Welches ist die Rolle eines Suprakondensators?

Der Suprakondensator gleicht einem gewöhnlichen Kondensator, mit der Ausnahme, dass er eine sehr hohe Kapazitanz in einem kleinen Gehäuse speichern kann. Die Energie wird mit Hilfe einer statischen Ladung gespeichert, anstelle eines elektrochemischen Prozesses, wie er in einer herkömmlichen Batterie stattfindet. Durch das Anlegen von unterschiedlichen Spannungen an der positiven und negativen Platte, erfolgt eine Aufladung des Suprakondensators. Dieses Konzept ist vergleichbar mit der elektrischen Ladung, die entsteht, wenn man sich auf einem Teppich bewegt. Das Konzept des Suprakondensators besteht schon seit einigen Jahren. Neuere Ausführungen ergeben höhere Kapazitäten mit kleineren Abmessungen.

Während ein gewöhnlicher Kondensator aus leitfähigen Folien und einem trockenen Separator besteht, bewegt sich der Suprakondensator mehr in Richtung Batterietechnologie, indem spezielle Elektroden und Elektrolyte verwendet werden. Es gibt drei Arten von Elektroden, die für Suprakondensatoren geeignet sind. Es sind dies Aktivkohleplatten mit grosser Oberfläche, Metalloxyde und leitfähiges Polymer. Das Elektrodenmaterial mit grosser Oberfläche genannt 'Double Layer Capacitor (DLC)' ist in der Herstellung am wenigsten aufwendig und wird deshalb am meisten angewendet. Es speichert die Energie in der doppelten Schicht, nahe der Oberfläche der Kohleelektrode.

Der Elektrolyt kann entweder flüssig oder organisch sein. Die flüssige Ausführung ergibt einen kleinen inneren Widerstand, begrenzt aber die Spannung auf 1 Volt. Im Gegensatz dazu ermöglicht der organische Elektrolyt eine Ladespannung von 2,5 Volt, aber der innere Widerstand ist höher.

Um mit höheren Spannungen zu arbeiten, werden die Suprakondensatoren in Serie geschaltet. In einer Kette von mehr als 3 Kondensatoren muss ein Spannungsausgleich vorgesehen werden, um zu verhindern, dass einzelne Zellen überladen werden.
Die Energiemenge, die ein Kondensator aufnehmen kann, wird in Mikrofarad oder mF (1mF = 0.000,001 Farad) angegeben. Während kleine Kondensatoren Nanofarads (1000x weniger als 1mF) oder Picofarads (1 Million x kleiner als 1mF) aufnehmen können, bewegen sich die Suprakondensatoren im Bereich von Farads.

Die gravimetrische Energiedichte für den Suprakondensator beträgt von 1 bis 10Wh/kg. Diese Energiedichte ist hoch verglichen mit einem gewöhnlichen Kondensator, aber er beträgt nur etwa ein Zehntel einer Nickel-Metall-Hydrid-Batterie. Während eine elektrochemische Batterie eine ziemlich stabile Spannung liefert im Bereich des verwendbaren Energiespektrums, ist die Spannung eines Suprakondensators linear und kann deshalb plötzlich von der Vollspannung auf 0 Volt fallen. Aus diesem Grund ist der Suprakondensator nicht in der Lage, seine gesamte Ladung abzugeben.

Wenn z.B. eine 6V Batterie bis auf 4,5V entladen werden kann, bevor der Verbraucher aufhört zu funktionieren, erreicht der Suprakondensator diese Schwelle bereits im ersten Viertel des Endladezylus. Die verbleibende Energie verschwindet in einem nicht anwendbaren Spannungsbereich. Ein DC-DC-Konverter könnte dieses Problem lösen, aber ein solcher Regulator kostet Geld und bringt ausserdem einen 10 bis 15% Verlust des Wirkungsgrades.

