Die Initiativen

Super-Kon - Neue Super-Kondensatoren als Energiespeicher - Halle

Das ForMaT-Vorhaben

Nach den Zielen der Energiepolitik der Bundesregierung soll der Anteil der Erneuerbaren Energien am Energieverbrauch deutlich zunehmen. Bis zum Jahr 2020 sollen mindestens 30 Prozent des Bedarfs durch diese besonders ökologische Form der Energie gedeckt werden. Doch die Probleme, die beispielsweise mit der Einspeisung von Windenergie ins Netz einhergehen, sind vielfältig. Der Wind weht zu unterschiedlichen Zeiten und mit unterschiedlicher Stärke; die Sonneneinstrahlung ist stark wetter- und tageszeitabhängig.

Da nicht alle diese Einflüsse zweifelsfrei im Voraus prognostizierbar sind, müssen einerseits Netzkapazitäten freigehalten und aufwendige Umwandlungsprozesse zwischengeschaltet werden, um die Einspeisung zu ermöglichen. Andererseits müssen im Falle einer Auslastung der Stromnetze die Anlagenbetreiber ihre Windenergie- oder Solaranlagen aufgrund fehlender Speicherkapazitäten abschalten, wodurch ein effizientes „Ernten“ von Wind- bzw. Sonnenenergie verhindert wird. Durch eine Lösung dieser Probleme könnte eine deutlich effizientere Ausnutzung der bestehenden Anlagen erreicht werden, wodurch sich wesentliche Vorteile für die unterschiedlichen Interessengruppen ergeben.

Beispielsweise kann der Anlagenbetreiber bei Netzeinspeisungen zum Ausgleich von Energieengpässen höhere Gewinne erwirtschaften. Für seinen eigenen Bedarf kann er die gespeicherte Energie ganztägig nutzen, was zu einer Unabhängigkeit vom Wind oder der Sonneneinstrahlung führt und somit die Kosten senkt. Der Anlagenbetreiber kann nun selbst entscheiden, ob er die gespeicherte Energie einspeist, längerfristig speichert oder selbst verbraucht. Der Netzbetreiber auf der anderen Seite minimiert das Risiko von Spannungsabfällen und Stromausfällen. Durch die Speicherung der Energie bekommt er genaue Plandaten und kann so seinen Energiemix sicher umsetzen.

Als Antwort auf diese Bedürfnisse wurde die Idee des Super-Kon-Energiespeichers geboren. Dessen Grundlage ist die physikalische Speicherung von elektrischer Energie in Dünnschichtbauelementen. Dafür wird ein neuartiges – zunächst auf die regionalen Marktanforderungen abgestimmtes – Super-Kondensator-Modul entwickelt, welches ein effektives, flexibles, ökologisches und sicheres System zur Energiespeicherung mit besonderem Fokus auf die regenerativen Energien (Windenergie, energy harvesting, Photovoltaik) darstellt.

Die Ziele

Das Hauptziel der ForMaT-Initiative Super-Kon besteht darin, mit neuartigen Komposit-Kondensatoren vergleichbare Energiedichten wie die von verfügbaren, aber in der Anwendbarkeit begrenzten, Doppelschichtkondensatoren (Supercaps) zu erreichen und dabei die spezifischen Vorteile der Super-Kondensatoren nutzbar zu machen.

So sind Betriebstemperaturen oberhalb 60°C für den Super-Kon unproblematisch und er benötigt keine Kühlvorrichtungen für eine optimale Leistung. Letztlich kann pro Volumen bzw. Gewicht deutlich mehr Energie als bisher gespeichert werden. Im Gegensatz zu Doppelschichtkondensatoren erwarten wir für unsere Komposit-Kondensatoren bedingt durch ihren spezifischen Aufbau keine nennenswerten Alterungserscheinungen. Dadurch können Laufzeiten realisiert werden, die größer als die Betriebszeit der gesamten Baugruppe sind, in der die Kondensatoren eingesetzt werden. Die Systeme werden somit wartungsfrei. Weitere bauartbedingte Vorteile der Super-Kondensatoren liegen in deutlich höheren Ladespannungen (> 10 V), der größeren thermischen Stabilität und der Möglichkeit schnellerer Lade- und Entladezyklen. Mit dem Super-Kon wird ein robuster Energiespeicher entwickelt, der seine Funktionalität trotz schwankender Umwelteinflüsse nicht einbüßt.

Der Super-Kon basiert auf einer physikalischen Wirkungsweise und besitzt oder entwickelt im Gegensatz zu elektro-chemischen Speichertechnologien keine schädlichen Komponenten oder Abfallprodukte. Dadurch und durch sein abgeschlossenes System, stellt er ein im höchsten Maße umweltfreundliches Produkt dar.  

Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften besitzt der Super-Kon eine vergleichsweise hohe Lebensdauer von über einer Million Lade- und Entladezyklen. In diesem Zeitraum fallen keine Kosten für Wartungen oder Verschleißteile an.

Im Überblick:
  • funktionell–technische Vorteile: Robustheit, Lebensdauer, Wirkungsgrad
  • ökologische Vorteile: Sicherheit für Mensch und Tier, Schonung der Umwelt
  • Kostenvorteile: geringe Herstellungskosten, keine Wartungskosten, keine Verschleißteile

Die thematischen Schwerpunkte

Im Ergebnis soll ein Super-Kon-Demonstrator für den Milliwatt-Bereich auf der Basis von dielektrischen Kompositmaterialien entwickelt und aufgebaut werden. Die zu realisierenden Komposite sind dabei elektrische Schichten mit eingebetteten ferroelektrischen Nanoteilchen (sogenannte 0–3-Komposite).

Der prinzipielle Ablauf der Forschung im Innovationslabor lässt sich in drei Schritte gliedern: Schichtdeposition, Kontaktierung und Charakterisierung mit einer direkten Rückkopplung zur Schicht- bzw. Bauelemente-Optimierung. Die einzelnen Schritte sind dabei eng miteinander verzahnt.

Neben der Forschungstätigkeit in den beteiligten Arbeitsgruppen stellt die betriebswirtswirtschaftliche Projektunterstützung eine wesentliche Komponente der Arbeit im Innovationslabor dar. Die Schwerpunkte der Projektarbeit liegen bei der Festlegung der Material- und Bauelemente-Strategie in den Bereichen Schichtdeposition/Nanokompositmaterialien, Kontaktierung/Bauelementedesign und der Charakterisierung sowie der Definition von weiterzuverfolgenden Verwertungsoptionen der erzielten Ergebnisse.

Die Partner

  • Institut für Physik (Prof. Dr. Horst Beige) der Martin-Luther-Universität Halle–Wittenberg
  • Institut für Chemie (Prof. Dr. Stefan Ebbinghaus) der Martin-Luther-Universität Halle–Wittenberg
  • Interdisziplinäres Zentrum für Materialwissenschaften (PD Dr. Hartmut S. Leipner) der Martin-Luther-Universität Halle–Wittenberg

Kontakt

Dipl.-Kff. Kristin Suckau
Martin-Luther-Universität
Institut für Physik
Von-Danckelmann-Platz 3
06120 Halle/Saale
Tel.: 0345/55-25548
E-Mail: kristin.suckau[at]super-kon.uni-halle.de 
www.super-kon.uni-halle.de


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