Inwiefern eignen sich Superkondensatoren auf Basis ökologischer Rohstoffe hinsichtlich der Ladeeffizienz für die Nutzung in E-Bikes? Ergebnisse des Forscherteams Mobilität des 2 C ampus 2016 2 C WWF ampus: Deutschland Ergebnisse WWU des Münster Forscherteams Mobilität
Gliederung 1. Einleitung: Mobilität im Kontext des 2 Limits 2. Zielsetzung 2.1 Forschungsfrage und Zielsetzung 2.2 Entwicklung des E-Bike-Bestandes in Deutschland 2.3 Forschungsfrage und Autor/innen 3. Vergleich -Akku/Supercap* 3.1 Entladener Supercap 3.2 Geladener Supercap 4. Durchführung 4.1 Ressourcen für das Aktivmaterial 4.2 Herstellung des Aktivmaterials 4.3 Herstellung der Elektroden 4.4 Bau des Supercaps 5. Ergebnisse/ REM Analyse 5.1 5.5 Einzelmessungen der verschiedenen Supercaps 5.6 Langzeitmessungen 5.7 Praxistest 6. Vergleich der Kondensatoren 7. Fehleranalyse 8. Fazit 8.1 Diskussion der Ergebnisse 9. Kontakt & Dank *engl. Bezeichnung für Superkondensator, wird im folgenden verwendet als Supercap
1. Einleitung: Mobilität im Kontext des 2 - Limits 2 - Limit: Maximale globale Erderwärmung um 2 C Sektor Verkehr: Ziel 83% weniger CO 2 -Emissionen Reduktion von 180 Mio. t (2005) auf 30 Mio. t (2050) Eigene Darstellung nach Daten des Umweltbundesamtes http://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/klimaschutz-energiepolitik-indeutschland/treibhausgas-emissionen/emissionsquellen
2. Zielsetzung Problematik: CO 2 Emissionen müssen im Verkehrssektor drastisch reduziert werden Otto-Motoren verschmutzen die Luft Autos nehmen viel Platz weg Mobilität muss mehr auf Elektromotoren und vor allem in der Stadt, neben E-ÖPNV, auf Fahrräder oder E-Bikes umgestellt werden
2.1 Forschungsfrage & Zielsetzung Unser Ziel: Supercaps aus ökologischen Abfällen herstellen E-Bikes vor allem im Stadtverkehr durch größere Reichweite attraktiver machen Den Energiespeicher durch eine Kombination von Supercaps und Lithium-Ionen-Akkumulatoren umweltfreundlicher und effizienter gestalten Bremsenergie des E-Bikes durch Supercaps effektiver rückgewinnen (Rekuperation) und speichern Bild von wikipedia commons; Karle Horn
2.2 Entwicklung des Bestands an E-Bikes in Deutschland 2010 wurden in Deutschland erst 127.000 E-Bikes produziert und 2015 bereits 305.000 Allerdings im Vgl. zu 4,35 Mio. normalen Fahrrädern geringer Bestand Die Attraktivität von E-Bikes muss noch weiter erhöht werden Eigene Darstellung nach Daten von Statista
2.3 Forschungsfrage & Autor/innen Unsere Forschungsfrage: Inwiefern eignen sich Superkondensatoren auf Basis ökologischer Rohstoffe hinsichtlich der Ladeeffizienz für die Nutzung in E-Bikes? Forschungsteam: Lilian Denzler, Sebastian Durchholz,Tom Hinzmann, Tony Oehm, Lisa Wilhelm Wissenschaftlicher Mentor: Martin Kolek Juniormentorin: Johanna Knauf WWF / A. Morascher
3. Vergleich Akku und Supercap Lithium-Ionen-Akku Kapazität (F) beliebig < 1F Supercap Energiedichte (Wh/Kg) 100 265 0,01 0,3 Zyklenfestigkeit Niedrig (500 10 4 Ladezyklen) Hoch (> 10 6 Ladezyklen) Selbstentladung Niedrig (mehrere Monate) Hoch (mehrere Tage) Ladegeschwindigkeit Niedrig Hoch Rohstoffaufwand Hoch Niedrig & ökologischer da Aktivkohle Zellkinetik Niedrig Hoch Betriebstemperaturbereich -20 +60-40 +125 Wirkungsgrad 90% 99% Nennspannung pro Zelle (V) 2,5 4,2 4 550 Relevante Vorteile für unsere Forschung
3.1 Entladener Supercap E l e k t r o d e E l e k t r o d e Aktivkohle Ionen Separator Elektrolyt Aktivkohle Elektrochemische Kondensatoren (Supercap) bestehen im Gegensatz zum physikalischen Kondensator nicht aus 2 geladenen Platten, welche die Energie in einem Dielektrikum zwischen ihnen speichern, sondern aus porösen Aktivkohleelektroden. Diese werden durch einen Separator mechanisch getrennt, aber die Ladungstrennung kann zwischen den Elektroden durch die Ionen im Elektrolyten stattfinden. Grafik: Eigene Darstellung
