Wenn wir an die Speicherung von Energie denken, denken wir automatisch an Akkus. Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften benötigen Akkus eine gewisse Zeit zum Aufladen, was insbesondere bei Lithium-Polymer-Akkus der Fall ist. Daher sind Lithium-Ionen-Akkus mit ihrer hohen Leistungsdichte und des fehlenden Memory-Effekts besser für die E-Mobilität geeignet. Trotz dieser Eigenschaften sind Akkus jedoch nicht immer für einige Fahrzeuge wie z. B. Hybride geeignet. Hier können hochkapazitive Kondensatoren sinnvoll eingesetzt werden. Denn Kondensatoren haben die Fähigkeit, sich schnell aufzuladen und die Ladung – somit auch die Energie – schnell wieder abzugeben. Deshalb eignen sich Superkondensatoren bestens für Hybridfahrzeuge, deren Verbrenner u. U. Phasen eines hohen Leistungsüberschusses hat und ebenso Phasen eines hohen Energiebedarfes.
Was sind Superkondensatoren?
Superkondensatoren (oder Ultrakondensatoren) unterscheiden sich in zweierlei Hinsicht von herkömmlichen Kondensatoren: Sie haben eine größere Oberfläche der Elektroden sowie einen geringeren Abstand der Elektroden, was durch einen anderen Aufbau des Dielektrikums gegenüber herkömmlichen Kondensatoren erreicht wird.
Der Miniaturisierung halber werden die Elektroden eines Kondensators aufgewickelt. Zur elektrischen Trennung der Anode und der Kathode werden verschiedene Materialien verwendet, zum Beispiel eine Kunststofffolie oder ein keramisches Dielektrikum. Wenn der Kondensator geladen wird, wirkt ein elektrisches Feld auf die Atome des (nicht leitenden!) Dielektrikums. Deren Elektronenhüllen und Atomkerne werden leicht gegeneinander verschoben, sie werden “polarisiert” und Ladung (indirekt: Energie) wird bei einem gespanntem Gummi gespeichert.
In einem Superkondensator gibt es kein Dielektrikum im herkömmlichen Sinne. Stattdessen gibt es zwei Elektroden, die mit einem Elektrolyten getränkt und durch einen viel dünneren Separator (normalerweise Kunststoff oder Papier) getrennt sind. Wenn die äußeren Elektroden des Superkondensators aufgeladen werden, bildet sich die entgegengesetzte Ladung auf beiden Seiten des Separators. Dies wird als “elektrische Doppelschicht” bezeichnet, und aus diesem Grund werden Superkondensatoren auch als Doppelschichtkondensatoren bezeichnet. Durch die Kombination der folgenden Merkmale können Superkondensatoren eine wesentlich höhere Kapazität erreichen:
- Elektroden mit einer größeren und effektiveren Oberfläche
- Reduzierter Abstand zwischen den Elektroden
Akkus vs Superkondensatoren
Superkondensatoren haben auch Eigenschaften, die sowohl Akkus als auch herkömmlichen Kondensatoren gemeinsam sind. Der Hauptunterschied zwischen den beiden ist, dass Akkus eine höhere Dichte haben (mehr Energie pro Masse speichern), während Kondensatoren eine höhere Leistungsdichte haben (Energie schneller freisetzen und speichern).
Superkondensatoren haben die höchsten Kapazitätswerte pro Volumen und die größte Energiedichte aller Kondensatoren. Die Energiedichte eines Superkondensators ist in der Regel 10-mal größer als die eines herkömmlichen Akkus, was bedeutet, dass extrem schnelle Lade-/Entladezyklen möglich sind, die Ladeschaltung weniger komplex ist, die Zykluslebensdauer erheblich länger ist, der Betriebstemperaturbereich erweitert ist und kurzzeitige Spitzenlasten kein Problem sind.
Die Technologie nähert sich immer mehr den (positiven) Eigenschaften eines herkömmlich Akkus an und füllt die Lücke zwischen Standardkondensator und Akku. Das bedeutet, dass Superkondensatoren auch gut für den Parallelbetrieb mit Akkus geeignet sind, um die besten Eigenschaften von beiden zu nutzen.
