Superkondensatoren als abnutzungsfreie Energiespeicher statt Akkumulatoren

Superkondensatoren wurden dem Elektroniker zuerst als Goldcaps geläufig – Kondensatoren, die zwar nur eine geringe Spannung vertrugen, doch ausreichend Kapazität hatten, um Backup-Batterien für RAM-Speicher oder für Echtzeituhren-Chips in Computern zu ersetzen. Auch in LED-Rücklichtern für Fahrräder sorgten sie für Erstaunen, weil diese beim Ampelhalt eine Batterie minutenlang weiterleuchteten. Anfangs war die Stoßbelastbarkeit dieser Bauteile aber noch gering und der Innenwiderstand (ESR, Equivalent Serial Resistance) relativ hoch.

Heute gibt es Superkondensatoren bis zu 8000 F in Großserie, deren Speicherfähigkeit mit kleinen Akkumulatoren konkurrieren kann. Die Physik der Superkondensatoren ist jedoch eine andere, und damit verhalten sie sich auch elektrisch anders als Akkumulatoren. Zunächst sind Superkondensatoren ganz klar Kondensatoren: Ihre Kapazität wird durch zwei leitende Flächen bestimmt, die sich gegenüberstehen. Je größer die Fläche, je geringer ihr Abstand und je höher die Dielektrizitätszahl des zwischen ihnen befindlichen Dielektrikums, desto höher die Kapazität:

• C = ε • A / d

Dabei ist C = Kapazität, A = Fläche, d = Abstand und ε = Dielektrizitätszahl.

Welche Arten von Kondensatoren es gibt

Folglich hat ein Luft- oder Vakuumkondensator einen kleinen Kapazitätswert, da d hoch und ε und A gering sind. Dafür hat er eine hohe Spannungsfestigkeit. Ein Folienkondensator hat hingegen eine deutlich höhere Kapazität, da mehr Fläche und eine höhere Dielektrizitätszahl zur Verfügung stehen und die Folie es erlaubt, den Abstand bei dennoch hoher Spannungsfestigkeit zu minimieren. Keramikkondensatoren besitzen je nach Dielektrizitätszahl des Materials teils noch höhere Kapazitäten mit möglichen Einschränkungen bei Spannungsfestigkeit und Kapazitätskonstanz.

Elektrolytkondensatoren weisen eine noch größere Kapazität auf, weil hier kein mechanisch gefertigtes Dielektrikum Verwendung findet, sondern eine dünne, chemisch erzeugte Oxidschicht. Ist das Grundmaterial sehr rau, steigt die Fläche und damit die Kapazität weiter. Die Spannungsfestigkeit ist geringer und der Kondensator hat eine bauartbestimmte Polarität – bei falscher Behandlung wie Verpolung, Überspannung, Überstrom oder Übertemperatur kann der Kondensator schnell ausfallen.

Superkondensatoren sind Doppelschichtkondensatoren, deren Prinzip, die Helmholtz-Doppelschichten, schon seit über 130 Jahren bekannt sind. Diese sind nur wenige Molekülschichten im Nanometerbereich dick, woraus sich eine weitere Kapazitätserhöhung gegenüber dem Elektrolytkondensator bis zum Faktor 10.000 ergibt – sowie eine geringe Spannungsfestigkeit, die für einzelne Zellen in der heute üblichen Technologie unter 3 V liegt. Für höhere Spannungen lassen sich die Zellen, wie bei Batterien, in Reihe schalten. Bei mehr als zwei Zellen, die 5 bis 5,5 V zulässige Betriebsspannung erreichen, sind üblicherweise Maßnahmen zur gleichmäßigen Spannungsaufteilung erforderlich.

Sind Kondensator eine Alternative zum Akku?

Elektrochemische Vorgänge wie in Batterien und Akkumulatoren, bei denen sich das Elektrodenmaterial strukturell verändert und damit verschleißt, spielen bei Doppelschichtkondensatoren allerdings nur eine geringe Rolle. Sie tragen in den heute gebräuchlichen Bauformen von Superkondensatoren nur im Prozentbereich zur Kapazität bei. Es gibt Superkondensatortechniken, bei denen dieser Anteil überwiegt oder gleichwertig ist (Pseudo- und Hybridkondensatoren). Sie haben geringere Lade-/Entladezykluszahlen, die jedoch immer noch weit über denen von Akkumulatoren liegen. Diese Varianten sind aktuell jedoch nicht von großer Bedeutung.

