Rohstoff Graphen

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Graphen – der Rohstoff, der den Batteriemarkt revolutionieren kann

Graphen Dieses unscheinbare Gitter könnte den Batteriemarkt revolutionieren

2004 entdeckt, wurde dem Rohstoff eine große Zukunft hervorgesagt. Danach passierte lange nichts – bis jetzt.

Dresden Taavi Madiberk sieht nicht aus wie der CEO eines Multi-Millionen-Euro-Start-ups. Wer den rothaarigen jungen Typ mit Brille und dicken Kopfhörern auf den Ohren vor seinem Laptop sitzen sieht, würde nie auf die Idee kommen, dass seine Erfindung den Speichermarkt revolutionieren könnte.

Der gebürtige Este ist CEO von Skeleton Technologies. Ein ursprünglich estnisches Unternehmen mit Sitz in Deutschland, das Stromspeicher der besonderen Art entwickelt: Ultrakondensatoren. Diese Art von Speicher können im Vergleich zu herkömmlichen Akkus große Energiemengen innerhalb weniger Sekunden aufnehmen und genauso schnell wieder abgeben.

Madiberk könnte auf diese Weise eines der größten Probleme von heutigen Elektroautos lösen: die Ladezeit. „Unsere Ultrakondensatoren werden dafür sorgen, dass man Elektroautos in ein paar Jahren innerhalb weniger Minuten aufladen kann“, sagt der 30-jährige Gründer selbstbewusst. Skeletons hauseigene „Ultracaps“, die in Form einer größeren handelsüblichen Batterie daherkommen, können laut Madiberk jetzt sogar doppelt so viel Energiedichte speichern wie herkömmliche Kondensatoren und das auch noch viermal so schnell wie die Konkurrenz. Im Visier hat das junge Unternehmen deswegen vor allem die Autobranche, die derzeit Milliarden in die Batterieforschung investiert.

Der Schlüssel für all das sei der Grundstoff für die Superspeicher, den Skeleton selbst herstellt: Graphen. Seit seiner Entdeckung 2004 gilt das Kohlenstoffprodukt als regelrechtes Wundermaterial. Es könnte Raumschiffe mit Sonnenenergie antreiben, hieß es, Graphen-Spinnenweben könnten abstürzende Flugzeuge auffangen, und das Material könnte faltbare Smartphones möglich machen.

Die Europäische Union hat die Graphen-Erforschung zu einem ihrer wichtigsten Projekte gemacht, die zehn Jahre lang mit jeweils einer Milliarde Euro gefördert wird. Aber irgendwie schien die Technologie nie über das „könnte“ hinauszukommen – bis jetzt.

So vielversprechend Nanomaterialien auch sind. Das Problem war bisher die Herstellung. Sie ist viel zu teuer, da sie aufwendig im Labor stattfindet. Einen industriellen Prozess gibt es dafür nicht. Skeleton behauptet das Gegenteil. Und genau das ist der Grund, warum ihre Ultracaps in der Branche mit Skepsis beäugt werden.

Automesse Peking : VW steckt Milliarden in E-Autos für China

„Wenn Skeleton es wirklich schaffen sollte die versprochene Leistung zu bringen und das nicht nur in Prototypen, sondern in Serienproduktion, zu erschwinglichen Preisen, dann könnten die Ultracaps in der Tat vieles leichter machen“, sagt Speicherexperte Michael Sterner von der Technischen Hochschule Regensburg.

Das Unternehmen selbst will sich allerdings nicht dazu äußern, wie genau das Ganze funktionieren soll. Madiberk sagt nur so viel: „Wir sparen durch die Eigenproduktion sehr viel Geld.“ Das Ziel sei, die Kosten bis 2025 um 80 Prozent zu senken.

Ultrakondensatoren gelten schon länger als Energiespeicher der Zukunft, da sie in Sekunden aufgeladen werden können. Anders als Akkus überstehen die Superspeicher zudem mehrere Hunderttausend bis zu einer Million Ladezyklen. Die Batterien in E-Autos hingegen verlieren schon nach etwa 1500 Zyklen nachweisbar an Kapazität.

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Dass Ultrakondensatoren trotzdem nicht in allen Elektrogeräten verbaut sind, liegt an einem Haken: Ihre Speichermenge ist stark begrenzt. Ein Smartphone mit Supercaps würde nach wenigen Stunden den Geist aufgeben. „Ultrakondensatoren könnten niemals die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien ersetzen“, weiß auch Madiberk.

Forscher glaubt, dass Graphen eine Nische bleibt

Mit seinen Ultracaps will er den erprobten E-Auto-Batterien keine Konkurrenz machen, sondern Lastspitzen abfedern und so die Lebensdauer herkömmlicher Stromspeicher erhöhen. Auch Gespräche mit vor allem deutschen – Autoherstellern laufen schon auf Hochtouren. Genaueres darf der Skeleton-CEO nicht sagen.

