Üblicherweise ist es die Aufgabe von Batterien, gepulste Ströme freizusetzen. Zu diesem Zweck müssen sie jedoch großvolumig und schwer dimensioniert werden. Das ist gerade in mobilen Anwendungen ein großer Nachteil. Überdies büßen Batterien in Außenanwendungen bei Temperaturen um den Gefrierpunkt stark an Leistung ein, was zu entsprechender Reserve bei der Dimensionierung zwingt.
Historie und Wirkprinzip von Doppelschichtkondensatoren
Die Einführung organischer Doppelschichtkondensatoren verbessert die elektrische Funktion durch deutlich höhere Ströme, die durch einen bis zu 100-mal kleineren Innenwiderstand ermöglicht werden. Außerdem sind die modernen Bauteile vergleichsweise klein und leicht. Aktuelle technische Ansätze, wie eine merkliche Energierückspeisung in Fahrzeugen, lassen sich damit jetzt realisieren.
Das grundlegende Funktionsprinzip der Doppelschichtkondensatoren wurde in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckt und beschrieben [1]. Später folgten detaillierte Beschreibungen der Übergangsschichten und Potenziale von der Elektrode in den Elektrolyten. Jedoch erst Mitte des 20. Jahrhunderts wurde im Patent (Becker US 2800616), an wissenschaftlich arbeitenden Instituten (Pinnacle Research Institute) und in Firmen (Standard Oil of Ohio, NEC) das Prinzip der Ladungsverschiebung in flüssigen Elektrolyten – ohne sie zu zersetzen – zur Darstellung von technischen Kondensatoren beschrieben und genutzt. Der Superkondensator etabliert sich heute mit deutlich höheren Energiedichten in der Leistungselektronik. Trotz der Begrenzung durch die vergleichsweise niedrige Zersetzungsspannung des Elektrolyten lassen sich durch Reihenschaltung (wie bei Akkumulatoren) mehrere Zellen zu riesigen Kapazitäten (Modulen) aufbauen. Die typische Anwendung ist die schnelle Bereitstellung von bis zu 1.000 A Gleichstrom. Der Doppelschichtkondensator ist somit ein Bindeglied zwischen Batterie und herkömmlichem Kondensator. Er vereinigt den Vorteil des Kondensators als schneller Stromlieferant mit dem der Batterie als Energiespeicher. Das physikalische Speicherprinzip begrenzt allerdings seine Energiedichte auf rund 5Wh/kg, etwa ein Zehntel des Batteriewertes. An Systemen mit 10 bis 60 Wh/kg wird jedoch bereits gearbeitet (USA: MIT, Japan: Nanogate).
Ihr Materialaufbau macht Doppelschichtkondensatoren überlegen
Der organische Doppelschichtkondensator ist wegen seines Materialaufbaus überlegen. Die riesige, für die Ladungsträger zugängliche innere Oberfläche der Elektroden (aktivierter Kohlenstoff) ermöglicht die hohe Kapazitätsausbeute (Abbildung 1). Man könnte mit der inneren Fläche des Superkondensators (Supercap) ein Fußballstadion auslegen. Des Weiteren sind die Ladungsträger zu beachten, die in der Doppelschicht gespeichert werden und aus dem dissoziierten Elektrolyten stammen. Sie sind zu geladenen Konglomeraten mit der Lösung zusammengeballt, unterliegen dem elektrischen Kraftfeld und bilden nach Ionenwanderung die wenige Nanometer dicke Übergangsschicht im Nahfeld der entsprechenden Elektrode.
