Mobile Stromspeicher für Verkehrsanwendungen zu konstruieren, ist eine Herausforderung. Der Anlasser von Verbrennungsmotoren wird seit jeher aus Batterien gespeist. Obwohl nur herkömmliche Blei-Säure-Batterien zur Verfügung standen, haben neuere Innovationen, die verschiedene chemische Kombinationen und Konstruktionsmethoden umfassen, die Leistungsdichte erheblich verbessert und ihr Gewicht reduziert.
Moderne Straßenbahnen und S-Bahn-Züge haben die Anforderungen an die Stromversorgung erhöht, etwa aufgrund der zunehmenden Vielfalt der bordeigenen Informations- und Wi-Fi-Konnektivitätssysteme.. Da viele Schienenfahrzeuge auf einen vollelektrischen Antrieb umgestellt werden, erhöht sich der Bedarf weiter. Auch die Betriebsumgebung stellt viele Herausforderungen dar, z. B. das Starten von Motoren bei niedrigen Temperaturen, was schwächelnden Batterien einiges abverlangt.
Dieser Artikel beleuchtet die zukünftige Rolle, die Ultrakondensatoren als brauchbare und ergänzende Energiespeicher in Fahrzeugen haben können.
Vielfalt der Nahverkehrsmittel
Ganz abgesehen von der Frage des Energieverbrauchs für die Fahrt von A nach B rücken auch Lärm und überlastete Straßen in den Fokus. Landauf, landab investieren die Länder und Kommunen deshalb massiv in neue Stadtbahn-, Bus- und S-Bahn-Netze.
Die meisten großen Ballungsräume haben entweder neue öffentliche Verkehrssysteme eingeführt oder geplant, die zur Entlastung der Städte und zur Verringerung der Umweltverschmutzung beitragen.
Die Entwicklung energieeffizienter, attraktiver und sparsamer Fahrzeuge für den öffentlichen Nahverkehr erfordert ein ausgewogenes Verhältnis von Gesamtgewicht und Nutzlast der Antriebs- und Energiespeicherkomponenten.
Herausforderungen bei der Stromversorgung
Batterien sind ideale Energiespeicher, wo es keine Oberleitung gibt. Für moderne, anspruchsvolle Transportanwendungen erfüllen sie jedoch nicht immer alle Anforderungen. Auch die Reserven für Spitzenlasten mit einhergehendem Spannungsabfall erfordert eine höhere Anzahl Batterien, somit mehr Gewicht und eine längere Ladezeit. Batterieblöcke sind sperrig und benötigen viel Zeit zum Aufladen, was die Betriebsbereitschaft beeinträchtigt. Außerdem sind Batterien temperaturempfindlich, insbesondere bei extrem niedrigen Temperaturen sinkt die Kapazität enorm.
Einige Batterietechnologien entladen sich aufgrund ihres äquivalenten Serienwiderstandes (ESR) auch an Ort und Stelle langsam. Je höher der ESR, desto geringer die maximale Stromstärke. Die Verluste steigen dann ebenfalls, was zur Überhitzung der Batterie führen kann.
Ein weiterer Aspekt der Batterien ist ihr Lebenszyklus. Eine regelmäßige Kontrolle und Wartung leistungsstarker Batterien ist zwingend. Sie haben in der Regel eine begrenzte Lebensdauer, nach der ihre Fähigkeit, eine volle Ladung zu speichern und eine volle Ladung zu liefern, erheblich abnimmt.
Eine weitere Überlegung beim Einsatz von Batterien ist die vermindere Leistungsfähigkeit bei Kälte. Mit abnehmenden Temperaturen gehen Kapazitätsverluste einher. Extreme Kälte vertragen etliche Bauarten überhaupt nicht.
Die Reichweite eines elektrisch betriebenen Busses wird im Wesentlichen von der Batteriekapazität bestimmt. Diese Reichweite kann durch Rekuperation erhöht werden, indem der Motor beim Bremsen als Generator geschaltet wird und die Bremsenergie in die Batterien eingespeist wird. Beim Bremsen eines schweren Fahrzeugs fällt über kurze Zeit eine hohe Leistung an. Um die hohe Leistung voll ausschöpfen zu können, ist ein Verfahren zur Hochstrom-Ladung erforderlich.
Abbildung 1 zeigt die Leistungsmerkmale von Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu einem Ultrakondensator.
Jüngste Innovationen in der Kondensatortechnologie haben zur Entwicklung kompakter Kondensatoren mit extrem hoher Kapazität geführt, die als Superkondensatoren und Ultrakondensatoren bezeichnet werden. Diese Kondensatoren zeichnen sich durch ein hervorragendes Energie-Gewichts-Verhältnis aus – siehe Abbildung 1 – und entwickeln sich zu einer neuen Option zur Speicherung elektrischer Energie in Kraftfahrzeugen. Mit ihrer hohen Leistungsdichte, der schnellen Aufladung und den hohen Entladeströmen erfüllen Ultrakondensatoren die Anforderungen an den Motorstart, die Spitzenlastfähigkeit und die regenerative Energiespeicherung.
