STRUKTURSTUDIE - page 18

Kapitel 2
2.2.4 SUPERCAPS
Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (auch Ultracaps
oder Supercaps genannt) besitzen eine große Oberfläche und
eine geringe Dicke des Dielektrikums. Supercaps zeichnen sich
im Vergleich zu Batterien insbesondere durch eine wesentlich
verbesserte Leistungsaufnahme und -abgabe (gravimetrische
Leistungsdichte bis 20.000 W/kg) und hohe Wirkungsgrade (Zy-
kleneffizienz 98 % bei 80 % DoD) aus. Ebenso verfügen sie über
eine hohe Zyklenfestigkeit (bis zu 1 Million Zyklen) und Lebens-
dauern im Bereich von 10 Jahren. Demgegenüber stehen hohe
Kosten und eine geringe Energiedichte (gravimetrische Energie-
dichte von etwa 5 Wh/kg) [Frost & Sullivan (2009); Tübke (2011);
Hofmann (2014)]. Supercaps können eine interessante Erweite-
rung zu bestehenden Li-Ion-Energiespeichern darstellen und eine
Unterstützung im „Stop-and-go” bieten, aber auch allgemein bei
kurzzeitigen starken Ladevorgängen (Rekuperation) und Entlade-
vorgängen (Boost-Funktion) die Batterie entlasten. Häufig werden
sie deshalb beispielsweise in Stadtbussen eingesetzt. Aufgrund
der hohen Leistungsdichten kommt ein Einsatz vor allem bei Mic-
ro- und Mild-Hybriden in Kombination mit Batterien infrage. Diese
Art der Anwendung wird ebenfalls in Baden-Württemberg entwi-
ckelt. Ein Einsatz als Primärspeicher bei rein elektrischen Fahr-
zeugen ist wegen der geringen Energiedichte dagegen nicht zu
erwarten. Forschungsschwerpunkte sind heute die Steigerung der
Energiedichte durch verbesserte und nanostrukturierte Oberflä-
chen sowie die Senkung des Innenwiderstands, um noch höhere
Leistungen zu ermöglichen [Hofmann (2014)].
2.2.5 REDOX-FLOW-BATTERIEN
Das Verfahren der Redox-Flow-Batterien beruht auf dem Prinzip
der Speicherung von chemischer Energie in Form von gelösten
Redox-Paaren in externen Tanks. Die Stromerzeugung erfolgt in
einem getrennten Leistungsmodul. Den Elektroden wird während
der Entladung kontinuierlich der umzusetzende gelöste Stoff aus
den Vorratstanks zugeführt und das entstehende Produkt abge-
führt. Zum Laden wird die Pumprichtung des Elektrolyten umge-
kehrt. Man unterscheidet Redox-Flow-Batterien mit zwei flüssi-
gen elektroaktiven Komponenten sowie Hybrid-Flow-Batterien
mit einer flüssigen und einer festen elektroaktiven Komponente.
Elektrolyte werden heute meist als metallische Salze in wässri-
ger Lösung, am häufigsten auf Basis von Vanadium, entwickelt.
Allerdings wird auch an organischen Materialien geforscht, um
Kosten zu minimieren und die Materialverfügbarkeit zu erhöhen
[Harvard (2014)]. Weitere Elektrolytmaterialien sind Vanadium-
Bromid, Polysulfid-Bromid, Uran, Eisen-Chrom oder Neptunium.
Bei der Hybrid-Flow-Batterie ist hingegen Zink-Brom oder Cer-
Zink im Einsatz [Tübke (2011)]. Die Energiedichten der Anlagen
werden zumeist in der Größenordnung von Blei-Akkus angegeben
und mit bis zu 70 Wh/l beziffert. Die Wirkungsgrade erreichen bis
zu 85 % und liegen auf Systemebene, also inklusive des Energie-
verbrauchs durch die Pumpen immer noch bei über 75 %. Heutige
Anlagen haben Lebensdauern von mehr als 20 Jahren und Zyk-
lenzahlen von über 10.000. Redox-Flow-Batterien zeichnen sich
weiterhin durch schnelle Ansprechzeiten (μs – ms), gute Über-
lade- und Tiefentladetoleranzen, weite Temperaturbereiche (−25
bis 40 °C) sowie praktisch nicht vorhandene Selbstentladung aus
[ISEA (2014)]. Der große Vorteil von Redox-Flow-Batterien ist die
Skalierbarkeit: Durch Vergrößerung der Tanks können Anlagen mit
nahezu beliebigem Energieinhalt (bis zu mehreren MWh) aufge-
baut, durch Erweiterung der Leistungsmodule Leistungen bis in
den MW-Bereich bereitgestellt werden. Aufgrund der genannten
Eigenschaften werden Redox-Flow-Technologien vor allem für
stationäre Anwendungen gesehen, beispielsweise als Energie-
speicher für Windparks. Diese meist in Containern aufgebauten
Anlagen sind heute von mehreren Herstellern in unterschiedli-
chen Energie- und Leistungsklassen kommerziell erhältlich. Für
die mobile Anwendung in Elektrofahrzeugen sind deutlich höhere
Energiedichten erforderlich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bat-
terien kann die Ladung extern an einer Tankstelle erfolgen. Das
Fahrzeug kann dann mit den geladenen Elektrolytflüssigkeiten in
wenigen Minuten betankt werden. Ein Prototypenfahrzeug (Quant
e-Sportlimousine) mit Redox-Flow-Speicher wurde jüngst von der
Firma nanoFlowcell AG vorgestellt [Nanoflowcell (2014)]. Der Her-
steller gibt die Energiedichte mit 600 Wh/kg bei einer möglichen
Nennleistung von 30 kW an.
Entwicklungsziele sind insbesondere neue Elektrolytsysteme für
höhere Energiedichten, aber auch die Optimierung der Leistungs-
module für mehr Leistung sowie Reduzierung der Anlagen- und
Wartungskosten durch beispielsweise neue Membrane.
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