Der Suprakondensator wird weniger als Hauptenergiequelle verwendet, sondern eher als Notenergiequelle, um kurze Stromausfälle überbrücken zu können. Eine weitere Applikation ist, eine Batterie kurzzeitig mit zusätzlicher Energie zu unterstützen. Der Suprakondensator wird dann parallel zur Batterie geschaltet, und liefert die Stromspitzen, wenn die Belastung kurz ansteigt. Der Suprakondensator wird ebenfalls einen Markt finden für tragbare Brennstoffzellen, um die Leistung bei Spitzenbelastungen zu verbessern. Auf Grund seiner Eigenschaft, sich sehr schnell aufzuladen, werden grosse Suprakondensatoren verwendet für regeneratives Bremsen von Fahrzeugen. Mehr als 400 Suprakondensatoren werden in Serie geschaltet, um die nötige Energiekapazität speichern zu können.

Die Ladezeit eines Suprakondensators ist ca. 10 Sek. Die Möglichkeit, diese Energie aufnehmen zu können, ist vorwiegend begrenzt durch die Grösse des Ladegerätes. Die Ladecharakteristik ist ähnlich jener einer elektrochemischen Batterie. Die Initialladung erfolgt sehr schnell; eine Ergänzung der Ladung bis zum Maximum jedoch benötig zusätzliche Zeit. Beim Laden eines leeren Suprakondensators müssen gewisse Vorkehren getroffen werden, um den Ladestrom zu begrenzen.

Was die Lademethode betrifft, gleicht ein Suprakondensator einer Blei-Säure-Batterie. Die volle Ladung ist erreicht, wenn eine vorgegebene Spannungsschwelle erreicht wird. Anders als bei den elektrochemischen Batterien, benötigt der Suprakondensator keine elektronische Schaltung, um die Vollladung zu erkennen. Suprakondensatoren nehmen soviel Energie auf, wie möglich ist. Wenn die Batterie voll ist, wird der Ladevorgang abgebrochen. Es besteht keine Gefahr wegen Überladung oder Memory-Effekt.

Der Suprakondensator kann praktisch unbeschränkt geladen und entladen werden. Anders als elektrochemische Batterien ist der Suprakondensator keinem Verschleiss durch Lade/Entladezyklen unterworfen, und auch das Alter beeinflusst den Suprakondensator kaum. Im normalen Gebrauch verschlechtert sich ein Suprakondensator auf 80% nach etwa 10 Jahren.

Die Selbstentladung eines Suprakondensators ist ordentlich höher als bei einer elektrochemischen Batterie. Suprakondensatoren mit organischem Elektrolyt werden stärker beeinflusst. In 30 bis 40 Tagen sinkt die Kapazität von Vollladung auf 50%. Im Vergleich dazu verliert eine auf Nickel basierende Batterie etwa 10% ihrer Ladung in der gleichen Zeitspanne.
Suprakondensatoren sind verhältnismässig teuer bezogen auf die Kosten pro Watt. Einige Systemingenieure argumentieren, das Geld wäre besser angelegt, eine grössere Batterie vorzusehen, durch zusätzliche Batteriezellen. Aber der Suprakondensator ist nicht unbedingt in Konkurrenz mit chemischen Batterien. Man könnte eher sagen, dass die eine Batterie die andere ergänzt.

Vorteile
· Praktisch unbegrenzte Lebenserwartung - erträgt Millionen von Zyklen
· Tiefer Innenwiderstand - verbessert das Verhalten einer Batterie unter Belastung, wenn parallel geschaltet
· Schnelle Aufladung - ein Suprakondensator wird innert Sekunden aufgeladen
· Einfache Lademethode - keine Volladungserkennung wird benötigt, keine Gefahr durch Überladung.

Grenzen
· Lineare Entladespannung verhindert das gesamte Energiespektrum auszunutzen.
· Tiefe Energiedichte - enthält typischerweise einen Fünftel bis einen Zehntel der Energie einer vergleichbaren elektrochemischen Batterie.
· Zellen haben tiefe Spannungen - Serieschaltung von Zellen sind nötig, um höhere Spannungen zu erreichen. ein Spannungsabgleich ist nötig, wenn mehr als 3 Suprakondensatoren in Serie geschaltet werden.
· Hohe Selbstentladung - im Verhältnis ist sie deutlich höher als jene einer elektrochemischen Batterie.

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