Ein Durchbruch in der Energiespeicherung: Selbstladender Superkondensator setzt neue Maßstäbe in der Energieeffizienz

Die erste Woche des Jahres 2025 sah Solaraktien einen schönen Aufschwung, als Tesla (TSLA ) kündigte seine Rekord‑Installationen im Bereich Energiespeicherung an.

Im Jahr 2024 hat das Elektroauto‑Unternehmen, dessen Energiespeicherdivision Wohn‑ und Gewerbebatterien zur Speicherung von Solarenergie produziert, 31,5 Gigawattstunden Energiespeicherprodukte eingesetzt, wobei fast 35 % davon (11 GWh) allein im vierten Quartal 2024 verteilt wurden.

Der chinesische Batteriehersteller Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL), der Tesla mit Batteriezellen beliefert, brachte im vergangenen Jahr sein eigenes massenproduzierbares Energiespeichersystem namens TENER heraus. Das System hat eine Kapazität von 6,25 MWh und eine Energiedichte von 430 Wh/L bei gleichzeitig null Degradation über fünf Jahre.

Diese großen Entwicklungen im Bereich der Energiespeicherung sind von entscheidender Bedeutung wegen der steigenden Energienachfrage. Diese Nachfrage wird durch das wachsende Weltbevölkerung, Urbanisierung, Wirtschaftswachstum und technologische Fortschritte angetrieben. Der weltweite Strombedarf, laut IEA, wird in den nächsten drei Jahren voraussichtlich schneller steigen. Er soll bis 2026 jährlich im Durchschnitt um 3,4 % wachsen.

Hier können Energiespeichersysteme helfen, die steigende Nachfrage zu decken, indem sie die Stromversorgung, Übertragung und Verteilung des Netzes unterstützen. Durch den Umstieg auf Speichermechanismen gewährleisten Netzbetreiber die Resilienz und Zuverlässigkeit des Netzes. Außerdem wird die Abhängigkeit von Optionen mit höherem Treibhausgas‑(THG‑)Fußabdruck reduziert.

Also, was genau ist Energiespeicherung? Nun, es ist, was es sagt: Energie speichern. So wird es gemacht, dass erzeugte Energie zunächst erfasst und dann für die spätere Nutzung gespeichert wird, damit Angebot und Nachfrage besser aufeinander abgestimmt werden können.

Jetzt kommt Energie in verschiedenen Formen vor: elektrisch, thermisch, kinetisch, chemisch, strahlend und gravitationsbasiert. Das bedeutet, dass Energie zunächst in eine Form umgewandelt werden muss, die tatsächlich gespeichert werden kann, bis sie wieder in elektrische Energie zurückverwandelt wird.

Ein wiederaufladbarer Akku ist ein gängiges Energiespeichergerät. Er befindet sich in Ihrem Handy. Diese Batterien speichern chemische Energie, die schnell in Strom umgewandelt wird. Ein weiteres beliebtes und wertvolles Beispiel ist das Wasserkraftwerk. Es nutzt die Energie fließenden Wassers, erzeugt Strom und speichert ihn in einem Reservoir.

Fossile Brennstoffe sind ebenfalls Energiespeicher. Sie enthalten chemische Energie aus Sonnenlicht, das in Pflanzen und Tieren gespeichert ist, die vor Millionen von Jahren zerfallen sind.

Innovation in der Energiespeicherung

Energie ist das Fundament der modernen Industriegesellschaft. Schließlich liefert sie eine wesentliche Zutat für fast alle menschlichen Aktivitäten, vom Kochen, Heizen, Beleuchten, Gesundheit, Bildung und Verkehr bis hin zur Lebensmittelproduktion, industriellen Fertigung und Rohstoffgewinnung. Da Energie für die menschliche Zivilisation so entscheidend ist, liegt ein großer Fokus auf der Energiespeicherung.

Thermische Energiespeicherung (TES) ist ein Typ, der Festkörper‑, Flüssig‑Luft‑ und Schmelzspeicher umfasst. Der einzigartige Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass Heiz‑ und Kühlbedarf von der sofortigen Stromerzeugung und -verfügbarkeit entkoppelt werden.

Druckluftenergiespeicherung ist eine weitere Methode, Energie zu speichern; Luft wird in Speichertanks komprimiert, wenn die Stromnachfrage niedrig ist, und bei hoher Nachfrage wieder freigesetzt.

