Hanfbatterien: Energiespeicher für die Elektromobilität

Uwe Gremer bei der Hanfernte

Lithium-Ionen-Akkus sind derzeit die leistungsfähigsten Energieträger für Elektroantriebe und aus der modernen E-Mobilität und Energieversorgung – etwa als Solarspeicher – nicht mehr wegzudenken. Unsere mobilen Telekommunikationsgeräte (Smartphones, Laptops, Tablets) sind damit ausgestattet, alle derzeit verfügbaren Elektroautos fahren damit. Doch sie sind gleichzeitig problembehaftet. Forschungen haben nun gezeigt, dass Hanfbatterien eine höchst effiziente und dabei kostengünstige Alternative darstellen könnten.

Probleme mit Lithium-Ionen-Akkus

Uwe Gremer bei der Hanfernte
Uwe Gremer bei der Hanfernte (frankenwaldhanf.de)

Ein prekäres Problem der Lithium-Ionen-Akkus besteht darin, dass sie manchmal in Flammen aufgehen. Spektakuläre Fälle sind ausgebrannte Tesla-Autos und brennende Smartphones. Auch die US-Bundesluftfahrtbehörde FAA warnt: Nach ihren Untersuchungen kann unter unglücklichen Umständen ein einziger überhitzter Lithium-Ionen-Akku einen kompletten Airliner entzünden. Die Akkus haben zahllose Reisende in ihren Smartphones und Tablets mit an Bord, Kameraleute führen sogar mehrere solcher Akkus mit. Daher hat die FAA gemeinsam mit dem US-Verkehrsministerium verfügt, dass Lithium-Ionen-Akkus auf inneramerikanischen Passagierflügen nicht mehr im sogenannten Aufgabegepäck, das im Frachtraum der Maschine unbeobachtet liegt, transportiert werden dürfen.

Die Selbstentzündung ist aber nur ein Problem dieser Akkus. Darüber hinaus werden sie den weltweiten Energiebedarf schon alsbald nicht mehr abdecken können. Das legen verschiedene Studien nahe. Ihre Technologie gilt inzwischen als ausgereift, Optimierungspotenzial gibt es nicht mehr. Auch ihre Rohstoffe sind knapp und werden zudem in Afrika unter fragwürdigen Bedingungen gefördert. Daher schaut sich die Wissenschaft längst nach günstigeren und ungefährlicheren Alternativen um, um die Post-Lithium-Ära einzuläuten. Eine dieser Alternativen ist die Batterie aus Hanf. Sie muss natürlich all das leisten können, was heute die Li-Ion-Akkus schaffen. Im Automobil erwarten wir inzwischen Reichweiten von 500+ Kilometern, im Smartphone oder Tablet eine Akkulaufzeit von einigen Tagen. Die Lebensdauer soll hoch, die Aufladedauer niedrig sein. Viele Ladezyklen sind inzwischen der Standard. Das ist zweifellos eine Herausforderung, weil der Trend zur Batterie vor allem wegen der Elektromobilität nicht zu bremsen ist. Die IAEA (Internationale Energieagentur) sagt für 2025 weltweit mindestens 70 Millionen Elektroautos voraus.

Auch der Bedarf an Akkus für erneuerbare Energien steigt rasant. Mit den weltweiten Vorräten an Lithium, Kobalt und Nickel ist das nicht zu schaffen. Die Alternative einer Nutzpflanze wie Hanf als Rohstoff erscheint unter diesem Blickwinkel geradezu als paradiesisch.

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Hanf als Lithiumsubstitut

Es gibt diverse Studien zu Lithiumalternativen, Hanf ist nur eine von mehreren Optionen. Sie ist aber vielversprechend. Die Forschungen hierzu legen nahe, dass Hanfbatterien Lithium- und Graphenakkus hinsichtlich der Leistungsfähigkeit übertrumpfen könnten. Letztere (Graphenakkus) sind ebenfalls eine sehr junge Entwicklung. Graphen ist eine robuste, zweidimensionale Kohlenstoffverbindung, 200 Mal härter als Stahl, dennoch flexibel, transparent und vor allem sehr leitfähig. Das dünne Material kann selbstverständlich Lithium ersetzen, Samsung will ab 2021 Smartphoneakkus auf dieser Basis herstellen.

Doch Graphen ist sehr teuer. Hanf hingegen wächst auf dem Feld. Der vielseitige Rohstoff wird von der Menschheit seit Jahrtausenden für Kleidung, Seile, die Hausdämmung und bekanntermaßen auch als Nahrungsergänzung verwendet. Er könnte die Basis für Elektrobatterien werden.