Doppelschichtkondensatoren für Hochleistungsanwendungen sind mit optimiertem Elektrodenmaterial und zugeschnittenem Separator zurzeit im Kapazitätsbereich von etwa 50 bis 5.000F verfügbar. Die aus den verschiedenen Techniken, Gehäusegrößen und -formen resultierenden Energiedichten der Einzelzellen bewegen sich bei kommerziell erhältlichen Produkten zwischen 4 bis 6Wh/kg. Die Ströme, die diese Speicher liefern, können kurzzeitig mehrere 1.000A erreichen, was unter anderem durch das Produktdesign, beispielsweise einen durchgängig lasergeschweißten Strompfad, ermöglicht wird. Solche Kondensatoren werden zum Teil in quadratischer Form angeboten, was bei Zusammenschaltung mehrerer Zellen zu einer Verdopplung der gesamten Energiedichte führt. Zusätzlich erlaubt das quadratische Design eine effiziente Wärmeabgabe an kühlende Elemente, da es die großen Seitenflächen der Zellen gestatten, einen niedrigen Wärmeübergangswiderstand herzustellen. Im Anwendungsbereich der effizienten Wiedergewinnung der kinetischen Energie bremsender Fahrzeuge scheint, durch den ständigen Stromfluss bedingt, das thermische Management eine Schlüsselrolle für den Erfolg zu spielen. Traditionell sollen in solchen Anwendungen Lüfter als aktive und damit anfällige Komponenten vermieden werden. Demgegenüber ermöglichen zylindrisch aufgebaute Zellen vom fertigungstechnischen Standpunkt aus gesehen, eine effizientere Herstellung, da man sich hierbei an die ausgereiften Rundtechniken eingeführter Produktionstechniken, beispielsweise an die der Elektrolytkondensatorenfertigung, anlehnen kann. Zudem erlauben die Rundzellen konstruktiv eine verbesserte, weil symmetrische Ausgestaltung des Strompfades in die Zelle, was im Hochstrombereich wegen der Effekte der Stromverdrängung und der Induktivität des Pfades eine wesentliche Rolle spielt. Für die genannten anwendungsspezifischen Erfordernisse bietet das Unternehmen Wima Superkondensatoren in beiden Ausführungen an. Derzeit sind Kapazitäten von 100 bis 3.000 F im Aluminiumgehäuse erhältlich. In Studien wurden Kondensatoren bis über 5.000 F dargestellt und getestet [2]. Die physikalisch unvermeidliche Alterung der Zellen folgt der logarithmischen Abhängigkeit von der angelegten Spannung sowie von der vorherrschenden Temperatur (Arrhenius-Verhalten; Abbildung2). Jedoch haben laufende Studien gezeigt, dass sich die Produkte des Herstelelrs für langjährige wartungsfreie Anwendungen eignen. Verantwortlich hierfür ist der hermetisch dichte Aufbau im metallischen Gehäuse der Zelltypen für den Hochleistungsbereich. Sie sind dicht laserverschweißt und trotzen daher starken Außentemperaturschwankungen. Für nahezu alle Anwendungsfälle müssen wegen der Begrenzung durch die vergleichsweise niedrige Zersetzungsspannung des organischen Elektrolyts (im Allgemeinen 2,5 bis 2,7 V) durch Reihenschaltung mehrere Zellen zur gewünschten Kapazität aufgebaut werden.
Doppelschichtkondensatoren in Modulen aufbauen
Die prismatische Form ermöglicht eine große Packungsdichte im Aufbau von größeren Einheiten. Wo die natürliche Kühlung nicht ausreicht, etwa bei schnellen Pulsfolgen, kann eine dauerhafte Übertemperatur über das metallische Modulgehäuse abgegeben werden.
