Ultrakondensatoren: Besonders robuste Energiespeicher

Ultrakondensatoren beginnen dort, wo normale Kondensatoren und Elkos aufhören: bei Kapazitäten, die sich an ein Farad annähern. Doch ihre Funktion ist etwas anders: Sie sind weniger als Filterelement geeignet, denn als Energiespeicher. Zudem erheben gerade die interessanteren Applikationen wie mobile Stromversorgungen und USV-Lösungen besondere Ansprüche. Diesen können Ultrakondensatoren hervorragend nachkommen.

Bild 1: Aufbau des Dielektrikums eines Ultrakondensators. Hy-Line Power Components

Bild 2: Kapazitätsverlauf eines älteren Ultrakondensator-Modells bei 65°C Umgebungstemperatur. Hy-Line Power Components

Kleinere Ultrakondensatoren von unter einem bis zu einigen zehn Farad sind gut geeignet, um flüchtige Speicher in Geräten bei Netzunterbrechungen für einige Tage bis Wochen abzusichern oder kleine Stromverbraucher wie Fahrrad-Rücklichter einige Minuten zu versorgen. Auch als Pufferkondensator für Batterien, Akkus und als Netzstabilisierung sowie anstelle von Batterien beziehungsweise Akkus in Taschenlampen sind Ultrakondensatoren gut geeignet, wenn sie geladen gehalten werden – beispielsweise in Kombination mit einem Handkurbelgenerator. Sie erreichen heute bereits fünf Prozent der Kapazität gleichgroßer Akkus bei weit höheren zulässigen Lade- und Entladeströmen und Lebensdauern.

Verlustarme Energiespeicher

Klassische Ultrakondensatoren speichern Energie wie jeder Kondensator elektrostatisch. Dabei gehen im Kondensator zwar elektrochemische Vorgänge vor sich mit Ionentrennung, doch ohne chemische Reaktionen wie in Akkumulatoren. Damit entfällt der Verschleiß durch die Lade- und Entladevorgänge. Die sogenannten Pseudokondensatoren – diese sind eine Kombination aus Akku/Batterie und Kondensator, nutzen chemische und physikalische Speichertechnologien.

Die meisten Interessenten wollen mit Ultrakondensatoren jedoch tatsächlich Akkus ergänzen oder ganz ersetzen. Dank des praktisch verschleißfreien und schnellen Ladens und Entladens sind sie hier wirklich in ihrem Element. Allerdings sind dafür größere und höhere Zellenkapazitäten im Bereich Hunderter bis Tausender Farad gefragt.

Maxwell, der Marktführer bei Ultrakondensatoren, bietet verschiedene Zellen von 1 bis 3400 F sowie komplette Module von 16 bis 160 V an.

„Isolierschicht“ extrem dünn

Die hohe Kapazität des Ultrakondensators entsteht dadurch, dass statt glatter oder angerauter Folien poröses Aktivkohlematerial etwa 2000 m² Elektrodenfläche pro Gramm erzeugt und die Dicke beziehungsweise genauer die Dünne des Dielektrikums durch die Ionentrennung bestimmt wird, welche eine beziehungsweise genauer zwei isolierende Schichten unter 10 Angstrom erzeugt – Ultrakondensatoren werden deshalb auch als Doppelschichtkondensatoren bezeichnet. Damit ergibt sich zwar eine maximale Betriebsspannung von nur wenigen Volt für einzelne Zellen, doch können Ultrakondensator-Array-Module über Serienschaltung von Zellen Hunderte von Volt Betriebsspannung bei immer noch zwei- bis dreistelligen Farad-Zahlen erreichen. Aus Sicherheitsgründen – ausreichende Isolation von Zellen und Steckverbindungen gegenüber Masse – erlaubt Maxwell eine Maximalspannung von 750 V.

Von der Konstruktion her sind Maxwell-Ultrakondensatoren symmetrisch aufgebaut. Prinzipiell sollte die Polarität der angelegten Spannung deshalb keine Rolle spielen. Allerdings wird bei der Fertigung eine Polarität beim erstmaligen Aufladen festgelegt und bei dieser sollte der Benutzer später auch bleiben. Wird ein Ultrakondensator später andersherum gepolt betrieben, so ist zwar kein Totalausfall mit Explosion zu befürchten wie bei einem Elektrolytkondensator, doch eine dauerhaft verringerte Lebensdauer und Performance.

Ultrakondensatoren sind relativ temperaturunabhängig, solange die zulässigen Grenzen insbesondere nach oben nicht überschritten werden. Ihre Kapazität bleibt von -40 bis 65 °C praktisch konstant, nur der Innenwiderstand steigt mit sinkenden Temperaturen, doch auch dies vergleichsweise mäßig. Batterien und Akkus werden in der Kälte dagegen meist völlig unbenutzbar.