Wasserstoffspeicherung ist hingegen eine aufstrebende Energiespeichertechnologie. Kürzlich hat China sein größtes integriertes Photovoltaik‑(PV)-Wasserstoffspeicherprojekt in der Provinz Jiangsu an das Netz angeschlossen und die Stromerzeugung aufgenommen. Diese Offshore‑Anlage kombiniert Wasserstoffproduktion, PV-Stromerzeugung, Betankung und Energiespeicherung. Es wird erwartet, dass sie die CO₂‑Emissionen um etwa 309.400 Tonnen pro Jahr, 1.125,3 Tonnen Stickstoffdioxid und 562,6 Tonnen Schwefeldioxid reduziert.

Batterien verändern die Energiespeicherung. Sie führen den Wandel zu einem nachhaltigen Energiesystem an. Als am schnellsten wachsende Technologie dominieren sie den Energiesektor. Und dank kontinuierlicher Innovation werden sie intelligenter, besser und günstiger.

In bahnbrechender Forschung von vor einigen Jahren, die fast ein Jahrzehnt in Arbeit war, haben Wissenschaftler der Chalmers University of Technology und des KTH Royal Institute of Technology in Schweden eine strukturelle Batterie entwickelt, die zehnmal besser ist als in jedem vorherigen Experiment. Eine strukturelle Batterie ist ein Energiespeichergerät, das als Teil einer Struktur Gewicht tragen kann.

Für ihre Batterie schichteten die Wissenschaftler ein Puffer‑Glas‑„Gewebe“ zwischen einer positiven und einer negativen Elektrode, füllten es mit einem polymeren Elektrolyten aus der Raumfahrttechnologie und härteten es anschließend im Ofen. Das Ergebnis ist eine robuste, flache Batteriezelle mit einer Energiedichte von 24 Wh/kg, einer Steifigkeit von 25 GPa und die allen Zugbelastungen in alle Richtungen standhält. Diese „gewichtlose“ strukturelle Batterie wird hauptsächlich in Elektroautos eingesetzt, kann aber auch in E‑Bikes, Satelliten, Laptops und Flugzeugen verwendet werden.

Derzeit konzentrieren sich die Forscher darauf, die Batterie weiter zu verbessern, obwohl die Kommerzialisierung noch nicht realisiert wurde.

Um bessere Lösungen zu schaffen, untersuchen Forscher nun selbstladende Energiesysteme. Diese Systeme sammeln Energie und speichern sie, was sie in der nächsten Technologieära, die von 5G, dem Internet der Dinge (IoT) und künstlicher Intelligenz (KI) geprägt sein wird, äußerst nützlich macht.

Diese selbstladenden Energiespeichergeräte können stabile, autonome und nachhaltige Energie für die nächste industrielle Revolution bereitstellen.

Bisher wurden zahlreiche Versuche unternommen, verschiedene Energieerntetechnologien mit Energiespeichergeräten zu integrieren. Dazu gehören Solarzellen, thermoelektrische Generatoren, triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs) und piezoelektrische Nanogeneratoren (PENGs).

In einer neuen Forschung haben Wissenschaftler ein Hochleistungs‑Selbstladungs‑Energiespeichergerät entwickelt, das Sonnenenergie effizient speichern kann.

Das neue Gerät verbessert die Leistung bestehender Superkondensatorgeräte erheblich, indem es Elektrodenmaterialien verwendet, die auf Übergangsmetallen basieren. Die Forscher entwickelten zudem eine neue Energiespeichertechnologie, indem sie Superkondensatoren mit Solarzellen kombinierten, um hohe Leistungsfähigkeit zu erreichen.

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Selbstladende Energiespeichergeräte

Um die Nachfrage nach nächsten Generationen hochkapazitärer Energiegeräte zu decken, die den steigenden globalen Energieverbrauch und die wachsende Abhängigkeit von tragbaren und intelligenten elektronischen Geräten adressieren, haben sich selbstladende Geräte als nachhaltige und eigenständige Stromversorgungs‑Lösung etabliert.

Ein solches Gerät, das Sonnenenergie erntet und speichert, ist der Photo‑Superkondensator, der Solarzellen und Superkondensatoren kombiniert. Silizium‑Solarzellen wandeln Sonnenenergie in elektrische Energie um, und ein Superkondensator speichert diese Energie.

In der neuesten Studie, die durch das Stipendium der National Research (NRC ) Foundation of Korea (NRF), finanziert von der koreanischen Regierung (MSIT) und dem DGIST‑F&E‑Programm, unterstützt wurde, zeigten die Forscher ein neues selbstladendes Energiespeichergerät, das Silizium‑Solarzellen und binäre Übergangsmetall‑Superkondensatoren kombiniert.