Allerdings spielen Ionenverschiebungen und chemische Bildungen dieser Ionen in der Doppelschicht sehr wohl eine Rolle, weshalb man Superkondensatoren auch als elektrochemische Kondensatoren bezeichnet. Nur so sind auch die enorm hohen Feldstärken von bis zu 5000 kV/mm in der Doppelschicht erklärbar – ein normales Dielektrikum würde hier durchschlagen.

So stark sind die Lade- und Entladeströme von Doppelschichtkondensatoren

Die Lade- und Entladeströme von Doppelschichtkondensatoren können sehr hoch sein, Tiefentladung ist kein Problem, 100.000 Lade- und Entladezyklen und mehr sind möglich und damit eine Lebensdauer von über zwanzig Jahren. Die Kapazitäten liegen bereits bei etwa 1/10 der von Akkumulatoren. Damit sind Superkondensatoren im Zyklusbetrieb wesentlich leistungsfähiger als Akkus: Sie können sogar Rennwagen antreiben oder öffentliche Verkehrsmittel wie Elektrobusse, die sich beim kurzen Stopp an der Haltestelle über Kontakte wieder aufladen lassen. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) hat in Dresden beispielsweise Hybridbusse gefertigt, die nach 15 Sekunden Ladung an der Haltestelle bis zu zwei Kilometer zur nächsten Ladestation rein elektrisch fahren – erst bei längeren Fahrtstrecken schaltet ein Dieselmotor zu.

Die Prinzipien von Elektrolytkondensatoren und Superkondensator wurden zu vergleichbarer Zeit entdeckt – 1875 von Eugène Adrien Ducretet (Elko) und schon 1853 von Hermann von Helmholtz (Supercap), wobei Helmholtz 1879 den Doppelschichteffekt definierte. Doch während der Aluminium-Elektrolytkondensator ab 1892 industriell eingesetzt und ab 1931 in der heute bekannten Technologie gefertigt wurde, geriet der Superkondensator über viele Jahre in Vergessenheit. Erst 1957 gab es erste Patente, 1962 fuhr ein Kanu der Standard Oil mit Strom aus einem autobatteriegroßen Superkondensator zur Vorführung zehn Minuten über einen See in Ohio. Allerdings sah Standard Oil keine Marktchancen und gab die Patente an NEC ab. Zudem war selbst den Entwicklern der Superkondensatoren anfangs der Unterschied der Funktionsweise zu Elektrolytkondensatoren nicht klar; Standard Oil hatte sie noch als Elektrolytkondensatoren eingestuft. Ab 1971 gab es erste marktreife Produkte von NEC, 1978 folgte der Goldcap von Panasonic mit 10 F. Ab 1992 waren Kapazitäten über 1000 F verfügbar. Epcos stieg Ende 2006 aus dem Superkondensator-Geschäft aus [5].

Die Temperaturfestigkeit von Superkondensatoren ist höher als bei Akkumulatoren, ebenso sind bei tiefen Temperaturen höhere Leistungen möglich als bei Akkumulatoren. Bestimmte Grenzwerte dürfen dennoch nicht überschritten werden, da sonst der Elektrolyt verdampft. Als Ende der Lebensdauer ist typischerweise ein Kapazitätsverlust um 30 Prozent oder ein Anstieg des Innenwiderstands auf das Doppelte definiert – ein plötzlicher Totalausfall eines Superkondensators ist bei korrekter Behandlung selten.

Wie sich Superkondensator und Batterie ergänzen

Die große Kapazität erreichen die Superkondensatoren neben der extrem dünnen Isolationsschicht dadurch, dass sie Kohlenstoffelektroden verwenden. Diese sind sehr porös und rau – meist findet Aktivkohle Verwendung, heute unter anderem Kohlenstoff-Aerogel bei Powerstor Superkondensatoren. Es lassen sich über 3000 m² Fläche mit 1 g Kohlenstoffpulver erreichen. Auch Kohlenstoff-Nanoröhrchen wurden schon getestet, sind bislang jedoch für ein Massenprodukt noch zu teuer.

Superkondensatoren sind kein Filterelement wie normale Kondensatoren und Elkos – sie sind primär Energiespeicher. Der Innenwiderstand bei höheren Frequenzen ist für eine Siebung insbesondere bei getakteten Stromversorgungen und Umrichtern ungeeignet – schon bei 10 Hz ist nur noch ein Bruchteil der Kapazität des Superkondensators wirksam, weil die Ionen an der Doppelschicht sich nicht schnell genug bewegen – und der Innenwiderstand ist generell höher als bei Elektrolytkondensatoren, weshalb eine Nutzung als Filter- und Glättungskondensator wenig zufriedenstellt und zu Überhitzung und Ausfall führen kann.

