Was heute die Energie liefert
35 Zentimeter breit, 25 Zentimeter tief, 4 Zentimeter hoch und 2 bis 3 Kilogramm schwer – das dürften etwa die Maße vieler Geschenke gewesen sein, die beim Weihnachtsfest 2003 unterm Christbaum lagen. Im Weihnachtspapier eingepackt: ein Notebook. Der tragbare Computer stand – neben allerlei anderer Elektronik wie Handys, DVD-Playern und Digitalkameras – bei vielen ganz oben auf dem Wunschzettel.
Tragbare elektronische Geräte sind „in”, das belegen auch aktuelle Marktzahlen. So wurden nach einer Schätzung des Marktforschungsinstituts IDC im Jahr 2003 allein in Deutschland rund 2,5 Millionen Notebooks verkauft, über 50 Prozent mehr als im Jahr zuvor. Weltweit wechselten in den letzten zwölf Monaten zwischen 36 und 38 Millionen portable Rechner den Besitzer, 2004 soll die Zahl der abgesetzten Notebooks laut IDC auf 47 Millionen wachsen. Im Jahr 2006, schätzen die Experten, werden zwei Drittel aller verkauften PCs tragbar sein. Auch der Handy-Markt boomt nach wie vor: Weltweit gingen im zweiten Quartal 2003 fast 115 Millionen Mobiltelefone über den Ladentisch, haben die Marktforscher von Gartner Dataquest ermittelt – 12 Prozent mehr als im selben Quartal des Jahres 2002.
Am Laufen gehalten werden die meisten Notebooks, Mobiltelefone, PDAs und Camcorder durch Akkus – elektrochemische Energiespender, die sich, anders als gewöhnliche Batterien, bis zu 1000-mal wieder aufladen lassen, wenn sie leergesaugt sind. Zwar haben Akkus eine geringere Energiedichte als die meisten Einwegbatterien, doch können sie – aufgrund ihres niedrigeren Innenwiderstands – eine höhere Stromstärke bereitstellen als die nicht wiederaufladbaren Zellen. Zudem liefern sie die Energie deutlich preiswerter als Batterien. Die nicht nachladbaren Zellen eignen sich nur für den Einsatz in Geräten mit geringem Strombedarf wie Taschenlampen, Uhren und Transistorradios.
Mit dem Boom der portablen Elektronik steigen auch die Ansprüche an Technik und Ausstattung der Geräte. So werkeln in Notebooks immer schnellere Prozessoren, und kaum noch ein Gerät kommt ohne integriertes Funkmodul für den mobilen Zugang zum Internet auf den Markt. Bei Handys gehören eingebaute Digitalkameras inzwischen fast zum Standard. Sie verlangen nach großen, bunten und hellen Displays. Die Einführung des UMTS-Mobilfunkstandards, der unter anderem Videotelefonie und das Betrachten von Videoclips auf dem Telefon ermöglicht, wird diesen Trend noch verstärken – und den Energiehunger der Handys weiter steigern. Denn besonders Displays und Multimedia-Funktionen verlangen nach reichlich Strom.
Die Hersteller stecken dadurch in einem Dilemma: Dem Wunsch der Benutzer nach immer mehr und aufwendigeren Funktionen steht deren Erwartung entgegen, dass die Geräte eine möglichst lange Betriebszeit haben sollen. In einer Umfrage des Instituts für Demoskopie Allensbach nannten 61 Prozent der befragten Handy-Käufer eine lange Akkulaufzeit als entscheidendes Kaufkriterium – deutlich vor dem Preis, der technischen Ausstattung und dem Design. Dort, wo UMTS bereits eingeführt ist, zum Beispiel in Italien, England und Österreich, sind die extrem kurzen Akkulaufzeiten der Telefone denn auch eines der größten Hemmnisse für die Durchsetzung der neuen Technologie bei den Mobilfunkkunden (bild der wissenschaft 8/2003, „Die neue deutsche Welle”).
