Fachaufsatz SuperCap dt.cdr

Sonderdruck 11.2005
Superkondensatoren, made by WIMA
Dr. Dipl.-Phys.
Hansjörg Fischle
WIMA Berlin
Passive Bauelemente, insbesondere Kondensatoren, unterliegen heute ebenso wie der aktive
Bereich einer fortlaufenden Weiterentwicklung
und leisten somit einen unverzichtbaren Beitrag zum technischen Fortschritt in der Elektronik. Täglich nutzen wir innovative Lösungen
in der Kommunikation, im Verkehr -sei es auf
Schiene, Straße oder Luft- in der Medizintechnik
oder in der Freizeit. Immer neue Funktionen
werden durch Elektronik kontrolliert, gesteuert
oder sogar erst ermöglicht.
Eine der jüngsten Innovationen im Bereich der passiven
Bauelemente ist der elektrochemische Doppelschichtkondensator, auch kurz Superkondensator genannt.
Einige 10 bis mehrere 1000 Farad (F) sind in seinem Gehäuse untergebracht. Weist z. B. ein 100 F-Typ in etwa die
Größe einer Streichholzschachtel auf, so entspräche
dieser Kapazität das beeindruckende Volumen von 100
Millionen parallel geschalteter Standard-Polyester-Filmkondensatoren der jeweiligen Einzelkapazität von 1 µF!
Trotz der Begrenzung durch seine niedrige Gebrauchsspannung von maximal 2,5 V können beim Superkondensator durch Reihen- und Parallelschaltung (Kas-
kadierung) mehrere Einheiten zu riesigen Kapazitäten
gewünschter Nennspannung aufgebaut werden. Die
typische Anwendung ist die schnelle Bereitstellung
mehrerer 100 A im Gleichstrombereich. Der Superkondensator ist somit das Bindeglied zwischen dem herkömmlichen Kondensator und der Batterie, er vereint den
Vorteil des Kondensators als schnellen Stromlieferanten
mit dem der Batterie als nennenswerten Energiespeicher.
Seine Energiedichte ist zurzeit noch auf etwa 1/10 des
Batteriewertes begrenzt - heute noch!
Das Wirkprinzip des elektrochemischen Doppelschichtkondensators wurde bereits 1856 von dem bekannten
Physiker Helmholtz [1] entdeckt. Er beschrieb das Phänomen des Aufbaus einer Doppelschicht aus Ladungsträgern, die sich an Elektroden in einer leitenden Flüssigkeit beim Anlegen von Spannung bildet. Das HelmholtzModell wurde erst Mitte des 20. Jahrhunderts von einigen
Wissenschaftlern wieder aufgegriffen, um zu überprüfen,
inwieweit es sich zur Darstellung technischer Kondensatoren nutzen lässt. Anfang der 80er Jahre gelang zuerst
den Japanern die technische Realisierung: der sogenannte „Gold Cap“, daumengroß, mit einer Kapazität
von 10 F wurde auf den Markt gebracht. Er diente
zunächst zur Spannungsstützung auf Rechnerplatinen.
Inzwischen sind weitere Hersteller, unter ihnen neuerdings
auch WIMA, auf diesem Gebiet aktiv, das zusehends
auch im Zusammenhang mit der Leistungselektronik an
Breite gewinnt.
Der WIMA Doppelschichtkondensator
Aufbauend auf dem eingangs genannten Helmholtzschen Prinzip der Energiespeicherung in der elektrochemischen Doppelschicht von Elektrolytsystemen hat
WIMA „SuperCap“-Kondensatoren entwickelt, die in
etwa die millionenfache Kapazität von herkömmlichen
Kondensatoren vergleichbarer Größe besitzen. Die
WIMA SuperCaps können Energien aufnehmen, die mit
der gespeicherten Energie von kleineren Batterien vergleichbar ist, setzen jedoch wesentlich höhere Ströme frei
und sind zudem wartungsfrei.