Dafür können sie in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) ohne Weiteres einige Sekunden Stromausfall überbrücken, ohne wie USVs mit Akkumulatoren der ständigen Wartung und Überprüfung zu bedürfen. Selbst als Starthilfe im Automobil eignen sie sich, da ihre Leistung nicht wie die der üblichen Starterbatterien bei niedrigen Temperaturen nachlässt. Nur der Preis ist für diese Anwendung gegenwärtig noch nicht konkurrenzfähig.

Ebenso sind Superkondensatoren als Puffer verwendbar, wenn zwar Batterien zur Stromversorgung vorhanden und notwendig sind, doch das zu versorgende Gerät sehr impulsartig Strom zieht, wie ein optischer Rauchmelder: Hier wird der ESR der Batterien insbesondere bei fortschreitender Entladung zu hoch; mit einer parallel geschalteten Superkondensator-Variante lassen sich die Batterien wesentlich länger nutzen, bevor ein Stromimpuls Unterspannung verursacht. Es lassen sich auch langzeittaugliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden statt der hochstromtauglicheren Alkali-Mangan-Zellen.

Das sind die elektrischen Kennwerte eines Superkondensators

Bei Superkondensatoren handelt es sich um einen reinen Sekundärenergiespeicher. Die Selbstentladung heutiger Zellen ist zwar gering, aber dennoch nicht zur eigenständigen monatelangen Versorgung von Geräten geeignet. Die Selbstentladung ist aber zumindest gering genug, um Tage und sogar Wochen zu überbrücken. Die Bauelemente sind bei der Lieferung zudem schon aus Sicherheitsgründen nicht geladen wie Akkumulatoren und ihre Montage erfolgt normalerweise auch nicht steckbar und somit wechselbar – die Spitzenströme bei Fehlbedienung (Kurzschluss) wären sehr hoch und könnten ernsthafte Schäden anrichten.

Superkondensatoren liefern nicht wie Batterien oder Akkumulatoren eine chemisch bestimmte, über längere Zeit konstante Spannung, die erst zum Entladeschluss schnell abfällt, sondern wie jeder Kondensator eine bei konstanter Stromentnahme linear absinkende Spannung. Über Spannungsregler lässt sich die Ausgangsspannung einer Superkondensator-Stromversorgung konstant halten; allerdings sind beim Absinken der Kondensatorspannung auf die Hälfte des Ausgangswerts bereits drei Viertel der gespeicherten Ladung abgeflossen. Es lohnt sich also nicht, mit Weitbereichswandlern noch weiter zu entladen, auch wenn Tiefentladung prinzipiell kein Problem für Superkondensatoren darstellt. Dafür ist allerdings kein schlagartiger Ausfall des Energiespeichers beim Erreichen einer Entladeschlussspannung zu befürchten.

Mehr Spannung: Superkondensator-Arrays

Das Ende der Lebensdauer eines Superkondensators wird meist mit einem Kapazitätsverlust auf 70 Prozent und / oder einem Anstieg des ESR auf 200 Prozent definiert. Eine Schaltung, die mit einem Superkondensator-Array eine bestimmte Versorgungsspannung und Kapazität zur Verfügung stellen soll, ist entsprechend mit Reserve zu dimensionieren: Ist eine Entladung wirklich in Sekunden geplant und nicht in Stunden, wird der Innenwiderstand für einen Spannungsabfall sorgen, der durch entsprechend höhere Ladespannung und damit mehr in Serie geschaltete Superkondensatoren kompensiert werden muss. Dies wiederum reduziert aufgrund der Serienschaltung die Kapazität.

Eine korrekte Dimensionierung der einzelnen Kondensatorzellen berechnen Ingenieure deshalb mit diesen Lebensende-Parametern und nicht mit den Parametern eines fabrikneuen Superkondensators. Der langfristige Betrieb der Schaltung innerhalb ihrer Sollwerte ist so gesichert. Als Faustregel gilt zudem: Die Lebensdauer eines Superkondensators vergrößert sich um den Faktor 2,2, wenn die Betriebsspannung um 0,2 V reduziert wird und die Umgebungstemperatur um 10 °C sinkt.