Kristalline Silizium‑Photovoltaik‑(PV‑)Technologie, die am häufigsten eingesetzte PV‑Technik, ist laut ITRPV tatsächlich ein vielversprechendes Werkzeug zur Speicherung erneuerbarer Energie, wobei sie laut Bericht bis zu 95 % der insgesamt 135 GW, die 2022 installiert wurden, ausmacht.

Unter den Solarenergiegeräten, unter den Solarenergiegeräten gewinnen siliziumbasierte Geräte inzwischen stark an Bedeutung als dominierende Energiequelle der Zukunft. Dies liegt an ihrer hohen Leistungsumwandlungseffizienz, verlängerten Stabilität, reichlich vorhandenen Materialien, Ungiftigkeit und etablierten Produktionstechnologie, die die Skalierbarkeit unterstützt.

Was Superkondensatoren betrifft, werden sie dank ihrer hohen Zuverlässigkeit, hohen Leistungsdichte, langen Zykluslebensdauer und kurzen Ladezeit als vielversprechende Kandidaten für den Antrieb von Hochleistungsgeräten genutzt.

Wie die Studie feststellte, sind selbstladende Kondensatoren aufgrund des raschen Anstiegs der Nutzung tragbarer elektronischer Geräte notwendig. Dies hat einen Bedarf an einem System geschaffen, das jederzeit und überall schnell aufgeladen werden kann.

Zudem wächst die Abhängigkeit von erneuerbaren Energiequellen, um die Umwelt zu schützen und nachhaltige Entwicklung zu fördern. Durch die Nutzung von Solarenergie reduzieren selbstladende Systeme den Bedarf an Batteriewechseln und ermöglichen gleichzeitig eine effiziente Energieversorgung selbst in Gebieten mit begrenztem Zugang zu Stromnetzen.

Ein weiterer treibender Faktor für selbstladende Kondensatoren ist die schnelle Lade‑ und Entladeeigenschaft von Superkondensatoren, die sie in Notfallsituationen oder Szenarien, in denen ein hoher Energieverbrauch erforderlich ist, besonders nützlich macht.

Ein Hochleistungs‑Selbstladender Superkondensator

Angesichts des Bedarfs an selbstladenden Kondensatoren und ihrer zahlreichen Vorteile hat die jüngste Forschung, die letzten Monat in der Zeitschrift Energy veröffentlicht wurde, ein selbstladendes Gerät entwickelt, indem ein Superkondensator mit einer Si‑Solarzelle kombiniert wurde.

Um die Elektroden dafür zu entwerfen, verwendete das Forschungsteam ein Nickel‑(Ni‑)basiertes Karbonat‑ und Hydroxid‑Kompositmaterial. Anschließend fügte das Team Übergangsmetallionen wie Mangan (Mn), Kobalt (Co), Kupfer (Cu), Eisen (Fe) und Zink (Zn) hinzu, um die Leitfähigkeit und Stabilität der Elektroden zu maximieren.

Diese Übergangsmetallionen ermöglichen es dem Team, das Problem der Leitfähigkeitsreduktion zu lösen, das durch die ausschließliche Verwendung von Ni‑Ionen entsteht. Die Einführung dieser Metallionen ermöglichte die Herstellung binärer Verbindungen als Elektrodenmaterial, das hohe elektrische Leitfähigkeit, reversible Kapazität und strukturelle Stabilität bietet.

Durch diese Vorgehensweise wurde die Leistung der Elektrode erheblich verbessert, was signifikante Fortschritte in Energie‑ und Leistungsdichte sowie Stabilität beim Laden und Entladen zeigte.

Bezüglich der Energiespeicherung pro Gewichtseinheit erreichte die Studie 35,5 Wh kg⁻¹, was die in früheren Studien (5‑20 Wh kg⁻¹) aufgezeichneten Werte übertrifft. Was die Energiemenge pro Einheit betrifft, liegt sie bei 2555,6 W kg⁻¹, was ebenfalls deutlich höher ist als die in früheren Studien erreichten 1000 W kg⁻¹.

Mit deutlich höherer Energie‑ und Leistungsdichte zeigt die neueste Studie die Fähigkeit, schnell höhere Leistung freizusetzen. Auf diese Weise kann das asymmetrische Superkondensator‑Gerät eine sofortige Energieversorgung selbst für Hochleistungsgeräte ermöglichen.

