Supercap statt Akku: Neue Hochleistungs-Energiepuffer machen Brennstoffzellenautos wirtschaftlicher

Supercaps sollen künftige Brennstoffzellenautos wirtschaftlicher machen und deren Fahrleistungen verbessern: Die Hochleistungs-Kondensatoren werden mit überschüssiger Energie oder mit der beim Abbremsen des Fahrzeugs freiwerdenden Energie aufgeladen. Beim Beschleunigen bringt der Energieschub aus den Supercaps zusätzliche Leistung. Anders als Akkus unterliegen solche Kondensatoren jedoch keinem Verschleiß.

Die Motoren gewöhnlicher Autos mit Verbrennungsmotor sind etwa um den Faktor zwei überdimensioniert: Die maximale Motorleistung wird nur während eines Bruchteils der Betriebszeit benötigt, etwa beim Beschleunigen aus dem Stand oder bei einem Überholmanöver. Den größten Teil der Zeit, beispielsweise beim „Mitschwimmen“ im dichten Verkehr oder bei der Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit auf einer Bundesstraße, würde ein Motor mit wesentlich geringerer Leistung völlig ausreichen. Überdimensionierte Motoren sind jedoch nicht nur teurer und schwerer, sie verbrauchen insgesamt auch mehr Kraftstoff, da der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors im unteren Bereich seiner Leistungskurve deutlich geringer ist.

Bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb, wie sie jetzt auch in Europa auf dem Markt sind, zeigt sich bereits ein Ausweg aus diesem Dilemma: Autos wie der Toyota Prius werden gleichzeitig von einem Elektro- und einem Verbrennungsmotor angetrieben. Der Verbrennungsmotor treibt zudem noch einen Generator an, der sowohl den Elektromotor mit Strom versorgt, als auch einen leistungsstarken Akku lädt. Geschicktes Motormanagement ermöglicht bei einem solchen Hybridsystem einen sehr geringen Gesamtverbrauch. Der Clou eines solchen Fahrzeugs ist jedoch, dass über die im Akku gepufferte Energie kurzzeitig eine wesentlich höhere Leistung zur Verfügung steht, als der eingebaute Verbrennungsmotor eigentlich liefern kann. So lassen sich die Fahrleistungen extrem steigern.

Künftige Brennstoffzellenautos werden ähnlich funktionieren – nur dass statt dem Verbrennungsmotor mit Generator eine Brennstoffzelle die elektrische Energie liefert. Der erste Prototyp eines wasserstoffgetriebenen Audi, ein umgebauter A2, erreicht mit einer solchen Technik Fahrleistungen, wie sie sonst nur mit sehr PS-starken Verbrennungsmotoren zu schaffen sind.

Der Nachteil eines solchen Systems liegt in den Akkus: Da dort in elektrochemischen Reaktionen chemische Verbindungen umgesetzt werden, unterliegen Akkus bei den ständigen Lade- und Entladevorgängen einem Verschleiß, so dass die Leistung irgendwann nachlässt. Toyota beispielsweise gibt für die Leistungsfähigkeit des Prius-Hybridsystems nur eine Garantie von acht Jahren oder 160.000 Kilometern. Zudem sind die maximalen Lade- und Entladeströme eines Akkus eng begrenzt.

Kondensatoren könnten hingegen eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer dieser Pufferspeicher ermöglichen, denn hier laufen keine elektrochemischen Reaktionen ab, sondern es werden schlichtweg Ladungen getrennt. Der einfachste Kondensator besteht aus zwei gegenüberliegenden Metallplatten. Auf der einen Platte herrscht ein Überschuss an Elektronen, auf der anderen ein Mangel. Werden beide Platten kurzgeschlossen, fließt ein Strom und die im Kondensator gespeicherte Energie kann genutzt werden.

Je größer die Oberfläche und je näher die beiden Platten zusammenliegen, desto größer ist die Kapazität des Kondensators und desto mehr Energie kann er speichern. Lange Zeit schien es jedoch so, als habe die Entwicklung neuer und leistungsfähigerer Kondensatoren eine Grenze erreicht, die keinen Einsatz dieser Technik als Energiepuffer in Autos erlaubt: Ein solcher Puffer muss Energien von etwa 220 Wattstunden speichern können – mit herkömmlichen Elektrolyt-Kondensatoren würde dieser Speicher vier Tonnen wiegen. Das haben Günther Scherer vom Paul-Scherrer-Instituts in Villigen (Schweiz) und seine Kollegen ausgerechnet – eines der Forscherteams, die sich mit der Entwicklung von Kondensatoren befassen.

Der entscheidende Fortschritt kam erst mit der Entwicklung von Kondensatoren, deren Oberfläche nach den Regeln der fraktalen Geometrie um einen Faktor von mehreren Zehntausend gesteigert werden konnte. Möglich wurde dies durch winzige Kohlenstoffpartikel mit einer sehr fein strukturierten, dreidimensionalen Oberfläche. Pro Gramm des Materials sind so Oberflächen von etwa 2000 Quadratmetern und damit eine extrem hohe Kapazität möglich.

Die aus solchen Materialien von den Schweizer Wissenschaftlern entwickelten Supercaps wiegen 320 Gramm und können eine Energiemenge von 1,4 Wattstunden speichern. Mit einem 50 Kilogramm schweren Satz aus 160 solcher Kondensatoren lassen sich daher die für den Betrieb eines Fahrzeugs erforderlichen 220 Wattstunden erreichen.

Getestet haben die Schweizer Entwickler ihre Supercaps bereits vor zwei Jahren in einem Brennstoffzellenfahrzeug, einem VW Bora, der mit einer 48-Kilowatt-Brennstoffzelle ausgestattet ist. Die in dem System eingesetzten 282 Supercaps können eine Leistung von bis zu 60 Kilowatt liefern, womit sich die maximal zur Verfügung stehende Leistung mehr als verdoppeln lässt. Derzeit arbeiten die Wissenschaftler an der Weiterentwicklung der Systeme. Ihre Ergebnisse wollen sie Ende des Jahres vorlegen.