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Kondensatoren: Antrieb durch Stromschlag

Lange galten Akkus und Brennstoffzellen als einzig mögliche Energiespeicher für Elektroautos. Nun sollen Superkondensatoren für satten Schub sorgen.

Als Wissenschaftler ist Philip Grabherr von Berufs wegen zur analytischen Nüchternheit verdammt. Am Elektrotechnischen Institut der Karlsruher Ideenschmiede KIT beschäftigt er sich mit für Laien schwer zugänglichen Dingen im Automobilbereich, stromrichterbasierten Netzdienstleistungen etwa oder Ladeströmen. Bei einem Thema wird Grabherr aber ziemlich emotional: Superkondensatoren. "Wir sind hier alle total begeistert von den Dingern. Sie haben ­einfach tolle Eigenschaften."

Was in Wissenschaft und Industrie für Verzückung sorgt, sieht aus wie eine ­riesige Schrotpatrone aus Metall. "Superkondensatoren können in kurzer Zeit viel elektrische Leistung wegspeichern und auch wieder abgeben", sagt Grabherr. ­Geschickt eingesetzt könnten sie Elektroautos einen Leistungskick verschaffen. Tatsächlich treten die Super-Cabs an, ­moderne Akkus, wenn nicht zu ersetzen, so doch an vielen Stellen zu ergänzen.

Kondensatoren kennen keinen Memory-Effekt 

Batterien auf Lithium-Ionen-Basis haben nämlich einen Nachteil. Zwar können sie große Mengen an Energie speichern, aber sie brauchen zum Aufladen ziemlich lange, zumindest bei normaler Stromstärke. Bei E-Autos kann der Ladevorgang mehrere Stunden dauern. Anders­herum ist die Leistungsabgabe beschränkt. Entzieht man dem Akku zu schnell zu viel Energie, geht er in die Knie.

Anwendungen in Windkraftanlagen

Super-Caps stellen das Gegenkonzept der recht trägen Akkus dar. Zwar können sie weniger Energie speichern, sie sind aber schon nach Sekunden aufgetankt und geben ihre volle Kraft innerhalb kurzer Zeit ab. Zudem können sie beliebig oft be- und entladen werden, ­ohne an Leistung zu verlieren.

In Großanwendungen werden die Super-Caps daher schon länger eingesetzt. Windenergieanlagen speichern damit bei böigem Wind Leistungsschwankungen kurzerhand weg. Und der Lion’s City ­Hybridbus von MAN speichert die im ständigen Stop-and-go-Verkehr frei werdende Bremsenergie in Superkondensatoren und hält so die Einsatzzeiten des Dieselmotors extrem kurz. Auch die Verkehrsbetriebe der Städte Heidelberg, Ludwigshafen und Mannheim schwören auf das System. Grund sind Lücken in der elek­trischen Verkabelung ihrer Straßenbahngleise, die aus technischen Gründen nicht geschlossen werden können. Mit Hilfe der Leistungskapseln können die Züge auch auf den toten Gleisabschnitten fahren.

In Pkw gibt es ebenfalls erste Anwendungen, im Mazda 6 sowie im nächsten Mazda 3 beispielsweise. Die Japaner nennen die Technologie, die den Kondensator in nur sechs Sekunden auflädt, i-Eloop. Die Energie reicht, um Radio, Sitzheizung oder Licht 60 Sekunden lang mit Strom zu versorgen. Muss der Motor weniger oder gar keinen Strom erzeugen, sinkt der Spritverbrauch um bis zu zehn Prozent.

Weniger Energieverbrauch ist auch das Ziel eines Start-Stopp-Systems von Continental, das Super-Caps nutzt. Vor und nach Ampelphasen soll es die gesamte Stromversorgung des Autos übernehmen und das Fahrzeug zum Segeln bringen, also zum sparsamen Gleiten im hektischen Stadtverkehr.

Motordoping per Kondensator

Die intelligente Nutzung von Brems- und Beschleunigungsenergie ist auch nach Ansicht von KIT-Forscher Grabherr eine Stärke der Superkondensatoren. Speziell Elektroautos oder Hybride sind auf die vollständige Nutzung der Bremsenergie angewiesen, um die Reichweiten zu erhöhen. Das ständige Hin und Zurück der Stromflüsse belastet aber selbst moderne Akkus erheblich, weswegen in der Praxis oft die Bordelektronik eingreift und die Rückspeicherung abregelt, wodurch Energie nutzlos verpufft.

"Superkondensatoren haben diese Probleme nicht", sagt Grabherr. In Kombination mit einem Akku gewinne ein E-Fahrzeug erheblich an Leistung. Außerdem steige der Fahrspaß. Wie bei einem Overboost erlaube der Energieschub ungeahnte Zwischensprints. Das ist auch der Grund, wieso Formel-1-Rennställe auf Motordoping per Super-Cap setzen.

Die Avantgarde der deutschen Automobilindustrie übt sich indes in Zurückhaltung. Die Technologie sei zwar interessant, etwa um die elektrischen Bord­netze zu stabilisieren, nicht aber für Elektrofahrzeuge. Da komme die Kraft am besten aus dem Akku, heißt es bei Daimler aus Stuttgart. Ähnlich klingt es bei BMW, Audi und Deutschlands größtem Zulie­ferer Bosch.

Entwickler Grabherr erklärt sich die Zurückhaltung der Konzerne mit zusätz­lichen Kosten und dem Platzbedarf der Energiezylinder. Mazda hat die rund 50 Zentimeter lange Röhre hinter den Radkasten gequetscht. Die anderen Hersteller wollen wohl erst das elektrische Fahren mit Akku in den Griff bekommen, bevor sie noch eins draufsetzen, mutmaßt Grabherr. Bei einem ist er sich allerdings sicher: "Superkondensatoren stehen in den Startlöchern – auch in der Automobilindustrie."

Mazda i-Eloop

Hightech-Rekuperation

Bis zu zehn Prozent seiner Energie benötigt ein Auto für die elektrischen Verbraucher. Um die Energie zu gewinnen, muss der Motor einen Generator antreiben, in der Regel über einen Keilriemen. Das kostet wertvollen Kraftstoff. Der Mazda 6 speichert per Rekuperation beim Bremsen gewonnene Energie in einem etwa 50 Zentimeter langen Kondensator. Eine volle Ladung dauert nur sechs Sekunden und reicht, um eine Minute lang alle Verbraucher zu speisen. Da in dieser Zeit die Lichtmaschine abgekoppelt werden kann, spart das i-Eloop genannte System bis zu zehn Prozent Kraftstoff. 

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11. November 2013
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