Superkondensatoren bieten zahlreiche Vorteile für den Energiespeichermarkt. Doch bisher verwenden anscheinend nur wenige Entwickler diese kleinen, aber ungeheuer leistungsstarken Komponenten.
Vielleicht halten Analysten Superkondensatoren deshalb immer noch für eine kleine Marktnische, die durch hohe Preise und mangelnde Sichtbarkeit in der Branche noch nicht sehr verbreitet ist. Doch zahlreiche Analysten sehen diese Geräte als reife Technologie mit einer wachsenden Anzahl von Anwendungen an. So prognostiziert beispielsweise Market Tech Research, dass Superkondensatoren im Jahr 2020 im Energiespeichermarkt einen Umsatz in Höhe von 3,5 Mrd. US-Dollar generieren werden, was 5 Prozent des Akkuspeichermarktes im Jahr 2020 entspricht.
Der Asien-Pazifik-Raum hat alle anderen Regionalmärkte übertrumpft und sich laut einem neueren Bericht von Transparency Market Research (TMR) 2012 zu einer der wichtigsten Herstellerregionen von Superkondensatoren entwickelt. Fortschritte in Anwendungen wie regenerativem Bremsen, HEVs, Mikrohybride/Stopp-und-Start-Systeme sowie Luftfahrt-/Militäranwendungen haben das Wachstum von Superkondensatoren angekurbelt. Er wird erwartet, dass diese neuen, innovativen Anwendungen in den nächsten Jahren auf dem weltweiten Markt von Superkondensatoren als Markttreiber wirken.
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Superkondensatoren, auch als Ultrakondensatoren oder elektronische Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC) bekannt, werden in Energiespeichersystemen eine wachsende Rolle spielen. Elon Musk, CEO von Tesla Motors, soll sogar gesagt haben, dass diese Kondensatoren die Akkutechnologie „verdrängen“ werden. Was unterscheidet Superkondensatoren und Ultrakondensatoren von anderen Kondensatoren? Wie verhalten sie sich im Vergleich mit Akkus und Kraftstoffzellen? Welche Wachstumsmärkte und Anwendungsbereiche gelten für diese Superkondensatoren? Diese Fragen werden in diesem Artikel beantwortet.
Unterschiede von Supraleitern
Superkondensatoren sind elektrochemische Kondensatoren, deren Energiedichte deutlich höher ist als die konventioneller Kondensatoren. Die Energiemenge, die abhängig vom Kondensatorvolumen in einem Kondensator gespeichert werden kann, nennt man Energiedichte. De Energiedichte wird volumetrisch (je Volumeneinheit) in Wattstunden pro Liter (Wh/l) gemessen.
Im Vergleich mit Akkus haben Superkondensatoren einen niedrigen interne Widerstand, wodurch sie hohe Leistungsdichten erreichen können (Abbildung 1). Als Leistungsdichte wird die Geschwindigkeit bezeichnet, mit der die Energie einer Last bereitgestellt oder von dieser aufgenommen werden kann.
Abbildung 1: Maximale Leistung für Superkondensatoren. (Quelle: Autor)
Ein weiterer Vorteil von Superkondensatoren ist ihre schnelle Auf- und Entladung. Bei diesen Geräten erfolgt das Laden und Entladen durch die Aufnahme und Freigabe von Ionen. Durch den niedrigen internen Serienwiderstand von Superkondensatoren sind hohe Lade- und Entladeströme möglich, ohne Bauteile zu beschädigen.
Die beiden wichtigsten Nachteile von Superkondensatoren sind ihre niedrige Zellenspannung und die Tatsache, dass sie für Wechselstrom- und Hochfrequenzschaltungen nicht geeignet sind. Je nach den Materialien des Superkondensators beträgt die Lastspannung der Zelle 2,1 V bis 4 V (typischerweise 2,7 V). Wenn eine Anwendung eine höhere Spannung erfordert, müssen mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden.
Aufgrund von Zeitkonstantenproblemen sind Superkondensatoren für Wechselstrom- und Hochfrequenzschaltungen nicht gut geeignet. Bei Superkondensatoren hat die RC-Zeitkonstante eine andere Bedeutung als die übliche Filterreferenz bei herkömmlichen Kondensatoren.
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Eine Art der Verwendung von RC-Zeitkonstanten: als Messung der Zeit, die der Kondensator zum Laden und Entladen benötigt. Diese Zeitabschnitte sind für Strom- und Energieanwendungen wichtig, die Kondensatoren zur Speicherung von Energie nutzen. Herkömmliche Kondensatoren haben RC-Zeitkonstanten in Höhe von Mikrosekunden im ein- bis zweistelligen Bereich. Die RC-Zeitkonstante von Superkondensatoren hingegen beträgt nahezu eine Sekunde. Grund für diese langsamere Reaktionszeit sind die höheren Kapazitätswerte (Farad).
