Energiespeicher (nicht nur) zum Treibstoff sparen - All

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Exklusiv-Interview mit Dr. Adrian Schneuwly, Maxwell
Energiespeicher (nicht nur)
zum Treibstoff sparen
Durch den konsequenten Einsatz von ULTRACAPS (Ultrakondensatoren) lässt sich Energie in erheblichem Umfang sparen. Immer dann, wenn kurzzeitig viel Energie abgegeben oder aufgenommen
werden muss, sind Ultracaps unschlagbar. So lösen Ultracaps beispielsweise diverse Probleme in
Hybridfahrzeugen sowie bei der Stabilisierung des Bordnetzes. AUTOMOBIL ELEKTRONIK sprach mit
Dr. Adrian Schneuwly, Senior Director Worldwide Sales & Marketing bei Maxwell Technologies, über
den Einsatz von Ultracaps in der Automobilindustrie.
AUTOMOBIL ELEKTRONIK: Supercaps können auf verschiedene Weigemäß einem geschützten trockenen Herstellungsprozess selber
gefertigt.
se aufgebaut werden. Für welche Technologie hat sich Maxwell entUltrakondensatoren aus dem Hause Maxwell unterscheiden
schieden und warum?
Dr. Adrian Schneuwly: Maxwell stellt zylindrische Kondensatosich von Konkurrenzprodukten vor allem durch besonders
ren auf Basis von symmetrischen Kohlenstoffpulver-Elektroden
niedrige Werte beim Innenwiderstand, so dass sich damit kürzeste Reaktionszeiten sowie höchste Leistungsabgabe bei geund einem organischen Elektrolyten her. Konkurrenztechnologien sind Kondensatoren mit asymmetrischen Metalloxid-Kohringsten Verlusten ergeben. Aufgrund von symmetrischen Kohlenstoff-Elektroden-Zellen, die auf einem wässrigem Elektrolylenstoff-Kohlenstoff-Elektroden und einem rein physikalischen
ten basieren, Pseudokondensatoren sowie Komponenten auf Basis von leiten„Eine Kombination aus Batterien und Ultrakondensatoren
den Polymeren. Dabei spielen vor allem
die verwendeten Materialien eine zenstellt (im Bordnetz) eine exzellente Symbiose dar.“
trale Rolle. Heute werden neben mikroDr. Adrian Schneuwly, Maxwell
und mesoporösen Kohlenstoffen sowie
Nano-Kohlenstoffen auch Metalloxide
Ladungsprozess kann diese Technologie eine hohe Zyklenzahwie RuO2, NiO oder MgO2 und Polymere wie Polyanilin, Polyinlen von weit über 1 Million Zyklen erreichen; sie liegt damit um
dole, oder Polyacetylen eingesetzt. Metalloxide weisen mit bis
Größenordnungen über derjenigen von Redox- oder Pseudozu 800 Farad/Gramm (F/g) die höchsten Kapazitätswerte auf,
kondensatoren mit chemischem Lade- und Entladeprozess. Die
gefolgt von Polymeren mit bis zu 300 F/g. Kohlenstoffe erlauben
Verwendung von einfachem und in großen Mengen verfügWerte bis 200 F/g, und mit Kohlenstoff-Nanotubes können
barem Kohlenstoffpulver erlauben attraktive Kosten im Markt.
theoretisch bis zu 350 F/g erzielt werden.