Durch die Wahl des Materialsystems auf Basis einer
kohlenstoffhaltigen Elektrode, die niederohmig auf elektronenleitende Folie aufgebracht ist, verfügt der WIMA
SuperCap über extrem große Belagflächen auf kleinstem
Raum.
Für Technikbegeisterte sei erwähnt, dass hierin, in seinem
Materialaufbau und seinem Wirkprinzip, das Geheimnis
einer vergleichsweise riesigen Kapazität zu sehen ist.
Schon der bekannte Plattenkondensator aus dem Physikunterricht war in seinem Kapazitätswert durch Plattenbzw. Elektrodengröße, Geringfügigkeit des Plattenabstandes und der Dielektrizitätszahl des Isolatormaterials
dazwischen festgelegt. Beim SuperCap ist die innere, für
die Ladungsträger zugängliche Oberfläche, seine Elektrodenfläche, da in Form einer Kohlenschichtelektrode
vorliegend, extrem groß. Salopp gesprochen könnte man
mit der inneren Fläche durchaus ein Fußballstadion auslegen. Die Stärke des Dielektrikums wiederum, die sich
hier fiktiv aus der elektrochemischen Doppelschicht
ergibt, ist winzig. Sie entspricht der Hälfte eines Ionen-
durchmessers. Die Doppelschicht selbst besteht aus
Ionen, die sich bei Anlegen einer Spannung ihrer umgekehrten Polung entsprechend an die positive bzw. negative Elektrode anketten und dort ein Dielektrikum von nur
wenigen Angström bilden. Nach der Kondensatorformel
ergibt sich mit der Dielektrizitätskonstante der Doppelschicht in der Größenordnung von 40 und der äußerst
geringen Dimension des Dielektrikums sowie der extrem
großen Belagsfläche eine sehr hohe Kapazitätsausbeute.
Ladungsquelle
Kollektor
Polarisierte Elektrode
Elektrolyt
Kollektor
Trennschicht
Elektrische Doppelschicht
WIMA Doppelschichtkondensatoren sind standardmäßig
im Kapazitätsbereich von 100 F bis 300 F mit einer Nennspannung von 2,5 V- und höchstem Entladestrom verfügbar.
Das prismatische Gehäuse erlaubt ein platzsparendes
serielles und paralleles Verschalten. WIMA SuperCaps
ersetzen, schonen oder stützen Batterien z.B. im Rahmen
neuer Antriebstechnologien.
Anwendung von Doppelschichtkondensatoren
Die Einsatzgebiete von Superkondensatoren gehen konform
mit modernsten Entwicklungen der Leistungselektronik
Technische Angaben
200 F
300 F
G20%
G20%
G20%
Betriebsspannung:
UR
2,5 V
2,5 V
2,5 V
Betriebsstrom:
IC
30 A
45 A
50 A
RDC
12 mS
7 mS
6 mS
313 J
625 J
938 J
Innenwiderstand:
Max. Energie:G20% Emax.
Arbeitstemperatur:
Top
-30° C … +65° C
Lagertemperatur:
Tst
-40° C … +70° C
Gewicht:
m
65 g
80 g
90 g
Volumen:
v
0,075 l
0,075 l
0,075 l
36
2
100 F
-
Weitere Angaben
Gehäuse:
-
Al99,5
Al99,5
Al99,5
Kontaktfahnen:
-
Messing
Messing
Messing
26,5
48
8
Nennkapazität:
66
59
CR
Kapazitätstoleranz:
Vergleichsangaben
Kapazitätsdichte:
25
gravimetrisch
Cd
1500 F/kg
2500 F/kg
3400 F/kg
volumetrisch
CV
1400 F/l
2900 F/l
4400 F/l
gravimetrisch
Ed
1,2 Wh/kg
2,0 Wh/kg
3,0 Wh/kg
volumetrisch
EV
1,3 Wh/l
2,5 Wh/l
4,0 Wh/l
Energiedichte:
1
Alle Maße in mm.
Anschluss für 6,3 mm Steckverbinder.
Bei Serienschaltung müssen die Gehäuse isoliert aufgestellt
werden.
