Das Unternehmen installierte Graphen-Superkondensatoren in konventionellen Diesel-Vans und erzielte 32 % Kraftstoffeinsparungen.

Trotz der Tatsache, dass Superkondensatoren Batterien immer noch nicht vollständig ersetzen können, gibt es heute einen positiven Trend bei der Entwicklung dieser Technologie.

Fragen und Antworten:

Wie funktioniert ein Superkondensator? Es funktioniert wie ein Kondensator mit hoher Kapazität. In ihm wird während der Polarisation des Elektrolyten Elektrizität aufgrund von statischer Aufladung akkumuliert. Obwohl es sich um ein elektrochemisches Gerät handelt, findet keine chemische Reaktion statt.

Wozu dient ein Superkondensator? Superkondensatoren werden zum Speichern von Energie, zum Anlassen von Motoren, in Hybridfahrzeugen als Kurzzeitstromquellen verwendet.

Wie unterscheidet sich ein Superkondensator von verschiedenen Batterietypen? Die Batterie ist in der Lage, durch eine chemische Reaktion selbst Strom zu erzeugen. Der Superkondensator speichert nur die freigesetzte Energie.

Wo wird der Superkondensator verwendet? Kondensatoren mit geringer Kapazität werden in Blitzgeräten (vollständig entladen) und in allen Systemen verwendet, die eine große Anzahl von Entlade- / Ladezyklen erfordern.