Maxwell verwendet für seine Ultrakondensatoren als RohmateAUTOMOBIL ELEKTRONIK: Welche technologischen Fortschritte
rial kostengünstige Kokosnussschale, um aktiviertes mikroposind bei Ultrakondensatoren von Maxwell in den kommenden Jahröses Kohlenstoffpulver mit einer Kapazität von zirka 100 F/g
ren zu erwarten?
herzustellen. Dies ermöglicht einen hervorragenden KomproDr. Adrian Schneuwly: Maxwell wird heute als technisch fühmiss zwischen Kosten und Performance. Die Elektroden werden
rendes Unternehmen im Bereich von Ultrakondensatoren gese-
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„Längerfristig wird
davon ausgegangen,
dass sich Modulpreise von unter 5 €/Wh
erreichen lassen.“
Dr. Adrian Schneuwly,
Maxwell
hen. Um diese Stellung auch weiterhin halten zu können, wird
primär massiv in die Weiterentwicklung der Kohlenstoff-Elektroden, die Schlüsselkomponente von Ultrakondensatoren, investiert. Neben der Erhöhung der Kapazität liegt der Fokus
hauptsächlich auf der Senkung des Innenwiderstandes. Gerade
bei Anwendungen im Automobilbereich ist ein geringer Innenwiderstand Voraussetzung für einen hohen Wirkungsgrad und
kleine Verluste. Ein besonderes Augenmerk liegt deshalb auch
auf einem für hohe Ströme und hohe Leistungen ausgelegten
Kondensator-Packaging sowie einem entsprechend optimierten
Moduldesign. Dabei dürfen natürlich die Kosten nicht vernachlässigt werden. Ein weiteres Ziel ist die Erhöhung der Zellenspannung. Diese erlaubt einerseits eine geringere Anzahl der in
Serie geschalteten Kondensatoren oder andererseits eine Erhöhung der Lebensdauer durch tiefere Belastung der Zellen. Konkret ist mit einer Verdoppelung von Energiedichte in Wh/kg und
Leistungsdichte in kW/kg von Ultrakondensatoren zu rechnen.
AUTOMOBIL ELEKTRONIK: Wie sehen Sie die Preisentwicklung bei
Ultracaps/Ultracap-Modulen?
Dr. Adrian Schneuwly: Über die letzten Jahre haben sich die
Preise von Ultrakondensatoren auf Basis von Kohlenstoffpulver
entsprechend früheren Aussagen entwickelt. Musste man im
Jahr 2000 noch mit einem Preis von 10 Euro-Cent/F rechnen,
sind heute Preise von 1 Euro-Cent/F bei entsprechenden Volumen möglich. Dies entspricht je nach Kondensatorgröße und
Typ einem Modulpreis von zirka 15 bis 30 €/Wh, wobei der Automobilmarkt einen Preis von 15 €/Wh verlangt. Diese Preisreduktion konnte hauptsächlich durch steigende Marktnachfrage und damit höhere Produktionsvolumen, automatisierte Produktion sowie Performance-Verbesserungen auf der Materialseite erzielt werden. Längerfristig wird davon ausgegangen, dass
sich Modulpreise von unter 5 €/Wh erreichen lassen.
AUTOMOBIL ELEKTRONIK: Ultrakondensatoren können einerseits
im Antriebsstrang von Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, andererseits aber auch Leistungsspitzen im Bordnetz abdecken. Wo
sehen Sie erste Anwendungen und wie sehen Sie die Entwicklung?
Dr. Adrian Schneuwly: Aufgrund sich verändernder und stetig
wachsender Anforderungen an das Energiemanagement im
Fahrzeug gewinnen Ultrakondensatoren als hocheffiziente
Speicher zur kurzzeitigen Abdeckung von Leistungsspitzen zunehmend an Bedeutung. In den vergangenen 5 Jahren hat der
Kostenanteil der Fahrzeugelektronik im Automobil um 8% zugenommen. Ultrakondensatoren werden zuerst zur Bordnetzstabilisierung eingesetzt werden. Hierzu werden Kondensatoren mit einer Kapazität von typischerweise 300 bis 700 F für
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temen zum Einsatz kommen. Außerhalb des Autos ist sicher der
Einsatz von Ultrakondensatoren im redundanten und sicherheitskritischen Türöffnungssystem des neuen Airbus A380 erwähnenswert.