Lebensdauereinflüsse sind das Thema der nächsten Seite

Bild 3: Klassische Rundzellen mit 2,7 V und bis zu 3000 F. Hy-Line Power Components

Der Arbeitstemperaturbereich von Maxwell-Ultrakondensatoren liegt zwischen -40 und 65 °C. Über 65 °C leiden ebenso wie bei Überspannung sehr schnell Lebensdauer und Kenndaten; eine Überschreitung dieser Temperatur sollte deshalb vermieden werden. Besonders kritisch sind gleichzeitig hohe Temperatur und Spannung – wird auf sehr lange Lebensdauer Wert gelegt, sollten diese Grenzwerte nicht längere Zeit ausgereizt werden.

Feuchtigkeit ist bei den großen, abgedichteten Zellen unkritisch, solange sich kein Wasser auf den Kondensatoren niederschlägt und Ableitströme verursacht. Die Ultrakondensatoren selbst reagieren nicht auf Feuchtigkeit, wenn sie originalverpackt oder eingebaut sind. Auch der Luftdruck ist unkritisch, was für die Nutzung in der Luftfahrt wichtig ist.

Im Gegensatz zu Batterien ist das Tiefentladen eines Ultrakondensators absolut unkritisch. Tatsächlich ist die Lebensdauer bei Lagerung im entladenen Zustand praktisch unbegrenzt und der Transport entladen und mit überbrückten Anschlüssen möglich, um die Gefahr einer Entladung durch Kurzschluss beim Transport oder hohe, gefährliche Berührspannungen bei Modulen auszuschließen. Bei Modulen ist die Überbrückung beim Transport vorgeschrieben. Wird die Überbrückung aufgehoben, kann sich nach einiger Zeit eine maximale Restspannung von etwa 0,2 V pro Zelle aufbauen.

Ursache von Leckströmen

Leckströme haben bei Ultrakondensatoren zum größten Teil kein mangelhaftes Dielektrikum zur Ursache. Vielmehr führt die riesige Oberfläche der Kohle-Elektroden zu einer für einen Kondensator ungewohnt hohen Zeitkonstante von etwa einer Sekunde für das Laden und Entladen – für einen Akkumulator wäre dies wiederum eine sehr geringe Zeitkonstante. Erst nach 72 Stunden ist der Kondensator effektiv ge- oder entladen.

Die letzten 0,5 Prozent der Oberfläche sind infolge des porösen Materials und der Geometrie besonders schwer erreichbar. Dies führt dazu, dass es dann immer noch Stunden bis Tage dauern kann, bis diese Teile geladen sind – und das macht sich elektrisch als vermeintliches „Leck“ bemerkbar. Umgekehrt sind diese 0,5 Prozent daran „schuld“, dass sich nach dem vollständigen Entladen eines Ultrakondensators nach einiger Zeit die bereits erwähnte Restspannung von bis zu 0,2 V pro Zelle aufbauen kann, wenn der Entladekreis entfernt wird. Im Gegensatz zu Akkumulatoren sind hier keine chemischen Prozesse im Spiel, sondern es machen sich Regionen bemerkbar, die zuvor gar nicht komplett entladen worden waren.

Langlebige Technologie

Ein Ultrakondensator fällt am Ende seiner Lebensdauer nicht schlagartig aus wie eine Glühlampe; er lässt nur in der Funktion nach wie eine LED und auch die Zeiträume, um die es hier geht, sind mit LEDs vergleichbar.

Das Ende der Lebensdauer wird üblicherweise definiert als der Zeitpunkt, an dem entweder die Kapazität um 20 Prozent gesunken oder der Serienwiderstand sich verdoppelt hat. Soll ein Ultrakondensator-Array besonders lange nutzbar bleiben, kann man es durch großzügigere Dimensionierung beispielsweise noch nutzen, wenn die Kapazität der Zellen um 30 Prozent abgesunken oder sich der Innenwiderstand verdreifacht hat. Allerdings entwickeln sich die Veränderungen exponenziell. Eine noch größere Überdimensionierung, um die Gebrauchsdauer weiter zu verlängern, ist deshalb meist nicht mehr sinnvoll.

Soll in einem Modul ein einzelner vorzeitig gealterter Kondensator ausgewechselt werden, so kann ein neuer Ultrakondensator die Balance aus dem Gleichgewicht bringen. Eventuell ist in solchen Fällen der Einbau eines vorgealterten Kondensators sinnvoll.