Die leistungsfähige Energieversorgung besitzt deshalb eine Schlüsselrolle bei der Weiterentwicklung der mobilen elektronischen Geräte. Die Entwicklung neuer Konzepte und Technologien für Batterien und Akkus kam schon in den letzten Jahren vor allem durch den Boom der mobilen Elektronik mächtig in Schwung. Während Fortschritte in der Batterietechnologie bis Anfang der neunziger Jahre weitgehend auf eine Verbesserung der Energiedichte von wenigen Prozent pro Jahr begrenzt waren, kamen seitdem gleich mehrere völlig neuartige Typen von Energiespendern auf den Markt. Nickel-Metallhydrid(NiMH)-Akkus haben die Nickel-Cadmium(NiCd)-Akkus, die zuvor jahrzehntelang den Markt der wieder aufladbaren Zellen bestimmten, bei vielen Anwendungen bereits weitgehend verdrängt. Li-Ionen- und Li-Polymer-Akkus wiederum machen inzwischen den NiMH-Zellen Konkurrenz.
Derzeit teilt sich der Markt für Akkus im Wesentlichen in zwei Segmente auf: Bei kabellosen Elektrowerkzeugen – den so genannten Power Tools –, tragbaren Musikgeräten und elektrischem Spielzeug dominieren nach wie vor NiCd-Akkus. Ihr Vorteil: Sie können problemlos die bei diesen Geräten geforderten hohen Stromstärken von teilweise über 40 Ampere liefern. Zudem legen Heimwerker beim Betrieb von Akkubohrern und -schraubern vor allem Wert auf Robustheit und einen niedrigen Preis – Kriterien, bei denen NiCd-Zellen gegenüber den anderen Akkutypen die Nase vorn haben. Mehr als 25 Prozent aller neu verkauften Elektrowerkzeuge werden heute schon per Akku betrieben, Tendenz steigend. Etliche Hersteller arbeiten jedoch eifrig an der Entwicklung von Alternativen für die NiCd-Zellen, die in Europa wegen des in ihnen enthaltenen giftigen Schwermetalls Cadmium möglicherweise bald ganz aus dem Verkehr gezogen werden. Viele Akkuwerkzeuge – vor allem solche, die bei relativ niedriger Spannung laufen – lassen sich schon jetzt genauso gut mit den umweltverträglicheren NiMH-Akkus betreiben.
Für die mobilen Geräte der Kommunikations- und Informationstechnologie sind sie ohnehin die bessere Wahl. Bei Notebooks, Handys und PDAs kommt es nicht so sehr auf eine hohe Leistung an. Hier zählt vor allem eine möglichst große Energiedichte, denn sie gewährleistet eine lange Laufzeit des Akkus. Neben NiMH-Akkus setzen die Hersteller der Geräte daher bevorzugt auf Li-Ionen-Zellen. Sie erlauben bei den meisten Notebooks eine Betriebszeit von etwa drei bis fünf Stunden, Akkus in Mobiltelefonen halten meist maximal ein paar Tage durch. Anders als etwa Werkzeuge oder Haushaltsgeräte benötigen die Apparate der Informations- und Kommunikationstechnik in der Regel Spezial-Akkus, die nur bei einem Hersteller und oft auch nur bei einem bestimmten Gerätetyp benutzt werden können. In diese Akkupacks, in denen mehrere einzelne Akkuzellen zusammengeschaltet sind, ist meist zusätzlich eine Elektronik integriert, die vor einem Kurzschluss oder vor Überlastung schützt. Sie misst zudem stets automatisch den Ladezustand, der dann am Notebook oder Mobiltelefon angezeigt wird.