AUTOMOBIL ELEKTRONIK: Wie entwickeln sich Ultracaps in Systemen zur Beschleunigungsunterstützung bzw.als Speicher zur Rekuperation der Bremsenergie und wie steht es um die Zusammenarbeit mit Automobilherstellern bzw. den Zulieferern?
Dr. Adrian Schneuwly: Hybridfunktionen können ähnlich angesehen werden wie das Recycling von Material: Verringern,
Wiederverwenden, Rezyklieren – und in diesem Fall erfolgt dies
eben mit Energie: Es geht um die Senkung des Treibstoffverbrauchs durch Start-Stop-Funktionen und Downsizing, um die
Wiederverwendung von vorhandener Energie durch Rekuperation der Bremsenergie sowie um das Rezyklieren der gespeicherten Energie im nächsten Beschleunigungsvorgang. Durch
entsprechende hybride Antriebssysteme lassen sich Einsparungen von 2 bis 4 % bei Mikrohybridsystemen, 5 bis 20 % bei
Mildhybriden und bis zu 30 % bei Vollhybriden erzielen. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die meisten Tier-1 derartige Rekuperations-, Start-Stop- und Mikro- sowie MildhybridKomponenten entwickelt haben. In einigen Implementation
spielen dabei Ultrakondensatoren eine zentrale Rolle. Maxwell
hat in letzter Zeit bereits Informationen über konkrete Kooperationsprojekte mit den Firmen Alcoa AFL Automotive sowie
Kromberg & Schubert veröffentlicht. Weitere werden folgen.
AUTOMOBIL ELEKTRONIK: Ultrakondensatoren werden oft im Zusammenhang mit Brennstoffzellenfahrzeugen genannt. Wie sehen
Sie diese Applikation? Was wurde realisiert?
Dr. Adrian Schneuwly: Was sich im Industriebereich z. B. bei
stationären USV-Anlagen im Telekom-Bereich etabliert hat,
könnte auch im Automobilbereich zum
Erfolg führen: Die Kombination von
„Bemerkenswert ist die Verwendung von Ultrakondensatoren
Brennstoffzellen mit Ultrakondensatoren. Dabei decken die Ultrakondensatoals redundante Speicher im elektronisch kontrollierten Bremsren die dynamischen Leistungsbedürfnissystem.“
se ab, die zur Rekuperation, zur KompenDr. Adrian Schneuwly, Maxwell
sation der Ansprechzeit der Brennstoffzelle und für die zahlreichen Leistungsverbraucher bereitgestellt werden müssen. Im Rahmen entspretion, wobei sich letztere heute bei den meisten Firmen durchchender Entwicklungsaktivitäten haben viele OEMs eine Vielsetzt. Bei der aktiv parallelen Konfiguration werden die unterzahl an möglichen technischen Lösungen präsentiert. Hinsichtschiedlichen Spannungsniveaus der beiden Speicher mit Hilfe
lich der Einführung von Ultrakondensatoren ist wohl Honda
von Leistungselektronik kombiniert. Ein Zweispannungsbordmit den Brennstoffzellen-Fahrzeugen der Serie FCX führend.
netz ist zwangsläufig komplexer und kostenaufwendiger als ein
Dabei werden zwei hinter dem Rücksitz platzierte Ultrakondenherkömmliches Bordnetz. Dennoch überwiegen die Vorteile
sator-Module mit einer 78-kW-PEM-Brennstoffzelle in einer didieses Systems und innovative Lösungen wie beispielsweise ein
rekt parallelen Konfiguration zu einer idealen EnergiespeicherBordnetz variabler Spannung werden sich durchsetzen. Im Ineinheit verknüpft. Damit sich die Brennstoffzellen-Technologie
dustriebereich hat sich eine Kombination aus Batterien und Ulim Fahrzeug durchsetzen kann, müssen allerdings noch einige
trakondensatoren bereits etabliert. Gute Beispiel hierfür finden
Schwierigkeiten bewältigt werden. Dazu gehören das Managewir in der Telekommunikation, im Bereich der USVs, in Digitalment des an der Anode kondensierenden Wassers, das therkameras und anderen tragbaren Geräten sowie in neuartigen
mische Management des Brennstoffzellen-Stacks, die SpeicheStrom- und Gaszählersystemen.