Eignung der Ultrakondensatoren für Fahrzeuge
Superkondensatoren und Ultrakondensatoren sind Hochleistungskondensatoren mit Kapazitätswerten im Bereich von einigen zehn bis hundert Farad. Der Kapazitätsbereich eines Ultrakondensators reicht in der Regel weiter in den Bereich von Tausenden von Farad. Die Lade- und Entladekurve entspricht ungefähr der eines herkömmlichen Elektrolytkondensators. Aufgrund ihres geringen Innenwiderstands und der hohen Kapazität haben die Supercaps gleichwohl die vorteilhaften Eigenschaften einer wiederaufladbaren Batterie. Wegen der Verquickung der Vorteile beider Bauteilkategorien sind Ultrakondensatoren gerade dabei, herkömmliche Akkus in bestimmten Anwendungsfällen zu ersetzen.
Die Ultrakondensatoren des Spezialanbieters Supreme Power Solutions (SPSCAP) verwenden eine Aktivkohlebeschichtung und einen organischen Elektrolyten.
Dieser Ansatz führt zu einem Kondensator mit hoher Kapazität, niedrigem Innenwiderstand, geringem Leckstrom und hoher Zuverlässigkeit. Die große Oberfläche der porösen Aktivkohleelektrode und die Ladungstrennung durch eine dünne Elektrolyt-Schicht bilden einen Doppelschichtkondensator.
Superkondensatoren können beispielsweise in folgenden Applikationen eingesetzt werden:
- Rekuperation: Bremsenergie-Rückeinspeisung bei U-Bahnen und Straßenbahnen.
- In Kombination mit Akkus zur Anfahrhilfe.
- Starten des Dieselmotors anstatt des Druckluft-Starters.
- Lastausgleich bei hoher Beschleunigung.
Beim Starten von Kfz-Motoren, insbesondere von Dieselmotoren, können Supercaps die erforderliche Spitzenlast abfedern. Das ist bei tiefen Temperaturen hilfreich und verlängert die Batterie-Lebensdauer.
Beispiele für Ultrakondensatoren von SPSCAP sind die SCE- und SCP-Serien von mit niedrigem ESR und langer Lebensdauer.
Die SCE-Serie – Abb. 2 – mit Kapazitäten von 100 F bis 800 F kann wahlweise mit Löt- oder Gewindeanschlüssen für stehende Montage bezogen werden. Die kompakten Kondensatoren können in Serien- und Parallelschaltung zu Notstromversorgungen kombiniert werden, die sofort Strom liefern.
Beispiel: SCE0360C0, 360 F, 2.7 V, Ultracapacitor mit 35 mm x 62 mm Formfaktor und einem ESR von max. 3.2 mOhm.
Ein Beispiel für die SCP-Serie – siehe Abb. 3 – ist der SCP2000C0, ein 2000 F, 2,7 V Ultrakondensator. Mit Lötanschlüssen an beiden Enden und einer Lebensdauer von über 1.000.000 eignet er sich für Rekuperation, Diesellok-Start und Hybridantriebsstränge. Der SCP2000 misst 60.8 mm x 108.4 mm und wiegt 402 g. Der zulässige Betriebstemperaturbereich ist -40 °C bis + 65 °C. Der maximale Spitzenstrom beträgt über 2000 A, und die maximale Dauerstromfähigkeit bei ∆40 °C (Temperaturanstieg 40°C) beträgt 208 A.
Ganz neu im Sortiment der SPSCAP-Ultrakondensatoren sind die CDCL- und CDCM Ultrakondensatoren. Die neue Serie mit 2,85 VDC Nennspannung und kompakten Abmessungen ist zum Laser-Löten geeignet. Die CDCL Familie umfasst fünf Ultrakondensatoren mit einer Kapazität von 650 F, 1200 F, 1500 F und 3000 F.
Für gängige Anwendungen, wie z. B. das Anlassen von Kfz-Motoren bei niedrigen Temperaturen, ist ein fertig montiertes Ultrakondensator-Modul schnell und einfach implementierbar. Beispiel: MDLC0300C0,ist ein 300F 24 V Modul im robusten IP65-Batteriegehäuse. Diese Einheit ist für Betriebstemperaturen bis -40 Grad Celsius geeignet und hat eine Spitzenleistung von 45 kW.
Ultrakondensatoren: kompakte Stromspeicher mit hoher Dichte für den Verkehr
Da die Zukunft unseres Mobilitäts- und Verkehrssystems immer vielfältiger wird, war der Bedarf an langlebigen, schnell aufladbaren Speichern mit hoher Energiedichte noch nie so groß wie heute.
Ultrakondensatoren sind mittlerweile erprobt als mobile Strom- und Energiespeicher für die Antriebssteuerung, die Energierückgewinnung und den Motorstart. Supercaps können Batterien bei Spitzenlasten unterstützen, zum Lastausgleich beitragen oder gar als alleinige Stromquelle für Bordsysteme genutzt werden.