Maxwell-Ultrakondensatoren benutzen organische Elektrolyte, die eine höhere Betriebsspannung erlauben und bei tiefen Temperaturen nicht vorzeitig einfrieren. Bei Überspannung gasen die Elektrolyte, was jedoch wieder endet, wenn der unzulässige Betriebszustand verlassen wird. Danach ist im Extremfall die Kapazität vermindert, es entsteht jedoch kein Durchbruch wie bei anderen Kondensatorbauformen. Im Interesse von Betriebssicherheit, Lebensdauer und Kenndaten ist eine auch nur kurzfristige Überlastung dennoch zu vermeiden. Eine hohe zulässige Betriebsspannung erhöht jedoch den Energieinhalt signifikant, weil dieser sich nach der Formel 0,5 C * U² errechnet. 75 Prozent der Energie stecken in der Entladekurve von voller bis halber Betriebsspannung. Deshalb ist es andererseits sinnvoll, in Applikationen den zulässigen Spannungsbereich des Ultrakondensators auszunutzen.

Serien- und Parallelschaltung

Um höhere Betriebsspannungen zu erreichen, werden Ultrakondensatoren in Serie geschaltet. Dabei ist die Spannungsaufteilung zu beachten:

• Einerseits fällt durch Kapazitätstoleranzen am größeren Ultrakondensator die kleinere Spannung ab, während der kleinere eventuell überlastet wird. Ohne weitere Vorkehrungen reduziert das dessen Lebensdauer und Kapazität, womit die Überlastung weiter ansteigt und das Array schließlich deutlich an Performance verliert.
• Andererseits sind die statischen Leckströme von Ultrakondensatoren zwar gering, aber ebenso unterschiedlich. Auch hierdurch kann sich eine Schieflage der Spannungsaufteilung ergeben.

Mit passiven oder aktiven Balancierungs-Lösungen ist hier Abhilfe zu schaffen und die Spannungsaufteilung zu symmetrieren.

Passive Lösungen sind zu den Ultrakondensatoren parallelgeschaltete Widerstände, die deutlich geringer als die Leckwiderstände der Kondensatoren sein müssen. Diese Lösung ist preisgünstig und zuverlässig, erhöht aber die Leckströme. Aktive Lösungen schalten erst dann einen Bypass am Ultrakondensator vorbei, wenn dessen zulässige Betriebsspannung erreicht wird.

Ultrakondensator-Module von Maxwell enthalten bereits eine passend bemessene Symmetrierungs-Lösung, ebenso bietet der Hersteller geeignete montagefertige Baugruppen für Kunden an, die sich eigene Arrays zusammenbauen wollen.

Zu beachten sind weiterhin die für höhere Arrayspannungen relevanten Kriechstrecken, insbesondere bei Eigenkonstruktionen. Fertige Module von Maxwell halten die notwendigen Sicherheitsabstände ein.

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Bild 4: Ultrakondensator-Modul 48 V / 165 F.

Hy-Line Power Components

Weil dieser Markt so attraktiv ist, tummeln sich hier viele Anbieter mit teilweise gemischter Qualität. Ja sogar ein Selbstbau eines Superkondensators aus Haushaltsutensilien wird auf Youtube beschrieben (https://youtu.be/gTt_YBzJ_Dk) – allerdings mit extrem aggressivem Rohrreiniger (Natrium- oder Kaliumhydroxid beziehungsweise Kalilauge) als Elektrolyt, mit gerade mal 1,2 V maximaler Betriebsspannung, ohne Überdruckschutz und dann im Schlafzimmer oberhalb des Betts gelagert, um den Wecker zu versorgen. Ziemlich lustig, wenn es denn nicht schon fast makaber wäre. Doch auch die industriellen Ultrakondensatoren sind oft von tatsächlichen Applikationen überfordert und fallen bei den in Fahrzeugen unvermeidlichen Erschütterungen vorzeitig aus.

Qualitative Unterschiede bei Ultrakondensatoren sind oft durch die Kohle-Elektroden bedingt. Deren Fläche bestimmt die Kapazität, wo fast alle industriellen Hersteller in einem gegebenen Volumen inzwischen vergleichbare Werte erreichen. Doch gibt es unterschiedliche Herstellungsprozesse, welche sich auf die Stabilität auswirken. Nassprozesse, bei denen die Aktivkohle zunächst gelöst aufgesprüht wird und dann erst beim Trocknen ihre poröse Struktur entwickelt, führen teilweise zu instabileren Elektroden. In mobilen Anwendungen, insbesondere in der Nähe vibrierender Aggregate wie Motoren oder von der Fahrt durchgeschüttelten Montageorten im Fahrzeug, können diese schnell „zerbröseln“ und so versagen.

Der Trockenprozess von Maxwell ist hier vorteilhaft; zusätzlich ist das Grundgerüst besonders robust angelegt. Dies wird von Maxwell als Durablue-Technologie bezeichnet: Sie ist besonders robust sowohl gegen einzelne Stöße als auch kontinuierliche Schwingungen und Vibrationen.