rung von Wasserstoff im Fahrzeug sowie die Verkürzung der
AUTOMOBIL ELEKTRONIK: Wie ist die Situation beim Einsatz von UlAnsprechzeit der Brennstoffzelle. Zudem sind heutzutage Fahrtrakondensatoren als Backup für Sicherheitsfunktionen?
zeuge, die mit herkömmlichem Treibstoff betrieben werden, in
Dr. Adrian Schneuwly: Ultrakondensatoren kommen bereits in
ihrer Performance und Wirtschaftlichkeit den BrennstoffzellenAutomobilanwendungen als Backup für Sicherheitsfunktionen
fahrzeugen noch deutlich überlegen.
zum Einsatz. Bemerkenswert ist die Verwendung von Ultrakondensatoren als redundante Speicher im elektronisch kontrollierDas Interview führte Siegfried W. Best. (av)
ten Bremssystem bei Toyota in den hybriden Modellen Prius,
Lexus und Camry seit mehr als 3 Jahren. Die verwendeten
15-V-Module haben einen Energieinhalt von 2,1 Wh. Das aktuelle Produktionsvolumen bei Toyota beträgt für diese Modelle
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zirka 300.000 Fahrzeuge. Maxwell selber ist in mehreren Proweitere Infos:
301AEL0307
jekten involviert, in denen Ultrakondensatoren in Backup-Sys-
X-by-Wire-Systeme wie elektrische Lenkung, elektrische Bremsen, Schnellheizung oder auch im Audiobereich eingesetzt. Ultrakondensatoren sind ideal für Bordnetz-Anwendungen, da sie
sich dezentral nahe am Verbraucher einsetzen lassen und dort
die Spannung des elektrischen Systems stabilisieren.
Danach werden Kondensatoren mit einer Kapazität von 400
bis zirka 1000 F in Mikrohybridsystemen zur Bremsenergie-Rekuperatrion und für Start-Stop-Anwendungen zum Einsatz
kommen. Längerfristig wird dann der Einsatz von größeren Ultrakondensatoren mit Kapazitäten im Bereich von 2000 bis
4000 F für Mild- und Vollhybridfahrzeuge Realität.
AUTOMOBIL ELEKTRONIK: Die Kombination aus Batterie und Ultrakondensatoren erhöht die Batterielebensdauer, da der Kondensator
die Stromstoßbelastung übernimmt. Außerdem kann die Batterie
kleiner ausfallen. Warum sieht man diese Applikation noch nicht
auf dem Markt? Bei den immer komplexeren bzw. komplizierteren
Bordnetzen bzw. bei Zweispannungsnetzen ergäben sich doch ideale Möglichkeiten…
Dr. Adrian Schneuwly: Eine der markantesten Anforderungen
an das zukünftige Bordnetz ist es, die von Hochleistungsverbrauchern verursachten kurzfristigen Spitzenlasten abzudecken. Während Batterien mit den dynamisch auftretenden Leistungsspitzen der Hochlastverbraucher übermäßig strapaziert
werden und sich ihre Lebensdauer dadurch stark verringert,
können Ultrakondensatoren diese Aufgabe optimal erfüllen. Eine Kombination aus Batterien und Ultrakondensatoren stellt
dabei eine exzellente Symbiose dar, in der die Batterie die kontinuierlichen Energiebedürfnisse sicherstellt, während der Ultrakondensator die Leistungsspitzen abdeckt. Im Automobilbereich sind zwei Ultrakondensator-Batterie-Kombinationen
denkbar: Die direkt parallele und die aktiv parallele Konfigura-
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