Das ist noch nicht alles; diese hohe Leistung zeigte bei wiederholten Lade‑ und Entladezyklen nur minimale Degradation, was sie auch für den langfristigen Einsatz geeignet macht.

Das Team kombinierte das Gerät anschließend mit Silizium‑Solarzellen, wodurch die Speicherung von Solarenergie und deren Nutzung in Echtzeit ermöglicht wird. Diese Kombination erreichte eine Energiespeichereffizienz von bis zu 63 %, während die Gesamteffizienz des Geräts 5,17 % betrug, was sein Potenzial für die Kommerzialisierung bestätigt und wesentlich zum Fortschritt der Energiespeichertechnologie beiträgt.

“Diese Studie ist ein bedeutender Erfolg, da sie die Entwicklung von Koreas erstem selbstladenden Energiespeichergerät markiert, das Superkondensatoren mit Solarzellen kombiniert.”

– Jeongmin Kim, Senior Researcher in der Nanotechnologie‑Abteilung von DGIST

Kim bemerkte weiter, dass sie durch die Nutzung von auf Übergangsmetallen basierenden Verbundmaterialien die Beschränkungen von Energiespeichergeräten überwinden und eine nachhaltige Energielösung schaffen konnten.

Doch das ist nicht das Ende der Studie, wie Damin Lee, ein Forscher am RLRC der Kyungpook National University, feststellte:

“Wir werden die Folgestudien fortsetzen, um die Effizienz des selbstladenden Geräts weiter zu verbessern und sein Potenzial für die Kommerzialisierung zu steigern.”

Unternehmen, die in verwandten Bereichen tätig sind

Werfen wir nun einen Blick auf einige Unternehmen, die Energiespeicherlösungen bereitstellen und weiterentwickeln.

1. Tesla (TSLA )

Dieser Elektrofahrzeughersteller ist ebenfalls stark im Energiespeichermarkt engagiert. Zu seinen Energieprodukten gehören Powerwall und Megapack, die fortschrittliche Energiespeicherlösungen integrieren.

Mit einer Marktkapitalisierung von 1,318 Billionen $, ist Tesla das weltweit achtgrößte Unternehmen, während sein CEO Elon Musk, der auch bei X (ehemals Twitter), SpaceX, Neuralink und The Boring Company aktiv ist, mit einem Nettovermögen von 437 Billionen $ der reichste Mann der Welt ist.

Zum Zeitpunkt dieses Schreibens wird die Tesla‑Aktie bei 412,82 $ gehandelt, was in diesem Jahr einem Anstieg von 1,63 % entspricht. Dieser grüne Start ins Jahr 2025 für die Unternehmensaktien folgt auf ein herausragendes Jahr 2024, in dem die Aktien um etwa 67 % im Wert gestiegen sind.

Interessanterweise erfolgte ein Großteil von Teslas Kursgewinnen in den letzten beiden Monaten des Jahres, wobei der Preis um 75 % anstieg, nachdem Präsidentkandidat Donald Trump die US‑Präsidentschaftswahl 2025 gewonnen hatte. Musk war tatsächlich der größte Spender des Wahlzyklus und gab mindestens 277 Millionen $ aus, um Trump und andere republikanische Kandidaten zu unterstützen.

Da Trump später in diesem Monat das Amt übernimmt, werden für Tesla sicherlich positive Entwicklungen folgen. Schon vorher meldete das Unternehmen, im vierten Quartal 2024 etwa 459.000 Fahrzeuge produziert und über 495.000 Einheiten ausgeliefert zu haben. Damit beträgt die Gesamtproduktion von Tesla für 2024 1.773.443 Fahrzeuge, während die Auslieferungen 1.789.226 Einheiten erreichten. Allerdings sah sich das Unternehmen verstärkter Konkurrenz durch den chinesischen Riesen BYD und US‑Traditionshersteller wie Ford ausgesetzt.

Die vollständigen Finanzzahlen für das vierte Quartal 2024, einschließlich Nettogewinn und Cashflow, werden von Tesla am 29. Januar 2025 veröffentlicht. Im vorherigen Quartal meldete das Unternehmen einen Umsatz von 25,18 Milliarden $ und einen Nettogewinn von 2,17 Milliarden $. In diesem Zeitraum stieg Teslas Automobilumsatz um 2 % auf 20 Milliarden $ im Vergleich zum dritten Quartal 2023, während der Umsatz aus Energieerzeugung und -speicherung um 52 % auf 2,38 Milliarden $ anstieg.