Sind also besonders lange Laufzeiten gefragt, ist ein Betrieb bei reduzierter Spannung und nicht zu hohen Temperaturen hilfreich. Überspannungen sind ebenso wie Verpolung dagegen strikt zu vermeiden, da sie wie beim Elko zum Zersetzen des Elektrolyts und Gasen des Kondensators führen. Bei einem Einsatz in weiten Temperaturbereichen ist noch zu berücksichtigen, dass der ESR unter 0 °C deutlich ansteigt, während die Kapazität leicht sinkt (Bild 5), jedoch nicht in dem bei Akkumulatoren üblichen Maß.

Mehr Strom oder mehr Kapazität oder beides?

Die verschiedenen Anwendungen von Superkondensatoren teilen sich in vier Gebiete auf (Bild 4):

Klasse 1: geringere Kapazitäten, langsame Entladung. Beispiele: Speichererhalt, Versorgung von Echtzeituhrenchips bei Stromausfall.

• 0,1 F bis 1 F
• geringer Leckstrom
• Vertreter: Powerstor B-, HB-, K-Serien, SPSCAP SCV-Serie

Klasse 2: geringere bis mittlere Kapazitäten, langsame Entladung. Beispiele: Energiespeicher, Versorgung von Taschenlampen, Spielzeug, Notausgangskennzeichung, Elektrokleinwerkzeuge, Fahrradrücklichtern, Solarlampen, Herunterfahren von Maschinen bei Stromausfall, Audioguides im Museum.

• 5 F bis 400 F
• ersetzt USV mit Akkumulatoren
• Vertreter: Powerstor XB- und XV-Serie, SPSCAP SCE-Serie

Klasse 3: hohe Kapazitäten, starke Entladung. Beispiele: E-Mobile (Energierückgewinnung, Starthilfe, Start-Stop-Systeme), erneuerbare Energien (Windräder und Solar), Röntgengeräte, Baumaschinen.

• 100 F bis 5000 F
• geringer ESR
• hohe Kapazität
• Vertreter: SPSCAP SCP-Serie

Klasse 4: geringe Kapazitäten, hohe Ströme. Beispiele: Liefern kurzer Spitzenströme.

• 1 F bis 22 F
• geringer ESR
• Vertreter: Powerstor HV- und M-Serie

Die ersten Superkondensatoren fielen in Klasse 1, Klasse 3 sind die Ausführungen, die für Fahrzeuge jeglicher Art eine Rolle spielen. Klasse 2 ist kostengünstiger, wenn man die extrem hohen Ströme von Klasse 3 nicht benötigt. Klasse 4 ist in der Praxis kaum vertreten. Manche Anwendungen erschließen sich gar nicht auf Anhieb, wie der Einsatz in Windrädern: Hier dienen Superkondensatoren unter anderem dazu, die Flügel bei Netzausfall schnell aus dem Wind drehen zu können, bevor eine Beschädigung eintritt.

Vielversprechende Anwendungen für Superkondensatoren

Andere naheliegende Anwendungen wurden bislang wegen der Alterung von Akkumulatoren nicht realisiert, beispielsweise Energierückgewinnung beim Betrieb von Aufzügen. Mit Superkondensatoren ist dies möglich. Es sind auch Kombinationen verschiedener Einsatzmodi möglich, beispielsweise bei der Notstromversorgung, die zunächst eine Anlage mit hohem Strombedarf schnell herunterfahren und anschließend den Speichererhalt der Anlage über längere Zeiträume mit geringem Strombedarf sicherstellen soll. Gegenüber einer normalen, batteriegestützten USV entfällt bei Verwendung von Superkondensatoren die Wartung mit regelmäßigem Austausch der Batterien und die Temperaturabhängigkeit der Anlage ist wesentlich geringer.

Dies ist von großem Vorteil, ob nun in Verkehrsampeln, Rechenzentren, Telekom-Anlagen oder einarmigen Banditen, wo ein Ausfall infolge von Stromnetzstörungen zwar keine Leben gefährdet, doch für großen Ärger sorgen kann. Zudem ist eine Superkondensator-USV nach Wiederkehr der Stromversorgung schnell wieder geladen und kann eine weitere Störung erneut abfangen – eine entladene Akkumulator-USV ist dagegen erst nach Stunden wieder voll einsatzfähig.