3.2. Geladener Supercap E l e k t r o d e E l e k t r o d e Aktivkohle Doppelschicht Ionen Separator Elektrolyt Aktivkohle Doppelschicht Bei Anlegen einer Spannung werden die Ionen im Elektrolyten zu den jeweiligen Elektroden bewegt und in der porösen Oberfläche der Elektroden angelagert. So entsteht eine nur wenige Moleküle dicke Doppelschicht aus unbeweglichen Ladungsträgern, die die Energie elektrostatisch speichern. Grafik: Eigene Darstellung
4. Durchführung 4.1. Ressourcen für das Aktivmaterial 4.2. Herstellung des Aktivmaterials 4.3. Herstellung der Elektroden 4.4. Bau der Supercaps Quelle Bild 1: WWF/Arnold Morascher Quelle Bild 2-4: Mobilitätsgruppe 2016
4.1 Ressourcen für das Aktivmaterial Herstellung aus biologischen Abfällen Kaffeesatz Schwarzer Tee Kartoffelschalen Apfelschalen Quelle Bild 1-4: Pixabay
4.2 Herstellung des Aktivmaterials Trocknung der biologischen Rohstoffe (im Ofen bei 70 C) Material zerkleinern (mörsern) Im Verbrennungsschiffchen bei 800 C und in Stickstoffatmosphäre verkohlen (Bildung funktioneller Gruppen, keine Verbrennung)
4.2 Herstellung des Aktivmaterials Quelle: WWU/MEET Temperaturverlauf beim Verkohlen Ca. eine Stunde mit 10 C/min auf 600 C erhitzen 2 h lang auf 600 C erhitzen zur Bildung funktioneller Gruppen Unter Stickstoffatmosphäre, um Verbrennung des Kohlenstoffs zu verhindern Zerfall organischer Verbindungen Gegen Ende Zugabe von Wasser zur Aktivierung des Materials (Porenbildung) Auch chemische Aktivierung möglich Poröser, unstrukturierter Kohlenstoff mit großer Oberfläche
4.3 Herstellung der Elektroden Bevor das Aktivmaterial zu Elektroden verarbeitet werden kann, muss dieses zu einem sogenannten Slurry verarbeitet werden. Diese Suspension ermöglicht die Herstellung eines homogenen Elektrodenfilms. Bestandteile des Slurrys Aktivmaterial 85% Leitruß 5% Teflon 10% - zur Ausbildung der Doppelschicht, s. Abb. S.9 (Potential durch Anlagerung der Ionen an der Oberfläche des Aktivmaterials) - strukturierter Kohlenstoff, der die Leitfähigkeit erhöht - Bindemittel des Slurrys
4.3 Herstellung der Elektroden Verarbeitung: Herstellung der Elektrodenmischung (Suspension von Elektrodenbestandteilen in Ethanol) Ethanol bei 70 C verdampfen Masse wiederholt Zusammenfalten und Ausrollen (durch mehrere Schichten übereinander größere Oberfläche) Zu einem Film ausrollen und Ethanol komplett verdampfen Quelle Bild: Mobilitätsgruppe 2016
4.4 Bau der Superkondensatoren Bau der Zellen im Trockenraum Material in ein Nickelgitter pressen und Nickel-Kollektor an überstehendes Nickelgitter schweißen Elektrodenteile aus Elektrodenfilm ausstanzen (pro Material zwei kleine, zwei große Elektroden) Quelle Bild 1-3: Mobilitätsgruppe 2016
4.4 Bau der Superkondensatoren Kollektoren an Aluminiumverbundfolie kleben Glasfaser-Separator mit Elektrolyt benetzen und zwischen die beiden Elektroden legen (nicht im Trockenraum, um Verdunstung zu minimieren) und Elektroden mit Separator im leichten Vakuum in die Folien einschweißen Pouch-Bag-Supercap Quelle Bild 1&2: Mobilitätsgruppe 2016
5. Ergebnisse / REM Analyse 5.1 Apfel-Supercap 5.2 Kaffee-Supercap 5.3 Kartoffel-Supercap 5.4 Tee-Supercap 5.5 Referenz-Supercap 5.6 Langzeitmessungen 5.7 Praxistest Quelle Bild 1-4: WWU/MEET
5.1 Apfel-Supercap Messgröße Gewicht d. Elektrode/mm² Spezifische Kapazität 0,000324 g 4,4 F/g Partikelgröße ca. 30 µm Quelle: WWU/MEET