Abweichungen und Konstruktionsänderungen vorbehalten.
und deren Anwendung [2-5]. Im Allgemeinen werden sie
zur Spannungsstützung, zur schnellen Bereitstellung elektrischer Energie, z.B. zur Deckung von Leistungsspitzenbedarf, oder zur Schonung von Batterien eingesetzt, die
dann kleiner entworfen werden können, da der Kondensator die Stromspitzen abfedert.
Ein oft gesehener Einsatz des SuperCap ist im Konsumbereich zu finden. Ein Fahrrad steht im Dunkeln, z.B. an
einer roten Ampel. Zum Schutz des Fahrenden ist die
Beleuchtung des Fahrrades jedoch auch im Stillstand
aktiv. Ein kleiner SuperCap versorgt für Minuten die
vordere wie die hintere Fahrradbeleuchtung mit Energie.
Im Bereich der unterbrechungsfreien Stromversorgung
(USV) hat der SuperCap gerade Einzug gehalten. Im
einfachsten Fall versorgt er völlig wartungsfrei das Notstromaggregat, meist einen Dieselgenerator oder eine
Mikroturbine, mit der notwendigen Startenergie. Ja sogar
allein kann er in Spezialfällen, auf die Versorgungsspannung verschaltet, die kurzzeitigen und kürzesten
Spannungseinbrüche abfedern. Statistisch ermittelt sind
die Einbrüche in unseren Netzen zu über 90% kürzer als
10sec. In einer kürzlich beschriebenen Anwendung in der
Telekommunikation eines bekannten Leistungsanbieters
versorgen SuperCaps Umschaltstationen, die die Gesprächssendungen von Mobiltelefonen weiterleiten, mit
Notstromenergie. Der Clou daran ist die Wartungsfreiheit
und Zuverlässigkeit der Systeme. Die zahlreichen
Stationen müssen bei Netzausfall sicher unterbrechen
und mannlos wieder anfahren können. Besondere
Anforderungen werden an die unterbrechungsfreien
Stromversorgungen in der Windkrafterzeugung gestellt.
Hoch oben in der Gondel sitzt ein System besonderer Art,
die Schlupfregelung, die dafür sorgt, dass die
Rotationsgeschwindigkeit der Drehflügel im konstanten
Rahmen bleibt. Insbesondere darf bei Sturm die Anlage
nicht überdrehen, die Flügelblätter werden dann mit der
Schmalseite in den Wind gedreht und verlieren so ihren
Antrieb. Das bewerkstelligt die Schlupfregelung, die
elektrisch oder pneumatisch ausgelegt sein kann. Auf alle
Fälle muss sie auf jeder Mühle autark funktionieren, bei
jeder Witterung, bei -40° C bis +70° C, immer bereit auf
viele Jahre hinaus. Der Einsatz von SuperCaps in den
Mühlen reduziert deutlich die Wartungsarbeit. Sie sind
wichtig, weil sie die Rentabilität der Systeme steigern
helfen, insbesondere wenn die Mühlen zukünftig auf dem
Festlandsockel im Meer zu stehen kommen.
Zurzeit wird viel über neue Antriebsarten für Kraftwagen
gesprochen. Weltweit arbeiten mehrere Kfz-Hersteller an
Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb. Auf der diesjährigen IAA in Frankfurt formierten sich neue Projekte auch zu
diesem Thema. Nach dem Stand der Technik arbeitet die
portable Brennstoffzelle am zuverlässigsten kontinuierlich. So setzen einige Hersteller hier auf einen Lastausgleich durch, vereinfacht gesprochen, ein parallel geschaltetes Leistungsreservoir: eine Zusammenschaltung
mehrerer Superkondensatoren, die hart im Nehmen,
wegen ihres niedrigsten Innenwiderstands und ihres
geringen Gewichts hierfür prädestiniert sind.
