Als unabhängige, sofort verfügbare Energiequelle mit einer Energiedichte, die mehrere tausendmal Mal höher liegt, als sie konventionellen Kondensatoren erreichen; Doppelschichtkondensatoren kommen (EDLC) oft auf einen Wirkungsgrad über 95 Prozent. Während ihrer Lebensdauer von bis zu zehn Jahren weisen sie Zyklenfestigkeit mit der Möglichkeit zur millionenfachen Ladung und Entladung auf. Sie sind unempfindlich gegen Überladung und Tiefenentladung. Positiv ist ihre Fähigkeit, innerhalb weniger Sekunden Energie mit hoher Leistung speichern und abgeben zu können. Sie arbeiten in einem Temperaturbereich von -40 bis +85 °C, sind robust und damit praktisch wartungsfrei. Je nach Hersteller sind sie unter Namen wie Ultrakondensatoren, Superkondensatoren oder Green-Cap bekannt.
Leicht aber stark
Die EDLCs basieren auf dem Helmholtzprinzip, wobei die Elektroden mit Aktivkohle eine wirksame Oberfläche bis 3000 m2/g bilden. Die elektrische Energie ist im elektrischen Feld gesammelt; so erreicht ein einzelner Kondensator typische C-Werte bis 3000 Farad bei einer Nennspannung von 2,7 V. Mit einem ESR (Equivalent Series Resistance, innerer Verlustwiderstand) im Bereich von 0,25 mOhm liefern sie Effizienz und halten Peakströmen von mehreren 1000 A stand. Mit einem Durchmesser von 60 mm, einer Länge von 140 mm und zirka 500 Gramm Gewicht sind sie verglichen mit Akkus, die eine ähnliche Leistung aufweisen, kleine Fliegengewichte.
Auf einen Bilck
Doppelschichtkondensatoren (EDCLs) haben eine hohen Wirkungsgrad, ein langes Leben und sind zyklenfest. Sie können schnell und oft Energie speichern und wieder bereitstellen. Mit diesen Eigenschaften erfüllen sie die Anforderungen, die die Bahn an Energiespeicher stellt.
Die in der Praxis meist höheren Spannungen lassen sich durch Kaskadierung in Reihenschaltung erzielen. Für einfache Plug-and-play-Handhabung haben einige Hersteller fertig konfektionierte Module; sie ersparen dem Entwickler eigene Lösungen für Balancing, Spannungs- und Temperatur-Überwachung sowie Kühlung, da sich dies auf Wunsch bereits in die Module integrieren lässt.
Dreamteam: Ultrakondensator und Akku
Mit diesen Merkmalen ausgestattet, lassen sich Ultrakondensatoren für zyklische und hohe Peakleistungen wie sie insbesondere bei elektrischen Antrieben beim Beschleunigen und Bremsen auftreten, verwenden. Mit ihrer Fähigkeit, Energie schnell mit hoher Leistung speichern und abgeben zu können, ergänzen sie sich mit Akkumulatoren, die über eine zehnfach höhere Energiedichte verfügen.
Während der Fahrt liefert der Akkumulator oder bei Hybridmodellen der Verbrennungsmotor eine gleichmäßige durchschnittliche Energiemenge. Die Leistungsspitzen beim Beschleunigen und beim Bremsen fangen die Kondensatoren auf. So erreichen sie hohe Rekuperationsgrade und verbessern die Effizienz. Hinzu kommt: Auf die Akkumulatoren entfallen weniger Ladezyklen beziehungsweise weniger und kleinere Stromspitzen, sodass sie eine längere Lebensdauer erreichen.
Low-Power-Bahnen und Dieselstarter
Auf die Ultrakondensatoren setzt zum Beispiel Bombardier mit seinem Energiespeicher-System Mitrac-Energy-Saver. Mit einigen hundert Speicherzellen sammelt es die Energie, die beim Bremsen frei wird, und gibt sie bei der Beschleunigung oder dem normalen Betrieb wieder ab. Das System kann so die Leistung eines Fahrzeugs vervielfachen. Seit 2010 ist der Mitrac-Energy-Saver in 19 Straßenbahnen vom Typ Variobahn der Rhein-Neckar-Verkehr GmbH im Einsatz. Die Züge verbrauchen bis 30 Prozent weniger Energie, dadurch spart der Verkehrsbetrieb pro Zug jährlich 93.000 kWh Strom. Trotzdem müssen die Fahrgäste weder auf Klimaanlage noch auf Monitore für Fahrgast-Informationen verzichten. Ein weiterer Vorteil: Streckenabschnitte von bis zu 500 Metern lassen sich ohne Oberleitungen mit der gespeicherten Energie überbrücken.
Bei Dieselstartersystemen liegt die größte Herausforderung darin, die erforderlichen Spitzenstöme auch bei niedrigen Temperaturen, selbst im Minusbereich, bereitstellen zu können. Dafür sind Batteriekaskaden notwendig, die hinsichtlich der gespeicherten Energie überdimensioniert sind; sie sind demzufolge entsprechend schwer und groß. Hier sind die Ultrakondensatoren mit ihrer hohen Peakperformance eine gute Alternative.
Nicht nur auf der Schiene
Nach demselben Prinzip kommen die Ultrakondensatoren auch in vielen anderen Transportation-Anwendungen zum Einsatz beispielsweise in Hybrid-Bussen, Gabelstaplern, fahrerlosen Transportsystemen, Kränen, Gepäck- und Personenbeförderungswägen. Rutronik leistet gemeinsam mit Herstellern wie Nesscap und Maxwell
umfassenden Support zur Projekt-Umsetzung.
Update
In einer älteren Fassung des Artikels wurde der C-Wert falsch erklärt. C steht bei Kondensatoren natürlich nicht für die spezifische Wärmekapazität wie versehentlich beschrieben, sondern für die elektrische Kapazität. Außerdem wurden Ultrakondensatoren in der Überschrift als Energiequelle bezeichnet; das sind sie nur aus Sicht des Verbrauchers. Im System stellen sie einen Energiespeicher dar, wie im Artikel auch beschrieben. Wir bitten diese Versehen zu entschuldigen.
Jürgen Geier
(rao)