Soweit der heute aktuelle Stand der Technik, der noch lange nicht das Ende der Entwicklung darstellt. Doch haben Ultrakondensatoren inzwischen technische Reife erreicht und sind so praxiserprobt, dass sie auch und gerade in anspruchsvollen, rauen Umgebungen zuverlässig eingesetzt werden können und damit Batterien und Akkus unterstützen oder ganz ablösen können.

Die geringere Kapazität gegenüber Batterien ist dabei oft gar kein Problem, weil der verfügbare Entladestrom für viele Applikationen bestimmend ist und nicht die entnehmbare Gesamtkapazität. So werden schnurlose Werkzeuge ja regelmäßig abgelegt und nicht stundenlang kontinuierlich in der Hand gehalten. In diesen Phasen können sie bereits wieder komplett aufgeladen werden, weil dies bei Ultrakondensatoren nicht Stunden, sondern Sekunden dauert. Zudem werden Ultrakondensatoren nicht durch hohe Entladeströme gestresst. So können sie sogar Anwendungen bedienen, in denen bislang noch an den aus Umweltgründen inzwischen unerwünschten NiCd-Akkus festgehalten wurde, weil NiMh- und Lithium-Akkus geringere Spitzenströme liefern.

Zellen und Kondensatorbatterien (Module)

Maxwell hat viele Bauformen kreiert, die sich in der Industrie durchsetzten und von anderen Herstellern ebenfalls übernommen wurden, von den klassischen zylindrischen Rundzellen der K2-Serie mit Schraubanschluss, bis zu 3400 F Kapazität und inzwischen bis zu 3 V Betriebsspannung bis zu zahllosen Modulbauformen mit 16, 48, 51, 56, 64, 75, 125 oder 160 V Nennspannung. Doch auch jede andere Nennspannung ist möglich.

Die Anwendungen sind oft dezentrale Spannungsversorgung mit starker Impulsbelastung. So finden Ultrakondensatoren Anwendung bei Starthilfen für Dieselmotoren, ob in Lkw, Baumaschinen oder Notstromaggregaten, aber auch direkt in Notstromversorgungen, die verzögerungsfrei bei Netzausfall übernehmen können und auch nach Jahrzehnten sicher ohne Batteriewechsel funktionieren. Dies ist selbst für vermeintlich einfache Applikationen wie die Beleuchtung von Notausgängen eminent wichtig – bislang werden solche Einrichtungen oft von zentralen Batterieanlagen im Keller des Gebäudes versorgt, die nach einigen Jahren im Notfall versagen, wenn sie nicht ständig kontrolliert und gegebenenfalls erneuert werden.

Beispiele von Applikationen

Andere Anwendungen sind Smart Grids sowie das Abfangen von Spitzenströmen und Energierückgewinnung in Aufzügen, Hybridfahrzeugen und sogar Straßenbahnen und Elektrobussen. Letztere können von einer Haltestelle zur nächsten fahren, um dort in der kurzen Haltezeit wieder vollständig aufgeladen zu werden. Auch bestimmte Produktionsanlagen sind auf besonders hohe Ausfallsicherheit bei der Stromversorgung angewiesen, beispielsweise Spritzguss- oder Abfüllanlagen, die bei ungeplanten Unterbrechungen nur schwierig und unter hohen Materialverlusten wieder hochzufahren sind.

In Containerhäfen und Lagern können Ultrakondensatoren Hafenkräne, Gabelstapler und andere Fahrzeuge versorgen. Hier sind sie Akkumulatoren weit überlegen, da die Ladezeiten nicht in Stunden, sondern Sekunden und Minuten gemessen werden und hohe Impulsströme bis zu Tausenden von Ampere verfügbar sind. Tatsächlich begrenzt nur die Erwärmung der Ultrakondensatoren eine mögliche repetitive Impulsbelastung – ein Kurzschluss kann für die angeschlossenen Geräte und die Verbindungskabel kritisch werden, doch nicht für die Kondensatoren selbst, ebenso wenig wie die Tiefentladung. Ein Brand wie bei Lithium-Akkus ist weder durch Hitze, Überlast noch mechanische Beschädigung zu befürchten.

Ebenso innovativ sind Einheiten, die Windräder bei Böen schnell aus dem Wind drehen können oder beim Öffnen und Schließen der Türen in Flugzeugen helfen: Die hierfür kurzfristig notwendigen hohen Ströme würden bei konventioneller Verdrahtung ohne Zwischenspeicher unnötig Gewicht und Kosten verursachen – mit Ultrakondensatoren wird die Energieversorgung wesentlich einfacher. Zudem kann die Tür so auch im Notfall ohne Bordnetz geöffnet werden. Im Automobil können sie ebenso Fensterheber, Türverriegelungen, Servolenkung, Gurtstraffer und andere elektromotorisch betriebenen Aggregate unterstützen. Schließlich sind Transporter im Kühlhaus kaum anders realisierbar, weil Akkus in dieser Umgebung nicht zufriedenstellend funktionieren.

(ah)