Allgemein ist anzumerken, dass einige Parameter die Leistungsdichte erhöhen, andere dagegen die Energiedichte. Eine hohe Leistungsdichte ist für Anwendungen der Klasse 3 und 4 wichtig, eine hohe Energiedichte für Klasse 2 und 3. So sorgen beispielsweise porösere Aktivkohleoberflächen für eine höhere Speicherfähigkeit, also Energiedichte, doch die dadurch längeren Wege erhöhen den ESR und verringern so die Leistungsdichte des Kondensators. Es ist also immer zu überlegen, was im konkreten Einsatzfall wichtiger ist – hohe Kapazität oder geringer ESR.

Welche Elektrolyten gibt es für Superkondensatoren

Heute übliche Superkondensatoren verwenden meist Propylencarbonat oder Acetonitril als Elektrolyt. Propylencarbonat hat die Formel C₄H₆O₃, es ist ein wasserlöslicher Kohlensäureester, der bei -48,8 °C flüssig wird und bei +242 °C siedet. Obwohl er unter die Gefahrstoffverordnung fällt, gilt er als unproblematisch und umweltfreundlich –  er hat als Lösungsmittel gefährlichere Stoffe abgelöst. Damit gefüllte Superkondensatoren lassen sich von -25 bis +70 °C ohne Einschränkungen betreiben, bis +85 °C mit Einschränkungen (Spannungs- und Leistungs-Derating). Bei niedrigeren Temperaturen sind sie nicht mehr leistungsfähig, weil der Elektrolyt einfriert. Powerstor verwendet Propylencarbonat in den Kondensatoren der A-, B-, HB-, P-, K- und XB-Serien, SPSCAP verwendet meist ebenfalls Propylencarbonat, es gibt jedoch Serien, wo man wählen kann, beispielsweise SCV-P (Propylencarbonat) und SCV-A (Acetonitril).

Acetonitril hat die Formel C₂H₃N. Es leitet den Strom besser; die damit gefüllten Kondensatoren haben folglich einen etwas geringeren ESR. Dafür ist es leicht entzündlich, es wird bei -45 °C flüssig und siedet bereits bei +82 °C. Acetonitril ist umweltkritischer und kann zu Vergiftungen führen, da es sich im Brandfall und im menschlichen Körper unter anderem zu Cyanwasserstoff (Blausäure) zersetzt. Allerdings geht von Acetonitril in den geschlossenen Superkondensatoren mit ihrem begrenzten Inhalt normalerweise keine Gefahr aus. Früher bestehende Gefahrguttransporteinschränkungen in Bezug auf mit Acetonitril gefüllte Superkondensatoren sind daher mittlerweile entfallen; lediglich aufgrund der hohen Energiespeicherdichte bei Superkondensatoren ist ähnlich zu Lithiumbatterien unter Umständen mit Einschränkungen beziehungsweise Transportvorschriften zu rechnen.

Powerstor verwendet Acetonitril in den Kondensatoren der HV-, PHV- und XV-Serien. Die M- und PM-Serien benutzen eine Mischung aus 50 Prozent Propylencarbonat und 50 Prozent Acetonitril. Mit Acetonitril gefüllte Superkondensatoren sind schon bei -40 °C einsetzbar, jedoch ist nach oben bei +65 °C Schluss, weil der Siedepunkt näher rückt. Die zulässige Spannung liegt mit Acetonitril-Elektrolyt mit 2,7 statt 2,5 V mitunter etwas höher, was aber weniger durch den Elektrolyt bedingt ist als durch die Festlegung der oberen Betriebstemperatur: Ist diese auf 65 °C beschränkt, sind auch mit Propylencarbonat 2,7 V möglich. Welches der beiden Materialien in einer Applikation das Sinnvollere ist, ist also im Einzelfall zu entscheiden, meist ist Propylencarbonat die günstigere Lösung.

Superkondensatoren: Rund oder kantig?

Um ein vorgegebenes Volumen lückenlos auszunutzen, erscheinen quaderförmige Kondensatoren zunächst vorteilhafter zu sein. Nicht anders als bei Folienkondensatoren sind jedoch auch bei Superkondensatoren runde Wickel stabiler im Betrieb und preisgünstiger in der Herstellung. Bei Arrays ist zudem die Kühlung einfacher, während ohne Lücken aufeinandersitzende Quader-Kondensatoren schwer kühlbar sind. Obwohl es für Spezialanwendungen eckige Bauformen gibt, beispielsweise die SPP-Serie von SPSCAP, sind die runden Bauformen deshalb normalerweise die sinnvollere Wahl.