Maxwell Ultrakondensatoren in der Anwendung

Autor / Redakteur: Wolf-Dieter Roth / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Ultrakondensatoren oder Superkondensatoren sind oft im Gespräch, wenn es um Energiespeicher geht. Wo werden Ultrakondensatoren tatsächlich eingesetzt und welche Kriterien sind für ihre Auswahlwichtig? Die Kapazität alleine ist nicht immer ausschlaggebend.

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Ultrakondensatormodul mit einer Spannung von 48 V bei einer Kapazität von 165 F.
Ultrakondensatormodul mit einer Spannung von 48 V bei einer Kapazität von 165 F.
(Bild: Maxwell)

Die neuen Einzelzellen der K2-Serie von Maxwell Technologies können mit bis zu 3 V geladen werden, gegenüber 2,5, 2,7 und 2,85 V bei älteren Modellen und anderen Herstellern. Das Modell BCAP3000 mit 3000 F und 3 V speichert 3,75 Wh Energie bei einem Ruhestrom von maximal 12 mA, Arbeitstemperaturen von -40 bis 65 °C und bis zu einer Mio. Lade- und Entladezyklen. Die Spitzenstrombelastbarkeit geht bei einem maximalen ESR (inneren Verlustwiderstand) von 0,27 mΩ bis weit in den vierstelligen Bereich. Dabei wiegt die Zelle 520 g.

Ultrakondensatoren haben inzwischen eine technische Reife erreicht und sind so praxiserprobt, dass sie auch und gerade in anspruchsvollen, rauen Umgebungen zuverlässig eingesetzt werden können und damit Batterien und Akkus unterstützen oder sogar ganz ablösen können.

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Stand der Technik zeigt hohen Reifegrad

Die geringere Kapazität gegenüber Batterien ist dabei oft gar kein Problem, weil der verfügbare Entladestrom für die Applikation bestimmend ist und nicht die entnehmbare Gesamtkapazität. So werden schnurlose Werkzeuge ja regelmäßig abgelegt und nicht stundenlang kontinuierlich in der Hand gehalten. In diesen Phasen können sie bereits wieder komplett aufgeladen werden, weil dies bei Ultrakondensatoren nicht Stunden, sondern Sekunden dauert.

Zudem werden Ultrakondensatoren nicht durch hohe Entladeströme gestresst. So können sie sogar Anwendungen bedienen, in denen bislang noch an den aus Umweltgründen inzwischen unerwünschten NiCd-Akkus festgehalten wurde, weil NiMh- und Li­thiumakkus geringere Spitzenströme liefern.

Zellen und Kondensatorbatterien

Maxwell hat viele Bauformen kreiert, die sich in der Industrie durchgesetzt haben und von anderen Herstellern ebenfalls übernommen wurden, von den klassischen zylindrischen Rundzellen der K2-Serie mit Schraubanschluss, bis zu 3400 F Kapazität und inzwischen bis zu 3 V Betriebsspannung bis zu zahllosen Modulbauformen mit 16, 48, 56, 64, 75, 125 oder 160 V Nennspannung. Doch auch jede andere Nennspannung ist möglich.

Die Anwendungen sind oft dezentrale Spannungsversorgung mit starker Impulsbelastung. So finden Ultrakondensatoren Anwendung bei Starthilfen für Dieselmotoren, ob in Lkw, Baumaschinen oder Notstromaggregaten, aber auch direkt in Notstromversorgungen, die verzögerungsfrei bei Netzausfall übernehmen können und auch nach Jahrzehnten sicher ohne Batteriewechsel funktionieren.

Dies ist selbst für vermeintlich einfache Applikationen wie die Beleuchtung von Notausgängen eminent wichtig – bislang werden solche Einrichtungen oft von zentralen Batterieanlagen im Keller des Gebäudes versorgt, die nach einigen Jahren im Notfall versagen, wenn sie nicht ständig kontrolliert und gegebenenfalls erneuert werden.

Weitere Applikationen

Andere Anwendungen sind das Abfangen von Spitzenströmen sowie die Energierückgewinnung in Aufzügen, Hybridfahrzeugen und sogar in Straßenbahnen und Elektrobussen. Letztere können von einer Haltestelle zur nächsten fahren, um dort in der kurzen Haltezeit wieder vollständig aufgeladen zu werden.

In Containerhäfen und Lagern können Ultrakondensatoren Hafenkräne, Gabelstapler und andere Fahrzeuge versorgen. Dort sind sie Akkumulatoren weit überlegen, weil die Ladezeiten nicht in Stunden, sondern Sekunden und Minuten gemessen werden und hohe Impulsströme bis zu Tausenden von Ampere verfügbar sind.

Tatsächlich begrenzt nur die Erwärmung der Ultrakondensatoren eine mögliche repetitive Impulsbelastung – ein Kurzschluss kann für die angeschlossenen Geräte und die Verbindungskabel kritisch werden, doch nicht für die Kondensatoren selbst, ebensowenig wie die Tiefentladung. Ein Brand wie bei Lithiumakkus ist weder durch Hitze, Überlast noch mechanische Beschädigung zu befürchten.

Einsatz bei Windrädern

Ebenso innovativ sind Einheiten, die Windräder bei Böen schnell aus dem Wind drehen können oder beim Öffnen und Schließen der Türen in Flugzeugen helfen: Die dafür kurzfristig notwendigen hohen Ströme würden bei konventioneller Verdrahtung ohne Zwischenspeicher unnötig Gewicht und Kosten verursachen – mit Ultrakondensatoren wird die Energieversorgung wesentlich einfacher. Zudem kann die Tür so auch im Notfall ohne Bordnetz geöffnet werden. Im Automobil können sie ebenso Fensterheber, Türverriegelungen, Servolenkung, Gurtstraffer und andere elektromotorisch betriebenen Aggregate unterstützen.

Wie Ultrakondensatoren technisch aufgebaut sind, lesen Sie hier.

* Dipl.-Ing. (FH) Wolf-Dieter Roth ist technischer Redakteur bei der Hyline Power Components Vertriebs GmbH in 82008 Unterhaching

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