Tee, Kaffee und Äpfel für mehr Reichweite bei E-Bikes

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CO2-Emissionen reduzieren und E-Bike-Antriebe noch umweltfreundlicher herstellen: Die drei Jungforscher Sebastian Durchholz aus Frankfurt, Tony Oehm aus Lütau und Tom Hinzmann aus Haßfurt wollen die Ladeeffizienz von E-Bikes und deren Reichweite erhöhen. Dafür entwickeln sie Superkondensatoren, hergestellt aus biologischen Abfällen wie Tee, Kaffeesatz oder Apfel­schalen.

Erste Testergebnisse zeigen: Die Leistung der Ökocaps ist mit der herkömmlicher Kondensatoren vergleichbar. Für einen „Jugend forscht“-Wettbewerb haben die drei Schüler einen funktionierenden Prototyp an einem E-Bike realisiert – nun bereiten sie gemeinsam mit dem Spezialchemie-Hersteller Kuraray, der sich als Sponsor einbringt, die Patentanmeldung vor. Im Gespräch mit der eMobilJournal-Redaktion verraten die drei Jungforscher sowie Dr. Robert Fuss, Leiter New Business Development bei Kuraray, mehr über die Entwicklung und die weiteren Schritte auf dem Weg zur Marktreife.

Dieser Beitrag ist zuerst in eMobilJournal 04/2018 erschienen.

Sebastian Durchholz, Tom Hinzmann und Tony Oehm, Sie haben sich an einer Schülerakademie der Umweltorganisation WWF kennengelernt. Wie kam es zur Idee, Superkondensatoren aus biologischen Ab­fallprodukten zu entwickeln?

In der Akademie hatten wir die wunderbare Mög­lichkeit, an einer Thematik unserer Wahl im Bereich der Mobilität zu forschen. Hier wurde unser Ver­ständnis für neue Antriebsformen und somit für die Elektromo­bilität geschärft. Wir wussten von den zahlreichen Vorteilen der Kondensatoren, hauptsächlich natürlich von der be­eindruckenden Ladegeschwindigkeit – genau das, was wir für die Energierückgewinnung bei Brems­vorgängen benötigen. Wir beschäftigten uns also weiter mit dem Gedanken und starteten schließlich unser Jugend forscht-Projekt.

Zu den Nachteilen der Kondensatoren zählen vor allem die geringe Kapazität und die schlechte Um­weltbilanz der Elektroden, da sie in kommerziellen Supercaps aus fossiler Aktivkohle bestehen. Für uns lag es nahe, In­dustrieabfälle als Elektrodenmate­rial zu verwen­den, um diesen Nachteil auszu­räumen. Wenn man sich vorstellt, wie viele Lebensmittel wie bei­spielsweise Kaffeesatz jeden Tag unvermeidbar im Müll landen, dann versteht man schnell, wie groß das Potenzial für den Umweltschutz ist, wenn recy­celte Bioabfälle als Pendant zu fossilen Rohstoffen genutzt werden können.

Wie sind die Rollen in Ihrem Forschungs­team verteilt und welche Erfahrungswerte bringt jeder einzelne von Ihnen mit ein?

Vielleicht liegt darin das Geheimnis unseres bishe­rigen Erfolges begründet. Tatsächlich gibt es in der Gruppe keine klare Aufgabenverteilung. Wenn mal jemand keine Zeit hat, sich ein­zubringen, über­nehmen die beiden anderen wie selbst­verständlich den übrigen Part. Apro­pos Selbst­verständlichkeit: Als wir 2017 un­sere Forschung begannen, kannten wir uns erst ­wenige Monate, gingen zur Schule und wohnten 880 ­Kilometer voneinander entfernt. Skype oder Whats­App ­waren die einzige Möglichkeit, unser Projekt zu organisieren.

Bei genauerer Betrachtung lassen sich allerdings gewisse Tendenzen im Team erkennen. Sebastian bringt viele umweltpolitische Gedanken ein und Tom hat wichtige technologische Aspekte im Kopf, während Tony eher wirtschaftlich denkt. Unabhängig voneinander haben wir sehr ähnli­che Wege eingeschlagen. Wir bringen allesamt ein großes Technikinteresse und vielfältige Erfahrun­gen aus sozialem und politischem Engagement mit: Wir waren beispielsweise alle als Schülersprecher für unsere Mitschüler im Einsatz.