Die robusten Kunststoffgehäuse für die zylindrischen Gehäuseformen entsprechen durch ihre vollständige Abgeschlossenheit dem IP65-Standard. Beide sind entsprechend der industriellen Umgebung am Einsatzort vibrationsfest und stoßsicher (Abbildung 3). Generell müssen die Serienschaltungen symmetriert werden, da eventuell eine temperaturbedingt leicht unterschiedliche Alterung der Einzelzellen mit der Zeit unterschiedliche Kapazitäten und somit unterschiedliche Spannungsabfälle an der Zelle zur Folge haben kann. Die Symmetrierung wird werkseitig in das Modul eingebaut. Sie kann dort, wo man zusätzliche Verluste als Kettenstrom durch die Widerstände von der Anwendungsseite her tolerieren kann, passiv und kostengünstig durch einfache Widerstände geschehen. Es gibt auch eine aktive Variante, bei der man die einzelnen Zellen individuell mittels einer Referenzquelle auf Potenzial hält. Bei beginnender Überladung der Einzelzelle, was mittels einer Komparatorschaltung erkannt wird, wird über einen Bypass-Widerstand eine individuelle Entladung eingeleitet. Superkondensatoren kommen in verschiedenen Hochstromanwendungen zum Einsatz, zum Beispiel in Windkraftanlagen. In größeren Anlagen wird für jedes Rotorblatt eine Schlupfsteuerung (Pitch-Control) verwendet. Sie ändert den Anstellwinkel und beeinflusst so die Rotationsgeschwindigkeit. Bei starkem Wind können die Rotorblätter in den Wind gedreht werden, um den Vortrieb vollständig wegzunehmen. Die Pitch-Antriebe sind netzunabhängig ausgelegt. Nicht hydraulisch arbeitende Pitch-Systeme nutzen die in Doppelschichtkondensatoren gespeicherte elektrische Energie. Die Anforderungen an die Speicher sind hoch. Im Winter herrschen in der Gondel oft Temperaturen um –40 °C, im Sommer werden bei Betrieb schnell über 60 °C erreicht. Bei einem mittleren Anlagentyp werden je Rotor cica 70 bis 150 kJ gespeicherte Energie im Kondensatorenmodul vorgehalten. Bei sorgfältiger Dimensionierung müssen mit dieser Lösung die elektrischen Speicher mindestens zehn Jahre nicht gewartet werden.
Sehr große Motoren in Bahnen, Schiffen oder Lkws starten
Der Start von V16- oder V24-Zylindermotoren (6.000 kW) erfordert deutlich höhere Ströme. 1.500 A, die von Kondensatoreinheiten mit 450 bis 600 F bei 28 V bereitgestellt werden können, sind hier durchaus üblich. Oft wird die Kurbelwelle durch zwei Anlasser von beiden Seiten gedreht, um eine Torsion der großen Masse zu verhindern. Die Energieversorgung zum Start eines Amphibienfahrzeugs sieht sogar einen Anlassstrom von circa 3.000A vor. Mit einem Gesamtinnenwiderstand von unter 3 mΩpunktet hier die Kondensatorlösung. Hier zeigt der Einsatz von Doppelschichtkondensatoren zudem einen großen Gewichtsvorteil gegenüber einer herkömmlichen Starterbatterie, die wegen der Vibrationen hier besonders massiv konstruiert werden muss. Das Kondensatormodul wiegt nur ein Zehntel der herkömmlichen Batterielösung.
Da Brennstoffe knapp werden, wird eine möglichst hohe Rückspeisung der Bremsenergie auf das Bordsystem derzeit bei fast allen Großfahrzeugherstellern überdacht. Die Rückspeisung im elektrifizierten Bahnbetrieb ist schon lange Wirklichkeit. Für nicht netzgebundene Fahrzeuge ist die Energierückspeisung auf die Bordbatterie lediglich im niederprozentigen Bereich gelungen, beispielsweise in der Kfz-Technik. Ursache ist die Ladestrombegrenzung von Batterien, wobei die rückzuspeisende Energie im Millisekundenbereich mit sehr hohen Strömen anfällt. Im nicht elektrifizierten Bahnbereich ist die Rückspeisung noch Zukunftsmusik, jedoch in Hybridbussen, hauptsächlich in Teilen des öffentlichen Nahverkehrs Kaliforniens, wird bereits ein Großteil der Bewegungsenergie wiedergewonnen. Beim Bremsen wird, abhängig von der Masse, viel kinetische Energie frei und es fallen kurzzeitig höchste Ströme an. Bisher fehlte es an geeigneten hochstromtauglichen Speichern (Richtwerte: 500 bis 1.000A). Das ist die Domäne der aktuellen Doppelschichtkondensatoren, da auch moderne Batteriesysteme hierzu in absehbarer Zeit nicht in der Lage sein werden. Zurzeit werden Studien für neue Triebzugkonzepte mit Rekuperation durchgeführt wobei etwa 70 Prozent der kinetischen Energie rückgespeichert werden sollen.
Literatur
[1] Von Helmholtz, H.L.F., Studies of electric boundary layers, Wied. Ann. 7,337-382 (1879) [2] http://www.wima.de/DE/supercap_c_1.htm [3] P. Kurzweil, H.-J. Fischle, Proceedings 11-13th International Seminar on Double-Layer-Capacitors, Deerfield Beach, Fl, USA, Dec 2001–2005
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