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Hanf als Energieträger – effizienter und nachhaltiger als Lithium

Der britische Wissenschaftler Robert Murray Smith forscht an Hanfbatterien und erläutert das Prinzip auf YouTube. Unter anderem konnte Smith belegen, dass eine Hanfbatterie um den Faktor 8 höhere Volt-Ampere-Ströme produziert als eine herkömmliche Lithiumbatterie. Zwar ist die Hanfbatterie von Smith noch nicht einsatzfähig, doch seine Experimente zeigen, so Smith, dass Hanfzellen als Elektrospeicher deutlich effizienter als Lithiumzellen sind. Robert Murray Smith ist mit seinen Erkenntnissen nicht allein.

Bereits 2014 wiesen amerikanische Wissenschaftler von der Clarkson-University (US-Bundesstaat New York) unter der von Leitung von Dr. David Mitlin nach, dass sich Abfallprodukte aus Hanf für äußerst effiziente Kondensatoren nutzen lassen. Auch die US-Wissenschaftler schrieben dem Hanf eine höhere Effizienz als Lithium und Graphen zu. Der wichtigste Aspekt für die industrielle Anwendung ist die Tatsache, dass Hanf bei vergleichbarer Energiespeicherung nur rund ein Tausendstel der Kosten von Graphen verursacht. Gegenüber Lithium-Ionen-Akkus ist der Kostenvorteil nicht so hoch, doch diese Akkus sind – siehe oben – im Gegensatz zu Graphen und Hanf eben auch gefährlich. Die US-Forschungsgruppe hatte Bastfasern gekocht. Diese bilden die Innenrinde einer Hanfpflanze. Aus dem dabei stattfindenden Prozess der sogenannten hydrothermalen Synthese entstanden Nanoschichten aus Carbon, die sich in Superkondensatoren einsetzen ließen. Superkondensatoren sind eine besondere Batterievariante.

Herkömmliche Akkus mit großem Energiespeicher wie alle derzeit gängigen Li-Ion-Akkus geben ihre Energie tropfenweise ab. Superkondensatoren hingegen liefern rapide – quasi (fast) auf einen Schlag – ihre Energie. Das ist gut für Maschinen, die stoßweise viel Energie brauchen. Elektromotoren für Fahrzeuge gehören zweifellos dazu. Der Leiter des US-Forschungsteams Dr. Mitlin verwies in der Auswertung der Studie darauf, dass die Hanf-Carbonate auch bei 0 °C noch funktionieren und die vielleicht beste je dokumentierte Leistungs-Kraft-Kombination aller bekannten Carbonate aufweisen.

Interesse der Industrie an Hanfbatterien

Hanfernte im Frankenwald
Hanfernte im Frankenwald (frankenwaldhanf.de)

Der texanische Motorradproduzent Alternet beteiligt sich seit 2018 als Co-Finanzierer an den US-Forschungen. Er möchte Hanfbatterien in seine Elektromotorräder der Marke ReVolt einbauen. Wenn das gelingt, wäre es ein echter Durchbruch. Derzeit (Ende 2019) geht man noch von einigen Entwicklungsschritten aus, bis sich Hanf als Energierohstoff in Elektrobatterien durchsetzt. Die Forschungen des Briten Robert Murray Smith unterstützen und bestätigen die Arbeit an der Clarkson-University, gleichzeitig tragen sie zur Popularisierung von Hanf als Elektroenergiespeicher bei. Die vielseitige pflanzliche Ressource wird ja schon ewig auf diverse Arten genutzt, dieser Anwendungszweck wäre aber neu und revolutionär. Wichtig ist unter anderem, dass sich Hanfabfälle verwenden lassen – ein weiterer Beleg dafür, wie wertvoll Bioabfälle sein können. Dr. Mitlin forscht zum Beispiel auch an Kohlenstoffblöcken aus Bananenschalen.

Elektrobatterien lassen sich möglicherweise auch aus Erdnussschalen produzieren, solche Forschungen gibt es auch. All diese Rohstoffe liefern sogenannten „Pseudo-Graphit“ (eine Wortschöpfung der amerikanischen Wissenschaftler). Hanf weist unter all diesen Pflanzen die Besonderheit auf, dass seine Fasern durch ihre Struktur für Carbonplatten mit großer Oberfläche bestens geeignet sind. Das wiederum ist für die Funktion der Superkondensatoren sehr wichtig.

Wissenschaftliche Kommentare zu Hanf als Energieträger

Weltweit wurden die Forschungen von Robert Murray Smith und dem US-Team unter der Leitung von Dr. Mitlin sehr aufmerksam verfolgt. Die wissenschaftliche Community kommentiert die Experimente sehr wohlwollend. Die Leistungsdichte von 20 kW/kg und die Energiedichte von 12 Wh/kg – erreichbar in einer Ladezeit unter sechs Sekunden – könnten zum Energieträger der Zukunft führen. Am beeindruckendsten ist die Zahl der Ladezyklen: Sie liegt bei über 100.000 und damit deutlich höher als bei herkömmlichen Li-Ion-Akkus.

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Autor: Tanne Nordmann


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