Wenn Sie eine angemessene Energiemenge für einen relativ kurzen Zeitraum (von einigen Sekunden bis zu einigen Minuten) speichern müssen und Sie zu viel Energie haben, um sie in einem Kondensator zu speichern, und Sie keine Zeit haben, einen Akku zu laden, ist ein Superkondensator vielleicht genau das, was Sie brauchen.
Anwendungsbereiche und Perspektiven
Superkondensatoren werden in allgemeinen Geräten immer präsenter, da sich deren Kosten denen der Akkus annähern. Sie werden in Notstromversorgungen für Mobiltelefone bis hin zur Verlängerung der Batterielebensdauer für Geräte, die manchmal schnelle Stromstöße benötigen, wie z. B. die Zoomfunktion einer Digitalkamera, eingesetzt.
Sie werden auch immer häufiger in anspruchsvolleren Anwendungen für Leistungs- und Energieanforderungen verwendet, wie z. B.:
- Speicher-Backup in elektronischen Geräten zur Bewältigung einer geringen Leistungsaufnahme
- Anwendungen für Elektrofahrzeuge, die oft kurze, hohe Stromstärken benötigen
- Rückgewinnung der Bremsenergie bei Stadtbussen und Straßenbahnen
- Energie-Zwischenspeicherung bei Wind- und Solaranlagen, um die schwankende Primärleistung auszugleichen
Die Einsatzmöglichkeiten der Superkondensatoren gehen jedoch weit darüber hinaus. Sie werden zunehmend als echter Ersatz für Akkus als Teil des Green Energy Drive in Energy Harvesting und Elektrofahrzeugen gesehen.
SPSCAP ist einer der Vorreiter bei Hochleistungs-Modulen. Diese Technologie wird bereits in Hybridbussen, Plug-in-Hybridbussen, Dual-Source-Trolleybussen, Brennstoffzellenbussen, Schulbussen und anderen Nutzfahrzeugen eingesetzt. Die Ultrakondensator-Module können als effiziente, hochzuverlässige, sichere und intelligente Energiespeicher für Anfahren, Beschleunigen und Bremsenergierückgewinnung eingesetzt werden. Diese Prinzipien werden nun auch in Straßenbahnen und Zügen erprobt, um diese Umstellung weiter voranzutreiben.
Da sich das IoT weiter beschleunigt, werden außerdem Geräte, die Teil des Netzwerks sind, höchstwahrscheinlich auf irgendeine Form von Energy Harvesting für ihre kontinuierliche Nutzung und ihr Energiemanagement angewiesen sein. Es ist wahrscheinlich, dass Superkondensatoren mit ihrer kleinen Form, aber ihren leistungsstarken Speicherfähigkeiten, dabei eine wesentliche Rolle spielen werden. Die Entwicklung eines “flexiblen” Superkondensators (ohne Verlust von Eigenschaften) ist ebenfalls im Gange und verspricht endlose Anwendungen. Dies könnte für die Zukunft nicht nur des IoT, sondern auch von Wearables, tragbaren Konsumgütern und medizinischen Trackingsystemen und -geräten entscheidend sein.
Besondere Produkte
Eaton Hybrid-Superkondensatoren
Eine neue Generation von Energiespeicherkomponenten, die die Vorteile von Li-Ionen-Akkus mit der Langlebigkeit und Zuverlässigkeit symmetrischer Superkondensatoren verbindet.
Vishay 196 HVC Energiespeicher-Kondensatoren
Diese Serie wurde entwickelt, um Konstrukteuren eine Energiespeicherlösung zu bieten, die die Grenzen von Akkumulatoren und Superkondensatoren überwindet.
KEMET FT Superkondensatoren
Diese Serie ist für Embedded-Mikroprozessorsysteme mit Flash-Speicher geeignet.
SPSCAP Superkondensatoren-Module
Diese Module bieten höchste Leistung und über 1.000.000 Arbeitszyklen an der Spitze der grünen Revolution.