Da ist Sterner allerdings eher skeptisch. „An der Automobilbranche haben sich schon so einige die Finger verbrannt“, warnt er. „Hier stimmt einfach das Platz-Nutzen-Verhältnis nicht.“ Bei Elektroautos gehe es maßgeblich um Reichweite, der kurze „Booster-Effekt“ wäre zwar nett für Sportautos, aber den zusätzlichen Platz und das Gewicht, das durch die Ultracaps entsteht, sei er eben nicht wert, meint Sterner. „Auch wenn Autohersteller wie Volvo vereinzelt Ultrakondensatoren einsetzen, den großen Durchbruch wird die Technik im kleinen Pkw nicht haben.“

Eine Meinung, die Madiberk natürlich nicht teilt. Er ist fest davon überzeugt, dass seine Ultracaps in ein paar Jahren eine entscheidende Rolle beim Thema E-Mobilität spielen werden.

Heute werden sie immerhin schon in Bussen und Lastkraftwagen eingesetzt. Das sind in Sterners Augen auch sinnvolle Verwendungsmöglichkeiten für Ultrakondensatoren. Die vielen Starts und Stopps seien für den Einsatz ideal. Jedes Mal, wenn der Fahrer bremst, wird die Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt, blitzschnell in dem Ultrakondensator gespeichert und bei Bedarf genauso schnell wieder abgerufen.

Thema: Automobilindustrie

Genauso wie in Lkw. Hier werden die Batterien besonders beim Anfahren stark beansprucht, Ultrakondensatoren könnten sozusagen beim Anschieben helfen und die Lastspitzen der Batterien so entlasten. Die würden dann länger halten und könnten kleiner ausgelegt werden. „Das ist ein Riesenvorteil“, findet Sterner. Ein großes britisches Speditionsunternehmen testet die Ultracaps von Skeleton in diesem Bereich schon in Kooperation mit Iveco, der Lkw-Marke aus dem Fiat-Konzern.

Nach eigenen Angaben hat das Unternehmen allein im vergangenen Jahr ein dreistelliges Wachstum in Multi-Millionen-Höhe hingelegt. „Mit unseren frühen Prototypen haben wir die Machbarkeit bereits bewiesen“, so Madiberk. Jetzt gehe es darum, die Technologie auf kommerziellem Level zu skalieren und gleichzeitig Prozess- und Materialkosten zu senken.

Wenn das erst geschafft sei, sind die Möglichkeiten in den Augen des jungen Geschäftsmannes schier unbegrenzt. „In ein paar Jahren wird das Geschäft mit Ultrakondensatoren ein Multimilliardenmarkt sein – und Skeleton die Nummer eins.“

Zum 1. Juli zieht das Unternehmen samt der kompletten Produktion nach Großröhrsdorf bei Dresden. Neben der industriellen Perspektive am Standort Deutschland sei man so einfach näher an potenziellen Kunden, begründet Madiberk den Schritt.

Ganz in die Nähe ist übrigens auch die E-Autoproduktion von Volkswagen.

2 Kommentare zu „Graphen: Dieses unscheinbare Gitter könnte den Batteriemarkt revolutionieren“

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„Nach eigenen Angaben hat das Unternehmen allein im vergangenen Jahr ein dreistelliges Wachstum in Multi-Millionen-Höhe hingelegt.“
Offenbar nicht ohne Grund: „Mit unseren frühen Prototypen haben wir die Machbarkeit bereits bewiesen“, …“.

Und das Wichtigste bleibt – neben der Entwicklung weiterführender neuer Technologien allgemein und überhaupt -, dass die Produkte möglichst umgehend ihre Praxistauglichkeit beweisen können („„Wenn Skeleton es wirklich schaffen sollte die versprochene Leistung zu bringen und das nicht nur in Prototypen, sondern in Serienproduktion, zu erschwinglichen Preisen, dann könnten die Ultracaps in der Tat vieles leichter machen“, …“).

„Ultrakondensatoren könnten sozusagen beim Anschieben helfen und die Lastspitzen der Batterien so entlasten. Genauso wie in Lkw. Hier werden die Batterien besonders beim Anfahren stark beansprucht, Die würden dann länger halten und könnten kleiner ausgelegt werden. „Das ist ein Riesenvorteil“, …“

Na klar ist das unter ökonomischen Aspekten ein Riesenvorteil. Wenn es um den Verbrauch von Ressourcen geht, ist weniger grundsätzlich mehr.

Und die genaue Definition des Begriffs „Ressourcen“ bedeutet vorrangig etwas ganz anderes als Geld – einfach unter Wikipedia eingeben (oder „googeln“).