Worin unterscheiden sich Superkondensa­toren von herkömmlichen, in der Elektro­mobilität eingesetzten Akkumulatoren?

In den meisten elektrisch betriebenen Fahrzeugen sind bislang vor allem Lithium-Ionen-Akkus verbaut. Grund dafür ist deren hohe Energiedichte – sie kön­nen also große Mengen Energie speichern. Deshalb bringen sie auch im Vergleich zu anderen Methoden die höchste Reichweite. Supercaps sind zunächst einmal anders aufgebaut. Während Lithium-Ionen-Akkus eine festgelegte Anode und Kathode aus unterschiedlichen Materialien haben, bestehen beide Elek­troden des Konden­sators aus Aktivkohle. Deren physikalische Polarität entscheidet sich erst beim Lade­vorgang. Anstatt aus einer chemischen Reaktion resultiert die Spannung beim Superkondensator aus vorausgegangener La­dungstrennung – die positiv und negativ geladenen Teilchen lagern sich in einer Helmholtz-Doppelschicht jeweils an einer Elektrode an.

Im Einsatz haben Kondensatoren den bedeutenden Vorteil, deutlich zyklenfester zu sein. Man kennt es vom Handyakku – nach einiger Zeit lässt die Ka­pazität nach. Supercaps überstehen Millionen von Ladevorgängen ohne relevante Leistungseinbußen – das macht sie umso geeigneter für den Einsatz in der Elektromobilität. Genau diese Beobachtung konnten wir bei unseren Kondensatoren aus organischen Abfallprodukten ebenfalls machen.

Welches Potenzial haben darüber hinaus die von Ihnen mit Unterstützung des Bat­terieforschungszentrums der Universität Münster entwickelten „Ökocaps“?

Seit über 20 Jahren wird die kommerziell eingesetzte, fossile Aktivkohle weiterentwickelt und optimiert. Das macht unsere Ergebnisse umso erstaunlicher: Wir haben mit unse­rer Methode auf An­hieb vergleichbare Messwerte im Hin­blick auf Kapazität und Zyklenfestigkeit erzielt. Und das bei einer deutlich bes­seren Umweltbilanz, weil wir Abfallpro­dukte wie Kaffeesatz verwenden, die sonst besten­falls auf dem Komposthaufen landen würden. Dies ist ein nennenswerter Erfolg in Anbetracht der ge­ringen Entwicklungszeit. Außerdem zeigt dies das große Potenzial, das im Recycling steckt: Wir wer­fen immer noch viel zu viele Ressourcen ungenutzt in den Müll. Auch die Kosten spielen eine wichtige Rolle: Abfall ist in großen Mengen und einfach ver­fügbar, Kohle muss erst abgebaut werden.

Tee, Kaffee, Äpfel: Welche recycelbaren Materialien können in Superkonden­satoren eingesetzt werden und sind dabei am nachhaltigsten?

Unser Ziel ist es, die fossile Kohle als Grundrohstoff der Elektroden unserer Supercaps mit ökologisch nachhaltigen, organischen Materialien zu ersetzen. Ausschlagge­bend ist dabei der Kohlen­stoffanteil der Proben: Je höher er ist, desto höher ist auch die Kapazität der fertigen Kondensatoren. Besonders gut eignen sich Stoffe, die über 80 Pro­zent Kohlenstoff enthalten.Das ist bei Abfallprodukten häufig der Fall. Sie sind außerdem besonders nachhaltig, da sie in gro­ßen Mengen anfallen. Beispiele dafür sind etwa Kaffee- oder Teesatz, Biermaische, Gemüse- und Obstschalen sowie eine Vielzahl anderer Stoffe aus dem häuslichen Biomüll.

In unserer Forschung haben wir Kaffee- und Tee­satz, sowie Kartoffel- und Apfelschalen auf ihre Eig­nung untersucht. Der Kaffee schneidet besonders gut ab, da er durch die Röstung einen sehr ho­hen Kohlenstoffanteil hat und außerdem sehr leicht verfügbar ist. Bei den zahlreichen Cafés fällt er tonnenweise an, denn allein in Deutschland konsu­mieren wir jeden Tag rund 32 Millionen Liter Kaffee.

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