Der SuperCap ist bestens dazu geeignet, das elektrische
Bordnetz dezentral, sozusagen am Ort des Bedarfs, zu
stützen, indem er elektrische Energie bereitstellt, die von
den immer zahlreicher werdenden elektrischen Verbrauchern in modernen Fahrzeugen konsumiert wird. Die
Reform des Bordnetzes zu höherer Spannung mit angepasster Verdrahtung lässt sich zeitlich so etwas hinaus-
schieben. Ein weiteres Plus der Superkondensatoren im
Auto, wenn man schon elektrisch antreibt, ist die Möglichkeit, die Bremsenergie zurück zu gewinnen. Neue Projekte
beschreiben, dass bis zu 80% der seither an Ampeln in
Wärme vergeudeten Bewegungsenergie, mit im Kiloamperebereich anfallenden Strömen, zur Rückgewinnung in
den SuperCaps aufgefangen und verzögert wieder dem
Antrieb zur Verfügung gestellt werden können. Davon
könnte auch der öffentliche Nahverkehr profitieren, mit
Bussystemen, die schadstofffrei anfahren könnten, OBussen, die teilweise außerhalb ihres Netzes fahren
könnten und elektrischen Flughafenbussen, die dem
ohnehin schadstoffbelasteten Flughafenareal nicht weiter
zur Last fallen.
Ja sogar die Stützung von U-Bahnnetzen durch auf hohe
Spannungen kaskadierte Superkondensatoren, die platzsparend in stark frequentierten Tunnels eingebaut
wurden, ist beschrieben worden. Auch für die Bahn bietet
der Einsatz von SuperCaps mannigfaltige Vorteile. Ein
zuverlässiger Start von dieselelektrischen Lokomotiven ist
für den SuperCap ein Kinderspiel. Tatsächlich ist die überwiegende Anzahl der heutigen Lokomotiven elektrisch
angetrieben, ob über Fahrleitung oder Dieselgenerator.
Der Elektromotor ist durch sein großes Drehmoment beim
Anfahren dem Verbrennungsmotor weit überlegen. Im
Zeitalter des europäischen Zusammenwachsens, aber
auch in Ländern mit traditionell unterschiedlichen Fahrleitungssystemen, bietet das verhältnismäßig leichte Energiereservoir SuperCap deutliche Vorteile gegenüber den
Batteriepaketen bei Überbrückungsfahrten zwischen den
Netzen.
Ein idealer Einsatzfall von Doppelschichtkondensatoren
als Energiepuffer ist in der Photovoltaik zu finden. In
Ländern, die durch ewige Sonne gesegnet oder geplagt
sind, ist der Vorteil eines völlig unabhängigen, permanent
einsatzbereiten und weitestgehend wartungsfreien Energiewandlers offensichtlich. Solange wie die Sonne scheint,
lädt sich der Kondensator über die Photozelle auf. Reicht
die Energie aus, läuft die Pumpe für die Bewässerung und
das Spiel beginnt von vorne. Für hiesige Verhältnisse
fallen diese Vorteile bescheidener aus, doch die Entwicklung schreitet auch hier voran.
Die bekannte WIMA Qualität
Für all diese Anwendungen ist der WIMA Doppelschichtkondensator bestens geeignet. Seine geringe Kapazitätsdrift über seine Lebensdauer hinweg garantiert, dass die
elektrische Funktion jahrzehntelang erhalten bleibt. Sorgfältige Studien zeigen, dass der WIMA SuperCap auch
unter härtesten Bedingungen immer zuverlässig seinen
Dienst verrichtet. Sein metallisches rechteckiges Gehäuse
ist dicht laserverschweißt und trotzt daher den heftigsten
Temperaturschwankungen. Kurzzeitige Übertemperaturen,
die bei anders zugeschnittenen Systemlösungen im Einsatz zu unerwünschten Problemen führen können, steckt
der WIMA weg. Seine prismatische Form erlaubt eine
große Packungsdichte im Aufbau von größeren Einheiten.
Nutzlose Hohlräume werden so vermieden. Wo die
natürliche Kühlung nicht ausreicht, z.B. bei schnellen
Pulsfolgen, kann dauerhafte Übertemperatur leicht mit
einem Lüfter verhindert werden.
