{"id":11841,"date":"2022-02-02T09:49:43","date_gmt":"2022-02-02T09:49:43","guid":{"rendered":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/?p=11841"},"modified":"2022-02-02T09:49:45","modified_gmt":"2022-02-02T09:49:45","slug":"ultrakondensatoren-als-flexible-strom-speichermedien-fuer-anspruchsvolle-transportanwendungen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/de\/transportwesen\/ultrakondensatoren-als-flexible-strom-speichermedien-fuer-anspruchsvolle-transportanwendungen\/","title":{"rendered":"Ultrakondensatoren als flexible Strom-Speichermedien f\u00fcr anspruchsvolle Transportanwendungen"},"content":{"rendered":"\n

Mobile Stromspeicher f\u00fcr Verkehrsanwendungen zu konstruieren, ist eine Herausforderung. Der Anlasser von Verbrennungsmotoren wird seit jeher aus Batterien gespeist. Obwohl nur herk\u00f6mmliche Blei-S\u00e4ure-Batterien zur Verf\u00fcgung standen, haben neuere Innovationen, die verschiedene chemische Kombinationen und Konstruktionsmethoden umfassen, die Leistungsdichte erheblich verbessert und ihr Gewicht reduziert. <\/p>\n\n\n\n

Moderne Stra\u00dfenbahnen und S-Bahn-Z\u00fcge haben die Anforderungen an die Stromversorgung erh\u00f6ht, etwa aufgrund der zunehmenden Vielfalt der bordeigenen Informations- und Wi-Fi-Konnektivit\u00e4tssysteme.. Da viele Schienenfahrzeuge auf einen vollelektrischen Antrieb umgestellt werden, erh\u00f6ht sich der Bedarf weiter. Auch die Betriebsumgebung stellt viele Herausforderungen dar, z. B. das Starten von Motoren bei niedrigen Temperaturen, was schw\u00e4chelnden Batterien einiges abverlangt.<\/p>\n\n\n\n

Dieser Artikel beleuchtet die zuk\u00fcnftige Rolle, die Ultrakondensatoren als brauchbare und erg\u00e4nzende Energiespeicher in Fahrzeugen haben k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Vielfalt der Nahverkehrsmittel<\/h2>\n\n\n\n

Ganz abgesehen von der Frage des Energieverbrauchs f\u00fcr die Fahrt von A nach B r\u00fccken auch L\u00e4rm und \u00fcberlastete Stra\u00dfen in den Fokus. Landauf, landab investieren die L\u00e4nder und Kommunen deshalb massiv in neue Stadtbahn-, Bus- und S-Bahn-Netze.<\/p>\n\n\n\n

Die meisten gro\u00dfen Ballungsr\u00e4ume haben entweder neue \u00f6ffentliche Verkehrssysteme eingef\u00fchrt oder geplant, die zur Entlastung der St\u00e4dte und zur Verringerung der Umweltverschmutzung beitragen.<\/p>\n\n\n\n

Die Entwicklung energieeffizienter, attraktiver und sparsamer Fahrzeuge f\u00fcr den \u00f6ffentlichen Nahverkehr erfordert ein ausgewogenes Verh\u00e4ltnis von Gesamtgewicht und Nutzlast der Antriebs- und Energiespeicherkomponenten.<\/p>\n\n\n\n

Herausforderungen bei der Stromversorgung<\/h2>\n\n\n\n

Batterien sind ideale Energiespeicher, wo es keine Oberleitung gibt. F\u00fcr moderne, anspruchsvolle Transportanwendungen erf\u00fcllen sie jedoch nicht immer alle Anforderungen. Auch die Reserven f\u00fcr Spitzenlasten mit einhergehendem Spannungsabfall erfordert eine h\u00f6here Anzahl Batterien, somit mehr Gewicht und eine l\u00e4ngere Ladezeit. Batteriebl\u00f6cke sind sperrig und ben\u00f6tigen viel Zeit zum Aufladen, was die Betriebsbereitschaft beeintr\u00e4chtigt. Au\u00dferdem sind Batterien temperaturempfindlich, insbesondere bei extrem niedrigen Temperaturen sinkt die Kapazit\u00e4t enorm.<\/p>\n\n\n\n

Einige Batterietechnologien entladen sich aufgrund ihres \u00e4quivalenten Serienwiderstandes (ESR) auch an Ort und Stelle langsam. Je h\u00f6her der ESR, desto geringer die maximale Stromst\u00e4rke. Die Verluste steigen dann ebenfalls, was zur \u00dcberhitzung der Batterie f\u00fchren kann.<\/p>\n\n\n\n