Doch diese höhere Kapazität macht Superkondensatoren ideal für die Speicherung von Energie. Im Vergleich mit anderen Energiespeichergeräten wie Akkus gelten Superkondensatoren als extrem schnell. Dies macht sie ideal für Anwendungen, bei denen schnelle Energieschübe gespeichert und freigegeben werden müssen, beispielsweise beim regenerativen Bremsen.
„In der Vergangenheit war die Fähigkeit von Kondensatoren, als „Energiespeicher“ zu dienen, im Vergleich mit Akkus so begrenzt, das sie nie ernsthaft als Alternative angesehen wurden,“ bemerkt Jamil Kawa, Wissenschaftler bei Synopsys. „Superkondensatoren und Ultrakondensatoren haben die volumetrische Kapazität für die Energiespeicherung drastisch erhöht. Sie ist noch nicht so hoch wie bei Akkus oder Kraftstoffzellen, aber hoch genug, um diesen Konkurrenz zu machen, da sie im Vergleich mit Akkus auch einige Vorteile bieten.“
Akkus waren lange die Standardlösung für die Energiespeicherung. Wie könnten sie von einem Kondensator (selbst von einem „Superkondensator“) überholt werden? Beginnen wir damit, dass Akkus nach mehreren hundert oder tauend Ladezyklen nicht mehr geladen werden können. Kondensatoren hingegen haben für alle praktischen Anwendungen eine unbegrenzte Lebensdauer, was Lade- und Entladezyklen anbelangt.
Zweitens haben Kondensatoren im Vergleich zu Akkus einen sehr niedrigen internen Widerstand. Sie können eine höhere Momentanleistung (Energie pro Zeiteinheit) bieten als Akkus. „Dies ist sehr wichtig“, betont Kawa. „Ein Akku kann zwar größere Energiemengen bereitstellen als ein Kondensator, dieser bietet jedoch eine höhere Momentanleistung.“
Und last but not least: Bei IoT-Anwendungen mit Energieerntesystem kommt es auf die Möglichkeit an, leistungsstarke Energiespeicher in einen Chip integrieren zu können. Superkondensatoren und Mikrobatterien sind hierfür gut geeignet.
Superkondensatoren im Vergleich mit anderen Energiespeichertechnologien
Wie schneiden die Leistungen von Superkondensatoren im Vergleich mit anderen Energiespeichergeräten wie Akkus und Kraftstoffzellen ab? Abbildung 2 bietet einen guten Überblick darüber, welche Kategorien von Akkus und Superkondensatoren in die Strom-/Energiedichtematrix passen. Kraftstoffzellen sind führend, was die Energiedichte anbelangt, bieten jedoch eine relativ niedrige Leistungsdichte. Akkus haben in der Regel immer noch eine höhere Energiedichte als Superkondensatoren, aber Superkondensatoren sind ihnen dicht auf den Fersen und einige bieten bereits eine höhere Leistungsdichte als Akkus.
Abbildung 2: Speicherlösungen auf dem Chip – wiederaufladbare Batterien im Vergleich mit Superkondensatoren. (Quelle: Mit freundlicher Genehmigung von Synopsys)
Anwendungen
Heute werden Super- und Ultrakondensatoren verwendet, um Lastschwankungen zu stabilisieren und eine schnelle Ladung für mobile elektronische Geräte bereitzustellen. Zudem dienen diese kapazitiven Systeme u.a. als Puffer, um Spannungsschwankungen abzuschwächen.
Große Superkondensatoren und Ultrakondensatoren werden zunehmend in industriellen Anwendungen eingesetzt, in denen ein hohes Ausgangsdrehmoment erforderlich ist. Kleinere Superkondensatoren, insbesondere solche, die in kleine Module integriert werden können, werden Anwendungen mit Strom versorgen, in denen die Batterie nicht ausgetauscht werden kann (z. B. Energy Harvester).
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In den meisten Anwendungen werden Superkondensatoren nicht die Akkus ersetzen, sondern parallel zu diesen eingesetzt. Kawa zufolge werden Superkondensatoren dort eingesetzt, wo eine hohe Momentanleistung benötigt wird, und um schnelle Ladungen bereitzustellen, beispielsweise für Energieernteanwendungen. Akkus werden für die „dunklen Zeiten“ der Unterbrechungen erneuerbarer Energiequellen benötigt.