Die Energiespeicherinstallationen im vierten Quartal erreichten dabei einen neuen Rekord von 11,0 GWh und insgesamt 31,4 GWh für das gesamte Jahr. Im Vergleich dazu setzte Tesla im Vorjahr 14,7 GWh Energiespeicher ein, was dem Doppelten der Zahlen von 2022 entspricht. Auch im Jahr 2020 lagen Teslas Energiespeicherinstallationen lediglich bei 3,0 GWh, was auf eine Verzehnfachung der Speicherkapazität des Unternehmens in nur vier Jahren hinweist.

Diese Zahlen kamen, als die Gigafactory von Tesla in Shanghai diese Woche mit der Versuchsfertigung begann, wobei die Massenproduktion Anfang dieses Jahres erwartet wird.

2. Enphase Energy(ENPH )

Das globale Energietechnologieunternehmen, das seine Marktreichweite sowohl im Inland als auch international aktiv ausbaut, spezialisiert sich auf Solarlösungen. Dazu gehören Mikroinverter, die Solarenergie in Strom umwandeln, sowie Energiespeichersysteme für private und gewerbliche Anwendungen.

Mit einer Marktkapitalisierung von 9,74 Milliarden $, werden ENPH‑Aktien derzeit bei 72,15 $ gehandelt, bereits in diesem Jahr um über 5 % gestiegen. Diese Gewinne folgen auf ein enttäuschendes Jahr 2024, in dem die Aktien um mehr als 46 % fielen. Der Höchststand von ENPH lag im Dezember 2022, als der Aktienkurs 339 $ erreichte. Enphase Energy hat ein EPS (TTM) von 0,44 und ein KGV (TTM) von 164,01.

Für das dritte Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Umsatz von 380,9 Millionen $. Länderspezifisch stieg der Umsatz in den USA um 43 % gegenüber dem Vorquartal, da die Lagerbestände wieder auf Normalniveau zurückkehrten, während der Umsatz in Europa um 15 % sank, bedingt durch eine weitere Abschwächung der Nachfrage. Enphase lieferte in diesem Quartal insgesamt 1.731.768 Mikroinverter, was 730 Megawatt DC und 172,9 Megawattstunden IQ®‑Batterien entspricht.

Für das vierte Quartal schätzt Enphase Energy den Umsatz auf 360 Millionen $ bis 400 Millionen $ und die Lieferungen von 140 bis 160 MWh IQ‑Batterien. Der Netto‑IRA‑Vorteil wird hingegen voraussichtlich zwischen 38 Millionen $ und 41 Millionen $ liegen.

Der Inflation Reduction Act (IRA) wurde unter der Biden‑Administration mit parteiübergreifender Unterstützung eingeführt. Das 369‑Milliarden‑$‑Paket, das 2022 in Kraft trat, bot Anreize für erneuerbare Energien durch Steuergutschriften, Zuschüsse und Investitionen. Dies war ein Wendepunkt für den Sektor der erneuerbaren Energien.

Am Ende des dritten Quartals verfügte Enphase Energy über 1,77 Milliarden $ in Barbeständen, liquiden Mitteln und handelbaren Wertpapieren, während der freie Cashflow 161,6 Millionen $ betrug. Das Unternehmen erwirtschaftete zudem 170,1 Millionen $ Cashflow aus betrieblicher Tätigkeit.

In dieser Zeit brachte das Unternehmen zudem KI‑basierte Software auf den Markt, um das Verständnis der Verbraucher für den Energieverbrauch zu verbessern und ihnen zu helfen, ihre Einsparungen im zunehmend komplexen Energietarifmarkt zu maximieren, indem Solarenergie und Verbrauchsschätzungen mit Stromtarifen integriert werden.

Fazit

Da die globale Energienachfrage weiterhin deutlich ansteigt, und zwar schneller als je zuvor, bedingt durch intensive Hitzewellen, starkes Wirtschaftswachstum und natürlich die zunehmende Verbreitung von Technologien wie Elektrofahrzeugen (EVs) und KI, besteht ein Bedarf an Energiespeicherlösungen, die diese Nachfrage befriedigen können.

Hier stellt die Entwicklung von Hochleistungs‑Selbstladungs‑Energiespeichergeräten einen bedeutenden Schritt im Fortschritt der Energiespeichertechnologie und bei der Deckung des globalen Energiebedarfs dar. Obwohl sie noch nicht kommerzialisiert sind, können solche Innovationen dazu beitragen, eine stabile und zuverlässige Energieversorgung sicherzustellen und ein enormes Potenzial für die Integration erneuerbarer Energien freizusetzen!

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