Ein weiterer Aspekt der Batterien ist ihr Lebenszyklus. Eine regelm\u00e4\u00dfige Kontrolle und Wartung leistungsstarker Batterien ist zwingend. Sie haben in der Regel eine begrenzte Lebensdauer, nach der ihre F\u00e4higkeit, eine volle Ladung zu speichern und eine volle Ladung zu liefern, erheblich abnimmt.<\/p>\n\n\n\n

Eine weitere \u00dcberlegung beim Einsatz von Batterien ist die vermindere Leistungsf\u00e4higkeit bei K\u00e4lte. Mit abnehmenden Temperaturen gehen Kapazit\u00e4tsverluste einher. Extreme K\u00e4lte vertragen etliche Bauarten \u00fcberhaupt nicht.<\/p>\n\n\n\n

Die Reichweite eines elektrisch betriebenen Busses wird im Wesentlichen von der Batteriekapazit\u00e4t bestimmt. Diese Reichweite kann durch Rekuperation erh\u00f6ht werden, indem der Motor beim Bremsen als Generator geschaltet wird und die Bremsenergie in die Batterien eingespeist wird. Beim Bremsen eines schweren Fahrzeugs f\u00e4llt \u00fcber kurze Zeit eine hohe Leistung an. Um die hohe Leistung voll aussch\u00f6pfen zu k\u00f6nnen, ist ein Verfahren zur Hochstrom-Ladung erforderlich. <\/p>\n\n\n\n

Abbildung 1 zeigt die Leistungsmerkmale von Blei-S\u00e4ure- und Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu einem Ultrakondensator.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 1 – Vergleich zweier g\u00e4ngiger Batterietechnologien f\u00fcr den Transportbereich und eines Ultrakondensators (Quelle: Supreme Power Solutions)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

J\u00fcngste Innovationen in der Kondensatortechnologie haben zur Entwicklung kompakter Kondensatoren mit extrem hoher Kapazit\u00e4t gef\u00fchrt, die als Superkondensatoren und Ultrakondensatoren bezeichnet werden. Diese Kondensatoren zeichnen sich durch ein hervorragendes Energie-Gewichts-Verh\u00e4ltnis 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 Entladestr\u00f6men erf\u00fcllen Ultrakondensatoren die Anforderungen an den Motorstart, die Spitzenlastf\u00e4higkeit und die regenerative Energiespeicherung.<\/p>\n\n\n\n

Eignung der Ultrakondensatoren f\u00fcr Fahrzeuge<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Superkondensatoren und Ultrakondensatoren sind Hochleistungskondensatoren mit Kapazit\u00e4tswerten im Bereich von einigen zehn bis hundert Farad. Der Kapazit\u00e4tsbereich eines Ultrakondensators reicht in der Regel weiter in den Bereich von Tausenden von Farad. Die Lade- und Entladekurve entspricht ungef\u00e4hr der eines herk\u00f6mmlichen Elektrolytkondensators. Aufgrund ihres geringen Innenwiderstands und der hohen Kapazit\u00e4t haben die Supercaps gleichwohl die vorteilhaften Eigenschaften einer wiederaufladbaren Batterie. Wegen der Verquickung der Vorteile beider Bauteilkategorien sind Ultrakondensatoren gerade dabei, herk\u00f6mmliche Akkus in bestimmten Anwendungsf\u00e4llen zu ersetzen.<\/p>\n\n\n\n

Die Ultrakondensatoren des Spezialanbieters Supreme Power Solutions (SPSCAP) verwenden eine Aktivkohlebeschichtung und einen organischen Elektrolyten.<\/p>\n\n\n\n

Dieser Ansatz f\u00fchrt zu einem Kondensator mit hoher Kapazit\u00e4t, niedrigem Innenwiderstand, geringem Leckstrom und hoher Zuverl\u00e4ssigkeit. Die gro\u00dfe Oberfl\u00e4che der por\u00f6sen Aktivkohleelektrode und die Ladungstrennung durch eine d\u00fcnne Elektrolyt-Schicht bilden einen Doppelschichtkondensator.<\/p>\n\n\n\n

Superkondensatoren k\u00f6nnen beispielsweise in folgenden Applikationen eingesetzt werden:<\/p>\n\n\n\n