Ultrakondensatoren für Energiespeichersysteme und Startmodule

In Sekundenbruchteilen abrufbare Energiereserven sind nicht nur in der Elektromobilität von Interesse, sondern auch zum Beispiel bei Stromausfällen bei Produktionsanlagen oder im Sicherheitsbereich. Aber auch der Bedarf am Ausgleich jener Energielücken, die zwangsläufig bei der Stromversorgung aus alternativen Quellen wie Windkraft und Solaranlagen entstehen, steigt stetig.

Ultrakondensatoren bieten daher auf vielen Gebieten große Vorteile, so zum Beispiel auch bei großen Dieselaggregaten im Transportwesen oder als flexibler Energiespeicher in der Luft- und Raumfahrt. Die Kombination aus höherer Energiedichte, kurzen Ladezeiten, mehr als einer Million Lade- und Entladezyklen sowie deutlich längerer Lebensdauer bringt seit Mitte des letzten Jahrzehnts ein Verkaufsplus bei Ultrakondensatoren von jährlich etwa 30 Prozent.

Ultracaps auf Graphen-Basis

Die Ultrakondensatoren von Skeleton erhalten durch den Einsatz von Graphen-Doppelschichten ihre hohen Energiedichten und Lebensdauern. Skeleton Technologies

Die Ultrakondensatoren und Energiespeichermodule von Skeleton Technologies basieren auf dem patentierten Einsatz von „Curved Graphene“. Dabei sind die 0,3 nm dicken, zweidimensionalen Schichten aus bienenwabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen in einer Doppelschicht angeordnet. Die Technologie sorgt für eine optimierte Verteilung der Moleküle auf der Oberfläche und ermöglicht einen verbesserten Ionenaustausch im Energiespeicher.

Mit einer Speicherkapazität von 4500 F liegt das Leistungspotenzial deutlich über den üblichen Standards. Außerdem zeichnen sich die Ultrakondensatoren durch eine hohe chemische Stabilität, eine lange Lebensdauer und einen geringen Innenwiderstand aus. Der Vorteil dabei besteht darin, dass der über die Erwärmung des Kondensators abgeleitete Anteil der Energie gering ist. Dadurch lassen sich notwendige Kühlsysteme verkleinern oder es kann ganz auf eine Kühlung verzichtet werden.

Standards dringend gesucht

Batterien und Ultrakondensatoren unterscheiden sich so grundlegend, dass es nur einen sehr kleinen Bereich gibt, in dem die beiden Stromspeicher die für einen Vergleich notwendigen, identischen Parameter aufweisen. So ist für Batterien, die zum Starten, für das Licht oder die Zündung in Fahrzeugen zum Einsatz kommen, die Kaltstartleistung (Cold Cranking Amps, CCA) eine Standardgröße. Dabei ist CCA eine Maßeinheit für die Eignung der Batterie, einen Motor bei kalten Temperaturen zu starten. Sie ist als der Strom festgelegt, den eine vollgeladene 12-V-Batterie bei -18 °C für 30 Sekunden liefern kann und dabei eine Spannung von 7,2 V oder darüber einhält.

Ein wesentlicher Grund für den Einsatz von Ultrakondensatoren für den Startvorgang von Maschinen ist dabei, dass sie in der Lage sind, den Motor innerhalb der ersten zwei Sekunden anstatt der sonst nötigen 30 Sekunden zum Laufen zu bringen. Daher ist es offensichtlich, dass für Engine-Start-Module (ESM) auf Basis von Ultrakondensatoren andere Standards notwendig sind, um die Startleistung festzulegen. Die internationale Kilofarad-Vereinigung KFI schlägt dabei folgende Standards vor: Rated Voltage (RV) – die Spannung des gesamten ESM, Peak Power (PP) – die maximale, sofortige Energieabgabe die das ESM bei -18 °C aufbringen kann und Cranking Power (CP) in Kombination mit Cold Cranking Power (CCP) – die Maßeinheiten für die durchschnittliche Kraft, die ein ESM während der ersten 1,5 Sekunden bei 0 °C oder -18 °C liefern kann.

Auf der nächsten Seite stellt der Beitrag das Startmodul Skelstart ESM 2.0 und seine Leistungsmerkmale im Detail vor.

Skelstart ESM 2.0

Jeder Kaltstart, besonders bei schweren Aggregaten, bringt die Batterie schnell an ihre Grenzen der Leistungsfähigkeit und kann, bei mehreren Startversuchen, sogar deren Lebensdauer verkürzen.  Das 2017 vorgestellte Skelstart ESM 2.0 eignet sich als eine leistungsstarke, alternative Starthilfe für die Schwerindustrie und vor allem für den Güterverkehr zu Lande, auf der Schiene und zu Wasser. Dabei sind bis zu zehn Skelcap-Ultrakondensatoren in einem feuerfesten Standard-Batteriegehäuse in Reihe geschaltet.

Die 12-V-Versionen bieten eine Leistungsspitze von 65,3 kW, die 24-V-Module bringen es auf 109,6 kW Spitzenleistung. Dabei liefern die 24-Versionen eine Stromstärke von bis zu 1218 A. Selbst unter extremsten Bedingungen wie bei Temperaturen bis -40 °C ist Skelstart in der Lage, große Aggregate zum Leben zu erwecken. Ausfallzeiten, Inspektionsintervalle und die Kosten für Wartung und Austausch der Batterien verringern sich damit erheblich. Zusätzlich lassen sich die Skelstart-Ultrakondensatoren innerhalb weniger Sekunden aufladen und ermöglichen es, einen Motorstart auch bei vollständig entladener Batterie durchzuführen.

Skelstart ESM 2.0 lässt sich entweder als externes, mobiles Modul oder zusätzlich zur Batterie installieren. Das ESM muss dabei mit einer Batterie zusammengeschlossen werden, da die Batterie verhindert, dass das ESM durch Kriechströme langsam entladen wird. Kommt das ESM jedoch für einen längeren Zeitraum nicht zum Einsatz, reduziert sich der Ladezustand und die Ultrakondensatoren müssen nachgeladen werden, bevor das Modul wieder betriebsbereit ist. Dies lässt sich allerding durch den Zusammenschluss mit einer Batterie (bei 12 V) oder zwei Batterien (bei 24 V) verhindern (siehe Bild). Damit wird das ESM geladen, solange eine Spannung von mehr als 9 V anliegt.

(na)