5.2 Kaffee-Supercap Messgröße C-Anteil 80,59% N-Anteil 2,6% H-Anteil 1,31% Oberfläche Gewicht d. Elektrode /mm² Spezifische Kapazität 121,4262 m²/g 0,000473 g/m² 9,0 F/g Partikelgröße ca. 7 µm Porengröße ca. 0,733 nm Quelle: WWU/MEET
5.3 Kartoffel-Supercap Messgröße C-Anteil 56,06% N-Anteil 1,78% H-Anteil 1,46% Oberfläche Gewicht d. Elektrode /mm² Spezifische Kapazität 11,2590 m²/g 0,00091 g/m² 8,4 F/g Partikelgröße ca. 7 µm Porengröße Nicht bestimmbar Quelle: WWU/MEET
5.4 Tee-Supercap Messgröße C-Anteil 77,65% N-Anteil 2,97% H-Anteil 1,38% Oberfläche Gewicht d. Elektrode /mm² Spezifische Kapazität Partikelgröße Porengröße 39,1909 m²/g 0,000343868 g/mm² 11,9 F/g sehr unterschiedlich 1,5 nm teils 65 nm Quelle: WWU/MEET
5.5 Referenz-Supercap Messgröße C-Anteil 91,25% N-Anteil 0,24% H-Anteil 0,49% Oberfläche Gewicht d. Elektrode /mm² Spezifische Kapazität 1618 m²/g 0,000247 g/m² 30,0 F/g Partikelgröße ca. 6 µm Porengröße ca. 1,59323 nm Quelle: WWU/MEET
5.6 Langzeitmessungen Kaffee Kartoffel Tee Referenz Apfel Hohe Stabilität aller Aktivmaterialien Quelle: WWU/MEET
5.7 Praxistest Anschluss an Mini-Geländewagen Material Referenz Apfel Kaffee Kartoffel Tee Reichweite / m 5,91 <1 6,7 11,6 3,2 Gewicht d. Elektrode / mg 108,27 143,68 180,45 388,84 81,38 M / mg 0,0545 0,0069 0,0371 0,0298 0,0393 Kaffee/ Tee als Aktivmaterial haben die größte Reichweite im Verhältnis zum Elektrodengewicht. Quelle Bilder 1&2: Mobilitätsgruppe 2016
6. Vergleich der Kondensatoren Aktivmaterial Referenz Apfel Kaffee Kartoffel Tee C-Anteil 91,25% / 80,59% 50,10% 77,65% Oberfläche 1618 m²/g / 121,4 m²/g 11,25 m²/g 39,19 m²/g Spezifische Kapazität 30,0 F/g 4,4 F/g 9,0 F/g 8,4 F/g 11,9 F/g Partikelgröße ca. 6 µm ca. 30 µm ca. 7,33 µm ca. 7 µm sehr unterschiedlich Porengröße ɸ 1,59 nm / 0,733 nm / 1,53 nm Struktur glatt, fein porös glatt, Risse porös glatt, sehr dünn
7. Fehleranalyse Bei der Fabrikation der Supercaps sind Probleme aufgetreten, die möglicherweise zu verfälschten Ergebnissen führten: Struktur (teils nicht gleichmäßige Porosität) Leichte Abweichungen im Fertigungsprozess Filmdicke des Materials Unterschiedliche Größe (Fläche) kein absoluter Vergleich möglich Chemische Aktivierung würde vermutlich zu höherer Leistungsfähigkeit führen, ist allerdings nicht so umweltfreundlich wie die hier genutzte Dampfaktivierung
8. Fazit Kaffee: größte Oberfläche beste Verarbeitung größter Kohlenstoffanteil größte Reichweite im Vergleich zum Gewicht der Elektrode stabilere Zyklen höhere Ladefähigkeit nach mehreren Zyklen Tee: höchste spezifische Kapazität Kaffee als ökologischer Rohstoff zur Herstellung von Aktivkohle für Supercap-Elektroden am besten geeignet
8.1 Diskussion der Ergebnisse Kaffee ist für die industrielle Herstellung von Supercaps in E-Bikes geeignet, da Kaffeesatz überall in größeren Massen anfällt: 4,8 kg/a Kaffeeverbrauch pro Person in Deutschland Kaffee fällt in jedem Büro / jeder Küche / jedem Café an große Café-Ketten könnten Kaffee sammeln Kaffee ist einfach zu verarbeiten, weil er schon geröstet und gemahlen ist Da die Superkondensatoren bezüglich ihrer Größe vergleichsweise gute Werte aufweisen, lässt sich eine Nutzung in Energiemanagementsystemen bei E-Bikes nicht ausschließen. Zur endgültigen Klärung dieser Frage werden wir im Laufe der nächsten 2 Monate weitere Versuche im Rahmen eines Jugend Forscht Projektes durchführen. Daten nach www.die-kaffeseite.de
Kontakt & Dank MEET Batterieforschungszentrum Martin Kolek Corrensstraße 46 48149 Münster E-Mail: martin.kolek@uni-muenster.de WWF Deutschland Email: Ivonne.Droessler@wwf.de Forschergruppe Email: tony.oehm@googlemail.com Wir bedanken uns herzlich für die Unterstützung! Medienpartner: Daten nach www.die-kaffeseite.de