Mehr Effizienz durch Doppelschichtkondensatoren

Doppelt lädt besser

Ultra-Kondensatoren – oft auch Superkondensatoren oder Doppelschichtkondensatoren genannt – stellen eine interessante Methode der elektrochemischen Energiespeicherung dar.

In Akkumulatoren erfolgt die Energiespeicherung auf der Basis reversibler chemischer Reaktionen. Kondensatoren mit einem anorganischen oder organischen Dielektrikum nutzen die Polarisation des nichtleitenden Dielektrikums im elektrischen Feld zur Energiespeicherung. Doppelschichtkondensatoren besitzen kein Dielektrikum. Sie speichern die elektrische Energie durch Ladungsverschiebung an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. Ein Phänomen, das schon Ende des 19. Jahrhunderts beobachtet wurde. Der Physiker Helmholtz, der das nach ihm benannte Phänomen bereits 1853 als erster entdeckte, stellte fest, dass beim Anlegen einer Spannung zwischen zwei in eine leitende Flüssigkeit getauchten Kohlenstoffelektroden erst ab einer bestimmten Spannung ein kontinuierlicher Strom floß. Gleichzeitig setzte eine Gasentwicklung als Folge einer chemischen Reaktion an der Elektrodenoberfläche ein. Blieb er unter dieser Zersetzungsspannung, verhielt sich das System wie ein Kondensator. Ionen aus den Elektrolyten reichern sich beim Anlegen der Spannung in der Grenzfläche zur Elektrode an und entsprechend lädt sich die Elektrode positiv oder negativ auf. Die zu speichernde Energie hängt hierbei von der zur Verfügung stehenden Oberfläche der Elektrode, der Größe der Ionen und der Höhe der Zersetzungsspannung ab. Durch den Einsatz von Elektroden aus aktivem Kohlenstoff mit Oberflächen von bis zu 10.000 m2/g und Elektrolyten mit einer Zersetzungsspannung von 3 V gelang es Anfang der achtziger Jahre, Kondensatoren mit extrem hoher Energiedichte (2 Wh/kg) zu entwickeln. Die Leistungsabgabe dieser UltraCaps war zwar höher als für Akkumulatoren, jedoch deutlich niedriger im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren. Dies lag an der mäßigen elektronischen Kontaktierung der Kohlenstoffelektroden. Durch den Einsatz neuartiger Technologien, Kohlenstoff-Fließe und aufgesprühte Metallelektroden konnten die Vorwiderstände in den Elektroden deutlich gesenkt und daher eine hohe Leistungsdichte von bis zu 3.000 W/kg erreicht werden. Aus dem in Bild 1 dargestellten Ragone Diagramm (spezifische Energiedichte gegen spezifische Leistungsdichte) lässt sich entnehmen, dass die UltraCaps von Epcos einen deutlichen Vorteil in bezug auf Leistungs- und Energiedichte haben. Die diagonal verlaufenden Isochronen sind ein Maß für die mittleren Zugriffszeiten bei vollständiger Entladung des Energieinhalts bzw. eines Ladevorgangs.

Anwendungen
Durch ihre hohe Leistungsdichte sind die Doppelschichtkondensatoren geradezu prädestiniert für zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten. In der Automobiltechnik, Telekommunikation, Industrie, Medizin, Traktion und Consumerelektronik eröffnet diese innovative Technologie Spielarten, die sich bislang mit konventioneller Technologie nicht realisieren ließen und deren Vielfalt sich heute bestenfalls erahnen lässt.

UltraCaps in der Automobiltechnik
1994 begann ein Entwickler-Team der Continental AG sich des leidigen Problems der Vibrationen von konventionellen Verbrennungsmotoren für Fahrzeugantriebe anzunehmen. Bereits ein Jahr später konnte der Automobilindustrie ein völlig neuartiges Konzept präsentiert werden, das ISAD-System – Integrated Starter Alternator Damper (Bild 1). Prinzipiell kombiniert ISAD die Funktionen des Starters und der Lichtmaschine in einem einzigen Aggregat mit intelligenter Elektronik. Dieser sogenannte Startergenerator wird dabei direkt auf die Kurbelwelle montiert. Folgende Systemkomponenten konventioneller Antriebe werden dabei überflüssig: Anlasser samt Magnetschalter und Freilauf, Lichtmaschine, Keilriemen und Scheiben, Schwungrad sowie diverse Schwingungstilger im gesamten Antriebsstrag. Im motorischen Betrieb bietet der ISAD folgende Vorteile:
• Geräuschloses und schnelles Starten mit Motor-Leerlaufdrehzahl,
• hohe Startdrehzahl,
• keinen Verschleiß,
• zusätzliche Drehmomentunterstützung beim Anfahren und Beschleunigen und
• komfortable Start/Stopp-Automatik.
Mit dem ISAD lässt sich erstmals auch die treibstoffsparende Funktion des sogenannten regenerativen Bremsens realisieren. Gemeint ist dabei die Umwandlung der kinetischen in elektrische Energie, die beim Anfahren bzw. Beschleunigen dem Antrieb wieder zur Verfügung gestellt wird. Voraussetzung dafür ist neben dem ISAD-Prinzip ein Speichermedium, das in kürzester Zeit, auch bei niedrigsten Temperaturen (-40 °C) sehr hohe Energiemengen aufnehmen wie auch abgeben kann. Bei Continetal ISAD Electronic Systems entschied man sich für UltraCaps. Mit den Doppelschichtkondensatoren lassen sich in einer einzigen Zelle Kapazitäten von bis zu 2.700 Farad realisieren. Der Vorteil der UltraCaps liegt in ihrem extrem geringen Innenwiderstand, wodurch sie binnen kürzester Zeit mit sehr hohen Strömen geladen werden können. Andererseits kann die gespeicherte Energie schlagartig wieder an einen Verbraucher – zum Beispiel den ISAD im Motorbetrieb – abgegeben werden. UltraCaps können durch Parallel- und Serienschaltung zu Modulen beliebiger Spannung und Kapazität konfiguriert werden. Durch die Speicherung und Bereitstellung von Energiespitzen sorgen die UltraCaps für eine Entlastung und damit Lebensdauerverlängerung der Batterie. Gleichzeitig können Batteriesysteme kleinerer Kapazität zum Einsatz kommen. Sie zeichnen sich durch extreme Langlebigkeit aus. Bei einer Lebensdauer von mindesten zehn Jahren werden mindestens 500.000 Lade-/Entladezyklen ohne Kapazitätseinbußen garantiert.