Fortlaufende Qualitätsmessungen an den Kondensatoren sind für uns Verpflichtung. So wird in Bauartprüfungen
der für Doppelschichtkondensatoren übliche Einlauf der
Kapazität aufgezeichnet. Zu diesem Zweck werden die
SuperCaps bei WIMA Zehntausenden von Lade- und
Entladezyklen unterworfen, wobei die Aufladung etwa
alle 8 Minuten vom leeren Zustand aus mit 50 A und die
vollständige Entladung mit knapp 200 A erfolgt. Die riesige innere Oberflächenstruktur wird im ersten Gebrauch
typischerweise nur um etwa 10% reduziert. Danach bleibt
die Kapazität selbst bei höheren Einsatztemperaturen
konstant. Daher kann seitens des Anwenders von einer
lebenslang stabilen Funktion ausgegangen werden. Der
Einlauf wird über die bauartbedingte Kapazitätstoleranz
von ±20% kompensiert. Damit ist gewährleistet, dass die
auf dem Leistungsschild angegebene Kapazität auch zur
Verfügung steht.
Eine weitere Prüfung wird an einer Serien/Parallelschaltung mehrerer Doppelschichtkondensatoren durchgeführt, beispielsweise an 300 F bei 7,5 Volt. Der Aufbau
der Serien/Parallelschaltung kann wegen der prismatischen
Bauform des WIMA-Kondensators sehr platzsparend
ausgeführt werden. Für eine anspruchsvollere Belastung
wird empfohlen, die Befestigung der SuperCaps in Form
von Blechen metallisch auszuführen.
Die Einzelkondensatoren werden bei WIMA selbstverständlich nach den Empfehlungen des Normenentwurfes
DIN IEC 62391-1 bis -2 für „Elektrische Doppelschichtfestkondensatoren“ geprüft und entsprechend ihrer Bauart getestet. Allgemein gesprochen ist die Zeit für den
Helmholtz-Kondensator reif geworden. Noch ist sein
Erfolg natürlich noch nicht en masse zu ernten. Doch das
in den letzten Jahren in verstärktem Maße einsetzende
Umweltbewusstsein, die derzeitige Diskussion des Energieverbrauchs und die Explosion der Kraftstoffpreise sind
Wasser auf die Mühlen des SuperCap. Ein sich abzeichnender Klimawandel, wodurch auch immer verursacht,
verstärkt die Akzeptanz neuer ressourcenschonender
Technologien.
Hier ist der WIMA SuperCap mit ganz vorne zu finden,
weil er seinen revolutionären Beitrag zur Effizienzsteigerung in der Nutzung elektrischer Energie leistet. In die-
sem Zusammenhang ist auch sein Einsatz in Kombination
mit alternativen Antrieben zu sehen. Immer weiter verschärfte Abgasbestimmungen, z.B. das „Zero Emission Vehicle
Program“ in Kalifornien, treiben diese Entwicklung voran.
Daher stimmt der Hochlauf dieser neuen Technologie im
Bereich der passiven Bauelemente mit den Prognosen für
die nächsten Jahre voll überein.
WIMA hat sich positioniert, WIMA ist engagiert, WIMA ist
dabei.
Quellenangaben:
[1] Von Helmholtz, H.L.F., Studies of electric boundary
layers, Wied. Ann.,7,337-382(1879)
[2] DGES - Fachtagung in Aachen, 8. - 9. Mai 2003,
Elektrofahrzeuge, Hybrid-Technologien im Aufschwung
[3] 11-13th International Seminar on Double-LayerCapacitors, Deerfield Beach, FL, U.S.A., 2001-2003
[4] International Symposium on Power Sources for
Stationary and Distributed Systems
16.-18. September 2003, München
[5] Siebentes Kassler Symposium Energie, Systemtechnik,
Erneuerbare Energien und Rationelle Energieverwendung, Energiespeicher und Energietransport,
14.-15. November 2002
WIMA Spezialvertrieb elektronischer Bauelemente GmbH & Co.KG
Pfingstweidstr. 13 · D-68199 Mannheim · Tel: +49-621-862950 · E-mail: [email protected] · Internet: www.wima.de