Zum Eingangssatz („Taavi Madiberk sieht nicht aus wie der CEO eines Multi-Millionen-Euro-Start-ups.“):
Das äußere Erscheinungsbild war noch nie ein zuverlässiger Indikator für intellektuelle Fähigkeiten.

Und zum Schlussabsatz („Zum 1. Juli zieht das Unternehmen samt der kompletten Produktion nach Großröhrsdorf bei Dresden. Neben der industriellen Perspektive am Standort Deutschland sei man so einfach näher an potenziellen Kunden, (…). – Ganz in die Nähe ist übrigens auch die E-Autoproduktion von Volkswagen“):

Pragmatisches Denken ist immer gut. Und Konkurrenz belebt bekanntlich nicht nur das Geschäft, sondern die ganze Wirtschaft. Bleibt dann nur noch zu hoffen, dass sich der objektiv Bessere tatsächlich durchsetzen kann.

Es wäre gar kein Problem, die gesamte Energieüpckgewinnung von E-Fahrzeugen über Supercaps abzubilden. Zu er-fahren etwa beim Rasa von Riversimple. Der ist zwar ein Brennstoffzellenauto, aber die Regeneration würde auch mit BEV plus Super/Ultracap funktionieren. Spart unglaublich Gewicht., spart Ladezyklen, Bremsenergie geht nicht verloren, und Beschleunigung geht noch um Einiges fixer als nur mit Batterien.

Menschlicher Schweiß als Rohstoff für die Graphenherstellung

Per Fingerabdruck haben Saarbrücker Forscher das als Wundermaterial geltende Graphen hergestellt. Sie sind damit einer kostengünstigen Technik auf die Schliche gekommen, die den Weg zur großtechnischen Nutzung von Graphen ebnen könnte.

„Da sind ja Fingerabdrücke drauf“: Während Kinder auf der Spielwarenmesse in Nürnberg mit dem Experimentierkasten „ScienceX Spurensicherung am Tatort“ nach Fingerabdrücken suchen, haben Forscher der Universität des Saarlandes ein Verfahren entdeckt, wie man aus Fingerabdrücken feinste Graphenstrukturen herstellen kann.

Foto: dpa/Daniel Karmann

Aus allen Flüssigkeiten, die Kohlenstoff enthalten, lässt sich das als Wundermaterial geltende Graphen herstellen. Das haben Saarbrücker Wissenschaftler vor ein paar Jahren schon bewiesen – zunächst mit Aceton, mit dem sich im Normalfall Fingernägel von Lack befreien lassen. Seitdem haben die Forscher es mit verschiedenen Ausgangsstoffen probiert.

Fingerabdrücke werden zu feinstem Graphen

Zuletzt wurden sie, wie es scheint, übermütig. Sie pressten schweißnasse Fingerspitzen auf eine Unterlage, wie bei der erkennungsdienstlichen Behandlung in der Polizeiwache. „Ein Fingerabdruck auf der Probe ist eigentlich ein Tabu in der Oberflächenanalytik“, erläutert Forscher Frank Müller. Schweiß bestehe aus einem unkontrollierten Gemisch zahlreicher komplexer Kohlenstoffverbindungen, unter anderem Fettsäuren und Salze.

Die in Schweiß enthaltenen Kohlenstoffverbindungen sind der Schlüssel für die Graphenherstellung. Die Saarbrücker Forscher behandelten ihre Fingerabdrücke wie alle anderen Proben zuvor und schoben sie in einen Vakuumofen. Erstaunliches Ergebnis: Am Ende der Prozedur hatten sich die Fingerabdrücke in feinstes Graphen verwandelt. „Die Flüssigkeit des Fingerabdrucks funktioniert bei der LPD-Synthese ebenso gut wie ein synthetischer Precursor“, so Müller.

In der Abbildung ist der schematische Zerfall eines molekularen Precursors sowie die Bildung einer monoatomaren Kohlenstoffschicht (Graphen) auf dem Metallsubstrat zu sehen.

Quelle: Universität des Saarlandes

Was eher nach einem Studentenulk aussieht, hat einen ernsten Hintergrund. Das Forscherteam um Physik-Professor Stefan Hüfner und Hermann Sachdev, Privatdozent für Anorganische Chemie an der Universität des Saarlandes, wollte demonstrieren, dass ihr neues Produktionsverfahren für Graphen so robust ist, dass es sich für den industriellen Einsatz eignet.

Graphen-Strukturen entstehen im Vakuumofen bei 700 Grad

Anders als bei der kontrollierten Abscheidung von Kohlenstoff aus der Gasphase setzen die Saarbrücker Wissenschaftler gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Augsburg und Nottingham in Großbritannien auf flüssige Ausgangsmaterialien, so genannte Precursors. Sie sprühen diese auf eine Unterlage, etwa eine Silberfolie. Anschließend wandert die Probe in einen Vakuumofen. Dort verdampft die Flüssigkeit bei einer Temperatur von bis zu 700 Grad Celsius. Übrig bleibt eine einzige Lage von Kohlenstoffatomen, die sich in Sechsecken anordnen.