UltraCaps in Windkraftanlagen
Generatoren in Windkraftanlagen weisen einen Leistungsfaktor <1 auf. Durch den ohmsch-induktiven Charakter fließt somit ein unerwünschter induktiver Blindstrom. Zur Kompensation dieser Blindströme hat Epcos die WindCap-Reihe entwickelt – spezielle Phasenschieber-Kondensatoren für Windkraftanlagen. Sie zeigen auch unter den rauhen Einsatzbedingung bei Windkraftanlagen, wie schnell wechselnde Lasten und große Spannungsschwankungen sowie -unterbrechungen, hervorragende Leistungen. Im Vergleich zu gängigen Phasenschieber-Kondensatoren konnte die Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Lebenszyklus-Kosten deutlich erhöht werden. Die spezifizierte Lebensdauer liegt nun bei 130.000 Stunden. Neben der Filterung von Oberwellen stellen sie kapazitive Blindleistung am Einspeisepunkt zur Verfügung, um das Netz von der induktiven „Schieflage“ zu befreien. Bei 690 V und einer Netzfrequenz von 50 Hz leisten die WindCap 25 kVAr, entsprechend 30 kVAr bei 60 Hz. Die hohe Impulsfestigkeit von 300 x In prädestiniert diese Kondensatoren für den Einsatz in Netzen mit extremen Lastsprüngen.
Die Konstruktion verzichtet auf eine Ölimprägnierung, statt dessen ist der Kondensator mit Gas gefüllt. Dadurch ist die Brandgefahr minimiert und durch den Verzicht auf Gefahrstoffe gestaltet sich die Entsorgung unproblematisch. Dank der Selbstheiltechnik repariert sich der Kondensator im Fehlerfall selbst. Eine Überdruck-Abreißsicherung verhindert das Bersten des Kondensators bei unzulässiger elektrischer oder thermischer Belastung.

Groß-USV setzt ausschließlich auf UltraCaps
AEG SVS Power Supply Systems entwickelte eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, die als Speichermedium statt Blei-Akkumulatoren ausschließlich UltraCaps verwendet (Bild 2). Insgesamt 115 UltraCaps mit einer Kapazität von je 2.700 Farad sind in der USV in Serie geschaltet. Sie stellen eine nutzbare Energie von 450 kWs zur Verfügung. Maximal 20 kVA leistet das Gerät mit der Typenbezeichnung SVS Protect 5.31 und schafft dabei unter Voll-Last eine Überbrückungszeit von 30 Sekunden. Laut Hersteller sind somit mehr als 95 Prozent aller Netzfehler ausgeglichen. Gilt es länger andauernde Stromausfälle zu beherrschen, kann während der 30 Sekunden ein Dieselaggregat gestartet werden, das Überbrückungszeiten in der Größenordnung von Stunden bis Tagen garantiert. Die USV basiert auf der bewährten Dauerwandler- oder Online-Technik. Dabei wird der Netzstrom ständig gleichgerichtet, zwischengespeichert und anschließend wieder wechselgerichtet und dem Verbraucher zugeführt. Neben der verzögerungsfreien Umschaltung auf Speicherbetrieb bietet diese Technik den Vorteil einer hohen Filterwirkung gegen Oberwellen, Spikes und andere Verunreinigungen des Netzes.
Warum UltraCaps statt Blei-Akkus als Speichermedium? Im Gegensatz zu Akku-Systemen zeigen Doppelschichtkondensatoren keine Verschleißerscheinungen. Mehr als 500.000 Lade-/Entladezyklen verkraften sie bei einer Mindestlebensdauer von zehn Jahren, ohne dass sich die Kapazität als Funktion der Zeit ändert. Ständige Wartungszyklen und Testläufe, die bei Akkumulatoren für den USV-Einsatz anstehen, entfallen völlig. Außerdem sind UltraCaps tiefentladungsfähig, was bei konventionellen Batteriesystemen normalerweise zur Unbrauchbarkeit führt.

Epcos
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