Einige neuere und hochwertige Handy-Modelle werden von Li-Polymer-Akkus mit Energie versorgt. Die sind zwar vergleichsweise teuer, haben aber ein paar entscheidende Vorzüge: Die Akkus sind flach, leicht und speichern bezogen auf ihr Gewicht mehr Energie als alle anderen Akkutypen. Vor allem aber lassen sie sich in fast beliebiger Form herstellen. Das eröffnet den Designern eine ganz neue Freiheit: Während Mobiltelefone bisher im Prinzip um den Akku herum konstruiert wurden, können von Li-Polymer-Zellen betriebene Geräte sehr viel flexibler gestaltet werden. Der Akku wird dann so geformt, dass er einen ohnehin vorhandenen Hohlraum in dem Handy gerade ausfüllt. Der Trend bei der Weiterentwicklung von Akkus und Batterien geht denn auch hin zu immer leichteren und flexibler einsetzbaren Systemen. So hat die Firma Varta Microbattery, ein Tochterunternehmen der Varta AG in Hannover, eine nur 0,4 Millimeter dünne Batterie auf Basis der Lithium-Polymer-Technologie entwickelt, die sich beispielsweise als Stromspender für Smart Cards nutzen lässt. Der ultraflache Winzling, dessen Außenhaut aus einer mit Plastik überzogenen Metallfolie besteht, wiegt nur ein halbes Gramm, liefert eine Spannung von drei Volt und kann Prozessor und Speicher auf einer solchen „intelligenten Scheckkarte” drei Jahre lang mit Strom versorgen.
Der Bedarf an Stromquellen für Smart Cards dürfte in den nächsten Jahren kräftig wachsen. Nach Prognosen wird bald jede fünfte Chipkarte eine eigene, in die Karte eingebaute Batterie benötigen. Die mit Prozessoren bestückten Scheckkarten stellen Informationen nicht wie die bisher gebräuchlichen Karten nur passiv zur Verfügung, sondern sie können die Daten auch aktiv verarbeiten – etwa zur Authentifizierung des Benutzers am Bankautomaten. Indem man etwa den PIN-Code oder biometrische Daten auf der Karte speichert, lässt sich ein Missbrauch durch Auslesen der Informationen erschweren. Die Datenverarbeitung auf der Karte erfordert jedoch eine eigene Stromversorgung.
Wie mobile Stromquellen entstanden sind
Es begann mit einem Zucken. Als der italienische Physiker Luigi Galvani 1789 mit abgetrennten Froschbeinen experimentierte, die er mit zwei unterschiedlichen Materialien berührte, stellte er erstaunt fest, dass die Beine dabei reagierten. Galvani folgerte aus dieser Entdeckung einen direkten Zusammenhang zwischen einer elektrischen Spannung, die sich zwischen den beiden Materialien aufbaute, und den Muskelbewegungen. Er hatte den ersten elektrochemischen Prozess entdeckt. Rund zehn Jahre später baute Galvanis Landsmann Alessandro Graf von Volta ausgehend von dieser Erkenntnis die erste anwendungstaugliche elektrochemische Spannungsquelle: eine Batterie aus einem Kupfer- und einem Zinkstreifen, zwischen denen eine in Salzlösung getränkte Pappe angebracht war.
Im Jahr 1802 war der erste Akku anwendungsreif: Der Jenaer Forscher Johann Wilhelm Ritter hatte eine Zelle konstruiert, bei der elektrischer Strom geladen und danach durch Entladung wieder abgegeben wurde. Die als „Rittersche Säule” bekannte Apparatur enthielt Karton- und Kupferscheiben, die in einem Gefäß mit Salzlösung eingetaucht waren. Um das Jahr 1850 experimentierten der deutsche Mediziner und Physiker Wilhelm Josef Sinsteden und der Franzose Gaston Raimond Planté mit den ersten Akkumulatoren auf der Basis von Blei, Schwefeldioxid und Bleidioxid – den Bausteinen, aus denen auch die heute verwendeten Blei-Akkus bestehen, die vor allem als Starterbatterien in Autos eingesetzt werden. Die industrielle Nutzung der Blei-Akkus begann 1880 mit einem Patent von Emile Alphonse Faure auf eine verbesserte Variante dieses Zellentyps.
Urväter der Nickel-Cadmium-Akkus sind Thomas Alva Edison und Waldemar Jungner. Beide Erfinder meldeten 1901 Patente für diese Technologie an. Es dauerte aber noch bis zum Jahr 1948, ehe diese elektrochemischen Zellen kommerziell genutzt werden konnten – nachdem es gelungen war, gasdichte Gehäuse für die Akkus zu entwerfen. Bis Anfang der neunziger Jahre beherrschten danach die NiCd-Zellen den Markt der Akkus für tragbare elektronische Geräte, die auch in den ersten Handys und tragbaren Computern zu finden waren. Erst verschärfte Umweltschutzauflagen drängten die Hersteller dazu, Alternativen zu den NiCd-Akkus zu entwickeln. Sie ersetzten das extrem giftige Cadmium in den Zellen durch eine nicht umweltschädliche Substanz: Wasserstoff, der in einem metallischen Hydrid gebunden ist. Damit begann der Siegeszug der so genannten Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren.