„Wir konnten zeigen, dass es einen universellen Bildungsweg für Graphen gibt“, sagt Sachdev. „Dieser Bildungsweg führt immer über die gleichen molekularen Zwischenstufen aus zwei Kohlenstoff-Atomen, unabhängig davon, welche Vorläufermoleküle wir gewählt haben.“ Jetzt wissen sie, dass es selbst mit exotisch anmutenden Flüssigkeiten wie Schweiß funktioniert.

Breites Anwendungsspektrum für Graphen

Die Graphenherstellung aus der Flüssigphase könnte ein großes Hindernis für eine Massenanwendung des Materials beseitigen: die heute noch sehr hohen Produktionskosten. Aus Graphen lassen sich unter anderem Transistoren bauen, die 1000 Mal schneller schalten als die aus Silizium. Oder besonders abriebfeste Reifen, elektrisch leitende Kunststoffe, Seile, die um ein Vielfaches reißfester sind als solche aus Stahl, und Dämmmaterial für Gebäude, das weitaus weniger Wärme passieren lässt als heute genutztes Material. Die Zahl der Anwendungsmöglichkeiten steigt beinahe täglich an.

Graphit: Rohstoff der Zukunft

Die meisten Menschen haben Graphit (auch Grafit) schon einmal in ihren Händen gehalten – nämlich in Form eines Bleistifts bzw. einer Bleistiftmine. Allerdings gibt es für die Kohlenstoffart Graphit bereits heute eine große Anzahl von Anwendungen und damit eine wachsende Nachfrage.

Graphit wird in erster Linie in der Stahlindustrie und auch in der Autobranche benötigt. Der Rohstoff ist ebenfalls in Lithium-Ionen-Batterien unverzichtbar, die etwa in Laptops, Smartphones oder Elektroautos verbaut sind. Hierbei handelt es sich um wachsende Märkte.

Sowohl die Autobranche in Indien und China als auch der boomende Elektroniksektor dürfte in den kommenden Jahren erheblich zulegen. Ein bedeutender Rohstoffmarkt der Zukunft dürfte das „Wundermaterial“ Graphen sein. Dabei handelt es sich um einen weiteren, kommenden Absatzmarkt für Graphit.

Graphit – weltweite Produktion und Preisentwicklung

Nach Angaben des Branchenverbands kommen derzeit etwa 73 % der globalen Graphitproduktion aus China. Aus Indien kommen etwa 12 %, aus Brasilien ca. 7 % und 8 % aus anderen Ländern. China versucht für den eigenen Bedarf mithilfe hoher Exportzölle und drastischer Exportbestimmungen möglichst viel Graphit im Land zu halten. Daher hat die Entwicklung von Graphit-Förderstätten außerhalb Chinas für den Rest der Welt große Bedeutung.

Die Preise für Graphit werden nicht an Rohstoffbörsen sondern durch Angebot und Nachfrage bestimmt. Auf diese Weise kostete die Tonne Graphit zwischen 1990 und 2005 ca. 500 bis 600 US-$. Dies hatte seine Ursache in dem großen Angebot Chinas, das Preisanhebungen verhinderte. Im Anschluss daran stieg die Nachfrage allerdings stärker.

Bis zum Jahr 2020 kletterte der Preis für die Tonne Graphit auf etwa 1.500 bis 1.600 US-$. Daraufhin kletterte der Preis im Jahr 2020 auf 2.500 bis 3.000 US-$ je Tonne. Dennoch sank der Preis in den folgenden Jahren auf rund 1.300 US-$ je Tonne, wo er sich auch Ende 2020 in etwa befand. Aufgrund der steigenden Anwendungen des Rohstoffs gehen Experten bis Ende 2020 von einem Graphitpreis von ca. 1.600 US-$ aus.

Steigende Nachfrage beim Rohstoff Graphit?

Kenner der Graphit-Branche erwarten für China in den kommenden Jahren einen niedrigeren Beitrag zur gesamten Graphit-Produktion der Erde. Nach Prognosen von Experten werden in der nahen Zukunft nur noch rund 60 % der weltweiten Graphitherstellung aus dem Reich der Mitte kommen.

Inzwischen schließt die chinesische Regierung mehr und mehr alte Minen, die nicht mehr auf dem Stand der Technik sind und Projekte, die Wasser und Luft übermäßig verschmutzen. Neben der erwarteten steigen Nachfrage durch den kommenden Rohstoff Graphen wird das abnehmende Angebot aus China den Graphit-Preis in Zukunft wohl ansteigen lassen.

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