Superkondensatoren, die Zukunft der Energiespeicherung

Superkondensatoren, die Zukunft der Energiespeicherung

Superkondensatoren, auch bekannt als Ultrakondensatoren oder elektrochemische Kondensatoren, gehören zu den elektrischen Energiespeichersystemen (EESS). Diese Kategorie umfasst auch herkömmliche Kondensatoren, Batterien, Brennstoffzellen und supraleitende magnetische Energiespeicher.

Es wird oft gesagt, dass Superkondensatoren die Leistungslücke zwischen herkömmlichen Kondensatoren und wiederaufladbaren Batterien schließen. Dieser Vergleich bezieht sich in erster Linie auf ihre Leistungs- und Energiedichte, die sie zwischen traditionellen Kondensatoren (hohe Leistung, niedrige Energie) und Batterien (hohe Energie, geringere Leistung) positioniert.

Wie wählt man zwischen herkömmlichen Kondensatoren, Superkondensatoren und Akkus?

Die Wahl eines Energiespeichers hängt vor allem davon ab, wie schnell die Energie benötigt wird und wie lange das Gerät in Betrieb sein muss.

• Wenn beispielsweise eine Taschenlampe mehrere Minuten oder sogar Stunden lang leuchten soll, sollte die Energie langsam und kontinuierlich über einen längeren Zeitraum abgegeben werden. In dieser Situation ist eine Batterie die bessere Wahl, da sie eine große Menge an Energie speichern kann. Sie kann diese Energie jedoch nicht sehr schnell abgeben, da ihre Leistungsdichte relativ gering ist.
• Im Gegensatz dazu werden in regenerativen Bremssystemen in der Automobilindustrie häufig Superkondensatoren eingesetzt. Beim Bremsen wird in sehr kurzer Zeit eine erhebliche Menge an Energie erzeugt. Superkondensatoren eignen sich gut für diesen Zweck, da sie Energie schnell aufnehmen und beim Beschleunigen des Fahrzeugs wieder abgeben können.
• Herkömmliche Kondensatoren werden eingesetzt, wenn eine sehr schnelle Energieabgabe erforderlich ist, allerdings nur in sehr kleinen Mengen und typischerweise für extrem kurze Dauern (Mikrosekunden bis Millisekunden). Eine der möglichen Anwendungen sind industrielle Kamerablitze, bei denen ein kurzer Impuls mit hohem Strom erforderlich ist.

Es zeigt sich, dass Superkondensatoren Eigenschaften beider Systeme vereinen. Sie sind darauf ausgelegt, deutlich höhere Kapazitätswerte zu erreichen. Ihre Elektroden bestehen aus hochporösen Materialien, meist Aktivkohle, was eine extrem große effektive Oberfläche bietet. Anstatt auf eine feste dielektrische Schicht angewiesen zu sein, bilden Superkondensatoren eine elektrische Doppelschicht an der Grenzfläche zwischen der Elektrodenoberfläche und dem Elektrolyten. Diese Doppelschicht ist nur wenige Nanometer dick. Damit bieten sie eine viel höhere Energiedichte als herkömmliche Kondensatoren bei gleichzeitig wesentlich höherer Leistungsdichte und längerer Lebensdauer als Batterien. Die längere Lebensdauer resultiert aus der Tatsache, dass die Elektrode eines Superkondensators während des kontinuierlichen Lade- und Entladevorgangs deutlich weniger chemische Phasenänderungen erfährt als eine Batterie.

Die Beziehung und der inhärente Kompromiss zwischen Energiedichte und Leistungsdichte bei verschiedenen Energiespeichersystemen lassen sich mit einem Ragone-Diagramm darstellen. Es handelt sich um ein grafisches Werkzeug, das Energiespeichertechnologien vergleicht, indem die Energiedichte gegen die Leistungsdichte aufgetragen wird, meist in logarithmischem Maßstab. Im Allgemeinen befinden sich Batterien im Bereich einer hohen Energiedichte, aber relativ niedriger Leistungsdichte, während herkömmliche Kondensatoren Bereiche mit sehr hoher Leistungsdichte, aber niedriger Energiedichte belegen. Superkondensatoren (SCs) oder elektrochemische Kondensatoren positionieren sich zwischen diesen beiden Technologien und weisen eine moderate Energiedichte sowie eine hohe Leistungsdichte auf.

• Ein herkömmlicher Kondensator ist wie ein Sprinter – er kann sehr schnell laufen, aber nur über eine kurze Distanz.
• Eine Batterie ist wie ein Marathonläufer – langsamer, aber er läuft stundenlang weiter.
• Ein Superkondensator ist der Mittelstreckenläufer – er ist schnell und trägt eine ordentliche Menge an Energie, wenn auch nicht so viel wie eine Batterie.

Wo werden sie eingesetzt?

Superkondensatoren werden immer beliebter und decken eine Vielzahl von Branchen ab.

Leistungssteigerung für USV-Anlagen

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) liefert bei Ausfällen kontinuierlich Strom, sodass angeschlossene Geräte ohne Unterbrechung weiterarbeiten können und Backup-Systeme aktiviert werden. Superkondensatoren sind in USV-Anwendungen eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Blei-Säure-Batterien, da sie Energie sehr schnell speichern und wieder abgeben können. Diese schnelle Reaktion hilft, kurzfristige Stromunterbrechungen und Spannungsschwankungen auszugleichen, was beim sofortigen Starten von Notstromaggregaten nach einem Stromausfall von entscheidender Bedeutung ist. Zudem bieten Superkondensatoren eine deutlich längere Lebensdauer als Batterien, was zu geringerem Wartungsaufwand und reduzierten Gesamtlebenszykluskosten führt.