Mitte der neunziger Jahre folgte der nächste Schritt: Die Industrie entwickelte zusätzlich Akkus, die Lithium statt Nickel nutzen. Zunächst kamen Lithium-Ionen-Akkus auf den Markt – besonders leichte und leistungsstarke Stromquellen. Die Entwicklung wiederaufladbarer Lithium-Batterien war möglich geworden, nachdem Forscher herausgefunden hatten, dass eine Reihe von Oxiden bei nur geringer Volumenänderung Lithium-Ionen in ihr Kristallgitter einfügen, ohne dabei eine chemische Bindung mit ihnen einzugehen. Die Lithium-Ionen können so – durch Entladen und Aufladen des Akkus – quasi als „Gast” im Kristallgitter ein- und ausgelagert werden. Kurz darauf folgten Lithium-Polymer-Akkus, die – anders als andere Akkutypen – keinen flüssigen, sondern einen festen, gelartigen Elektrolyten enthalten.
Noch vor der Erfindung der Batterie begann die Geschichte der Brennstoffzelle. 1839 entwarf der englische Physiker Sir Robert Grove einen ersten funktionierenden Prototyp dieser Art von Stromquelle. Er bestand aus zwei Platin-Elektroden, die in voneinander getrennten Glaszylindern steckten. Grove füllte einen Zylinder mit Sauerstoff, den anderen mit Wasserstoff und tauchte beide in verdünnte Schwefelsäure. So schaffte er es, eine elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden zu erzeugen. Doch dann geriet die Brennstoffzellen-Technologie für lange Zeit wieder in Vergessenheit und wurde erst um das Jahr 1950 neu entdeckt: als zwar teure, aber dafür kompakte und leistungsfähige Energiequelle für die Raumfahrt und für militärische Anwendungen. Seit einigen Jahren richtet sich auch das Augenmerk der Elektronikhersteller auf die Brennstoffzelle, die in Notebooks und Camcordern bald erstmals eine breite kommerzielle Anwendung finden könnte.
Wo künftig der Saft herkommt
Die Meldung klang viel versprechend: Ende 2001 stellte das japanische Unternehmen NEC den Prototyp eines Akkus vor, der bestimmte organische Verbindungen aus Polymeren und Sulfiden als Materialien für seine beiden Elektroden enthält. Der Akku verspricht eine hohe Energiedichte, enthält aber keine umweltschädlichen metallischen Substanzen. Wann er serienreif sein wird und ob er sich gegen die heute gebräuchlichen Technologien durchsetzen kann, ist jedoch ungewiss. Fest steht für die meisten Experten dagegen: Die Entdeckung von völlig neuartigen Batterie- oder Akkutypen wird in den nächsten Jahren die Ausnahme bleiben. Stattdessen treiben Forscher und Ingenieure vor allem die Weiterentwicklung der Lithium-Technologie voran. So erforschen Teams an mehreren Fraunhofer-Instituten – wie am Berliner Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) und am Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (IKTS) in Dresden – neue Materialien und Herstellungstechniken für die Lithium-Zellen. Die so genannte Dickschichttechnik ermöglicht es zum Beispiel, elektronische Strukturen im Siebdruckverfahren auf Folien und Pasten aufzubringen – und so ultradünne Batterien im Scheckkartenformat in großer Zahl und zudem preisgünstig zu fertigen.
Doch in Zukunft könnten Akkus und Batterien in vielen Geräten durch Brennstoffzellen ersetzt werden. Der weltweit größte Halbleiterkonzern Intel sieht in der Brennstoffzelle die Stromquelle schlechthin für künftige Notebooks. Das Unternehmen hat daher 2002 eine Arbeitsgruppe gegründet, der unter anderem Acer, Fujitsu, NEC, Samsung, Toshiba, Microsoft und Dell angehören, um die technischen Möglichkeiten der Brennstoffzellen-Technologie auszuloten.
