Kondensatoren gelten als Schlüssel für die Stromspeicher der nächsten Generation. Stuttgarter Forscherinnen arbeiten an leistungsfähigen und nachhaltigen Kondensatoren, die ausschließlich aus Biomasse bestehen. Wie funktionieren sie?
Stuttgart - Der Anteil der erneuerbaren Energien wächst stetig. Energiespeicher für Strom und Wärme werden dadurch immer wichtiger. Doch die Anforderungen an die Speicher sind hoch: Sie müssen langlebig und leistungsstark sein, möglichst viel Energie vorhalten und in kürzester Zeit wieder abgeben. „Batterien und Akkus, die es aktuell auf dem Markt gibt, können das nicht. Ihre Lebensdauer ist auf wenige Tausend Zyklen begrenzt“, erklärt Viola Hoffmann, zudem würden die bisherigen Akkus nur relativ langsam Energie aufnehmen und abgeben.
„Superkondensatoren haben diese Probleme nicht“, sagt die Doktorandin, die zum Forschungsteam der Universität Hohenheim gehört. Diese sogenannten Supercaps könnten im Vergleich zu herkömmlichen Akkus viel mehr Energie aufnehmen, ließen sich innerhalb weniger Sekunden laden und entladen und würden deutlich länger leben.
Wegen dieser Eigenschaften füllen sie die Nische zwischen konventionellen Kondensatoren, Batterien und Akkus aus. „Supercaps sind ideal, um dem Fahrzeug einen Schub zu geben“, erklärt Umweltingenieurin Hoffmann. Als Ergänzung für eine Lithium-Ionen-Batterie sind sie damit besonders geeignet. Der Akku sichert die Grundversorgung für den E-Motor, die Caps schalten sich zu, wenn besonders viel Leistung erforderlich ist.
Bislang stammen die Ausgangsmaterialien für die Produktion der Stromspeicher allerdings noch aus fossiler Aktivkohle. Das möchten die Forscherinnen ändern – und Supercaps nachhaltig herstellen. „Allein hier in Baden-Württemberg fallen jährlich etwa 1,5 Millionen Tonnen Biomasse an“, sagt Andrea Kruse, Fachgebietsleiterin der Abteilung Konversionstechnologien nachwachsender Rohstoffe. Ziel der Forscher ist es, diese Reststoffe besser zu nutzen.
Den besonders leistungsfähigen Energiespeicher hat das Team aus Gärresten entwickelt, denn diese sind reich an Kohlen- und Stickstoff, aber auch an dem Holzstoff Lignin. Damit bauen die Forscherinnen grafitähnliche Kohlenstoffe auf, aus denen Superkondensatoren zum großen Teil bestehen.
„Im ersten Schritt müssen wir den Kohlenstoffgehalt des Gärrests erhöhen“, erklärt Kruses Mitarbeiterin Catalina Rodriguez Correa. Dies geschieht durch die sogenannte Hydrothermale Carbonisierung (HTC). Dazu wird das Material in einem Druckbehälter erhitzt. Bei Temperaturen bis 250 Grad und erhöhtem Druck entsteht aus der Biomasse Kohle. Der thermochemische Umwandlungsprozess findet in einer Art Dampfkochtopf im Wasser statt. „Wir können dabei die im Gärrest enthaltene Feuchtigkeit als Reaktionsmedium nutzen“, berichtet die Forscherin.
Um die Biokohle nach den jeweiligen Kundenanforderungen herzustellen, testet Rodriguez Correa die richtigen Einstellungen zunächst in kleinen gasdichten Druckbehältern. Stellschrauben sind dabei Druck, Temperatur, Zeit und Art der Biomasse. Die erforderliche Kochzeit hängt stark vom Eingangsmaterial ab: „Gärreste benötigen weniger Zeit, denn sie sind schon vorverdaut“, sagt Andrea Kruse. Insgesamt hätte die Temperatur, gefolgt von der Verweilzeit, den stärksten Einfluss auf Zusammensetzung und thermische Stabilität der HTC-Kohle.
Stimmen die Parameter, ist es Zeit für den Einsatz eines Behälters, der acht Liter Gärschlamm fasst. Er hält einen Druck von bis zu 30 bar aus. Bei Temperaturen zwischen 190 und 250 Grad wird die Biomasse darin drei bis acht Stunden gekocht. „Nach diesem Verfahrensschritt ist das entstandene Material reich an Kohlenstoff“, berichtet die Professorin. Es habe ähnliche Eigenschaften wie Braunkohle. Weil es hydrophob, also wasserabweisend ist, könne es auch gut entwässert werden.
Damit die entstandene HTC-Kohle eine möglichst große Oberfläche hat, muss sie erneut behandelt werden. Bei der sogenannten Aktivierung bekommt die Kohle feinste Poren. Dazu wird sie zunächst ausgepresst und getrocknet. Anschließend wird sie mit Lauge gemischt und erneut erhitzt, diesmal aber auf 600 Grad. Durch die nochmalige Wärmebehandlung entstehen dann Mikroporen. „Es gibt andere Methoden, doch auf diese Weise erhalten wir feinste Mikroporen“, sagt Rodriguez Correa. Durch das Verfahren wird die Oberfläche des Materials deutlich größer: Betrug sie vorher zwischen acht und 14 Quadratmeter pro Gramm. sind es jetzt zwischen 930 und 1351 Quadratmeter pro Gramm. Bei den Gärrest-Kohlen sind sogar spezifische Oberflächen von bis zu 3000 Quadratmeter pro Gramm möglich.
„Unsere Gärrest-Kohlen sind besser als fossile Grafite“, sagt Andrea Kruse, Kohlenstoff sei zudem sehr wandlungsfähig und lasse sich in unzähligen Variationen herstellen. Der größte Vorteil der Gärrest-Biokohle sei aber ihre nachhaltige Gewinnung. Zudem dürften angesichts der günstigen und frei verfügbaren Biomasse und des vergleichsweise energiesparenden HTC-Verfahrens auch die Herstellungskosten im Rahmen bleiben.
Um konkurrenzfähig zu sein, muss die Biokohle entweder billiger sein als konventionelle Materialien oder eine höhere Speicherkapazität aufweisen. Fachgebietsleiterin Kruse ist jedenfalls zuversichtlich, dass die biogen hergestellten Materialien den Markt erobern werden. In frühestens acht Jahren sollen die Bio-Caps serienreif sein.
Prinzip Supercaps sind elektrochemische Kondensatoren. Sie bestehen aus zwei porösen Kohleelektroden, die sich in einem Elektrolytsystem befinden – also in einem Material, n das elektrische Ladungen transportiert. Über die beiden Pole kann elektrische Energie aufgenommen und gespeichert werden. Die gespeicherte Energiemenge ist aufgrund der enormen Oberfläche, die an den Kohleelektroden zur Verfügung steht, im Vergleich zu einem herkömmlichen Kondensator sehr groß.
Kapazität Die Energiemenge, die ein Superkondensator in Form elektrischer Ladungen speichern kann, hängt dabei von der Anzahl Ionen ab, die sich an der Elektrode anlagern können. Das bedeutet: Je größer die Elektrodenoberfläche, desto leistungsstärker ist der Kondensator.
Anwendung Bislang werden Kondensatoren in regenerativen Bremssystemen und Hybridfahrzeugen – vor allem auch im öffentlichen Nahverkehr – eingesetzt. Züge nutzen sie zur Beschleunigung beim Anfahren. Auch im E-Auto werden sie als Pufferspeicher verwendet.