Anwendung in Zutrittslösungen

Die Integration von Superkondensatoren in elektronische Zutrittssysteme, insbesondere in elektronische Türschlösser, hat sich zu einem wichtigen Trend in der modernen Gebäudeautomation und bei Sicherheitslösungen entwickelt. Zentral gesteuerte elektronische Türschlösser sind normalerweise mit einem Netzwerk verbunden, das Strom und Steuersignale liefert. Das Schloss ist auf elektromechanische Aktoren angewiesen, um den Verriegelungsmechanismus physisch zu bewegen. Es ist wichtig, eine Batterie-Backup-Lösung zu haben oder die Möglichkeit zu bieten, bei einem Stromausfall automatisch in einen vordefinierten Zustand (verriegelt oder entriegelt) zu wechseln. Hier kommen Superkondensatoren ins Spiel. Dank ihrer hohen Leistungsdichte, schnellen Lade-Entlade-Fähigkeit und langen Lebensdauer helfen Superkondensatoren, die wesentlichen Einschränkungen herkömmlicher batteriebasierter Systeme in Zutrittskontrollanwendungen zu überwinden.

Verteidigungs- und Militäranwendungen

Superkondensatoren werden in einer Vielzahl von Geräten und Systemen eingesetzt, darunter Kommunikationsausrüstung, Sensorplattformen, Radarsysteme, Torpedos, Systeme für elektromagnetische Impulse (EMP), Startvorrichtungen für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) und globale Positionierungssysteme (GPS). In Militärfahrzeugen und gepanzerten Systemen bieten Superkondensatoren zuverlässigen Backup-Strom für elektronische Einheiten und kritische Steuerungssysteme, die unter extremen Bedingungen arbeiten.

Medizinische Anwendungen

Superkondensatoren werden sowohl in tragbaren und portablen medizinischen Geräten (wie Blutgasanalysatoren, Ultraschallgeräten und Defibrillatoren) als auch in implantierten medizinischen Geräten (wie Insulinpumpen, Herzschrittmachern und Defibrillatoren) verwendet.

Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge

In Elektro- und Hybridfahrzeugen (EVs und HEVs) arbeiten Superkondensatoren typischerweise in einer komplementären Konfiguration neben Lithium-Ionen-Batterien. Beim regenerativen Bremsen wird kinetische Energie, die sonst als Wärme verloren ginge, in elektrische Energie umgewandelt. Superkondensatoren können diese Energie aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte und ihres niedrigen ESR (Ersatzreihenwiderstands) schnell aufnehmen. Beim Beschleunigen benötigen Fahrzeuge kurze, hohe Leistungsspitzen. Superkondensatoren können diese Leistung sofort liefern und so die Belastung der Lithium-Ionen-Batterien verringern. Indem sie diese hohen Leistungsanforderungen bewältigen, verhindern sie eine übermäßige Beanspruchung der Akkupacks. Der Einsatz von Superkondensatoren als Energiespeicher ist besonders bei öffentlichen Verkehrsmitteln wie Bussen sinnvoll, die häufig anhalten müssen, da das Aufladen nur Sekunden dauert. Diese sogenannten Capa-Busse sind seit über 15 Jahren in Sofia (Bulgarien), Graz (Österreich), Shanghai und Hongkong (China) sowie Belgrad (Serbien) im Einsatz.

Netzstabilisierung und Frequenzregelung

Die zunehmende Integration erneuerbarer Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie bringt Variabilität und Unsicherheit in moderne Stromnetze. Da die erneuerbare Erzeugung von den Wetterbedingungen abhängt, kann die Stromproduktion schnell schwanken. Um einen stabilen Betrieb aufrechtzuerhalten, muss das Stromnetz Angebot und Nachfrage kontinuierlich ausgleichen. Superkondensatoren tragen wesentlich zur Netzstabilisierung bei, indem sie Energie sofort einspeisen und aufnehmen können. Ihre extrem schnelle Reaktionszeit und hohe Leistungsdichte ermöglichen es ihnen, innerhalb von Millisekunden auf plötzliche Veränderungen im Netz zu reagieren.

Energy Harvesting-Systeme

Superkondensatoren dienen als hocheffiziente Energiespeicherkomponenten in Energy-Harvesting-Systemen, in denen elektrische Energie aus Umgebungsquellen wie mechanischen Vibrationen, Temperaturgradienten oder Licht gewonnen wird. Diese Systeme wandeln ansonsten verschwendete Energie in nutzbaren elektrischen Strom um. Stromsparende Internet-of-Things (IoT)-Geräte benötigen oft kontinuierlich, aber in kleinen Mengen Energie, um Sensoren zu betreiben, Daten zu übertragen oder Berechnungen durchzuführen. Durch die Integration von Superkondensatoren in Energy-Harvesting-Systeme können IoT-Geräte drahtlos und autonom funktionieren, wodurch der häufige Batteriewechsel entfällt. Diese Fähigkeit ist besonders in abgelegenen oder schwer zugänglichen Bereichen wertvoll, wie z. B. bei Umweltüberwachungsstationen, Industrieanlagen oder tragbarer Elektronik (Wearables).

👉 Für weitere Informationen zu Anwendungen, Spezifikationen oder benötigten Mengen wenden Sie sich bitte an Telcona – Ihren zuverlässigen Partner für elektronische Hochleistungskomponenten.