Die wichtigsten Vorteile der Brennstoffzelle snd ihre sehr hohe Energiedichte, ihre lange Lebensdauer und dass sie weder Memory-Effekt noch Selbstentladung zeigt. Damit ist sie Akkus und Batterien überlegen. Vor allem aber ermöglicht der Einsatz von Brennstoffzellen eine Trennung von „Motor” und „Tank”, ähnlich wie in einem Fahrzeug: Der Brennstoff ist in einer Kartusche enthalten, die einfach gegen einen neuen Behälter ausgetauscht wird, wenn sie leer ist. Als Brennstoff favorisieren die meisten Unternehmen Methanol – einen Alkohol, der aus Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen besteht und aus dem in der Zelle der für ihre Funktion benötigte Wasserstoff direkt gewonnen wird.
Erste Prototypen solcher Direktmethanol-Brennstoffzellen, die etwa Camcorder oder Notebooks mit Strom versorgen können, haben die Elektronikunternehmen Toshiba und Motorola sowie das Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) präsentiert. Die verwendeten Brennstoffzellen-Systeme waren allerdings so groß und sperrig, dass sie extern an das damit betriebene Gerät angeschlossen werden mussten. Letzten Herbst stellten Toshiba und NEC erste Prototypen von Notebooks vor, bei denen die Brennstoffzellen in das Gehäuse integriert sind. „2004 werden wir kommerzielle Notebooks mit eingebauter Brennstoffzelle auf den Markt bringen”, kündigt NEC-Pressesprecher Ralf Wolf an. Die Leistung der Geräte wird etwa 14 Watt betragen, und das gesamte Notebook wird rund 2 Kilogramm wiegen, von denen 900 Gramm auf Brennstoffzelle und Methanolkartusche entfallen. Bis Ende 2005 will NEC Notebooks mit Brennstoffzelle anbieten, die eine Laufzeit von etwa 40 Stunden ohne Wechseln des Tanks ermöglichen – etwa das Zehnfache der Laufzeit heutiger Akkus in tragbaren Computern.
Bis Brennstoffzellen auch in kleineren Geräten wie Mobiltelefonen oder PDAs eingesetzt werden können, müssen sie allerdings noch deutlich verkleinert werden. Die Forscher am IZM haben daher bereits extrem flache Mikrobrennstoffzellen entwickelt, die rund einen Quadratzentimeter klein und lediglich 0,2 Millimeter dünn sind. Sie sollen, so die Hoffnung der Wissenschaftler, künftig nicht nur in Handys für Strom sorgen, sondern auch Hörgeräte und die Prozessoren auf Smart Cards in Gang halten. Einen Massenmarkt für Mikrobrennstoffzellen erwartet IZM-Forscher Robert Hahn etwa ab dem Jahr 2008.
Doch dann müssen die Winzlinge vielleicht mit ganz anderen Arten der Energieversorgung konkurrieren. Die am wenigsten futuristisch anmutende Form sind Solarzellen, die – zum Beispiel in einem Mobiltelefon – einen Akku mit Hilfe von Sonnenlicht ständig nachladen können. Daneben wird an Generatoren geforscht, die am Körper angebracht sind und elektrischen Strom etwa aus Bewegungen von Kopf oder Armen gewinnen. Sie könnten beispielsweise medizinische Sensoren oder Implantate mit Strom versorgen. Einen „Energieschuh” mit eingebauten Piezoelementen, die aus der Verformung der Schuhsohle beim Gehen elektrische Energie erzeugen und damit einen Akku aufladen können, haben Wissenschaftler des US-Forschungsinstituts SRI International entwickelt. Auch Körperwärme lässt sich zur Energieerzeugung nutzen: Ein Thermogenerator, den Forscher bei Infineon ausgetüftelt haben, gewinnt elektrischen Strom aus dem Temperaturunterschied zwischen dem menschlichen Körper und der Umgebung.
Ralf Butscher
