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So funktionieren Super- und Ultrakondensatoren als Stromspeicher

Superkondensatoren (englisch Supercapacitors, kurz Supercaps oder SC), auch Ultrakondensatoren genannt, sind elektrochemische Kondensatoren (englisch electrochemical capacitors) und als solche eine Weiterentwicklung der Doppelschichtkondensatoren (englisch electric double-layer capacitor, EDLC). Super- und Ultrakondensatoren gewinnen aufgrund ihrer Schnellladefähigkeit und ihrer nahezu unbegrenzten Lebensdauer auch in der Solarwirtschaft zunehmend an Bedeutung. Sie sind ideal für Branchen, in denen eine zuverlässige, sofortige und abrupte Stromversorgung verlangt wird, bieten eine viermal höhere Leistungsdichte und eine bis zu zweimal höhere Energiedichte als traditionelle Energiespeicher.

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Was sind Super- und Ultrakondensatoren?

Die Nippon Electric Company (NEC) produzierte in den 1990er Jahren den ersten kommerziell erfolgreichen Doppelschichtkondensator unter dem Namen "Supercapacitor" und prägte damit den Begriff Superkondensator (engl. supercapacitor). Das Pinnacle Research Institute in den USA führte den „Ultracapacitor“ ein.

Superkondensatoren arbeiten nach einem anderen Prinzip der Ladungsspeicherung als Akkus. Superkondensatoren bestehen aus elektrochemischen Doppelschichten auf Elektroden, die mit einem Elektrolyt befeuchtet sind. Beim Anlegen einer Spannung sammeln sich an beiden Elektroden Ionen entgegengesetzter Ladung und bilden hauchdünne Zonen von unbeweglichen Ladungsträgern. Anders als bei Akkus tritt nur eine Ladungsverschiebung, aber keine chemische Stoffänderung auf.

Familie der Superkondensatoren (Grafik: energie-experten.org)
Familie der Superkondensatoren (Grafik: energie-experten.org)

Superkondensatoren gliedern sich, bedingt durch die Ausführung ihrer Elektroden, in drei unterschiedliche Kondensatorfamilien:

  • Doppelschichtkondensatoren besitzen Kohlenstoffelektroden oder deren Derivate mit einer sehr hohen statischen Doppelschichtkapazität. Der Anteil der faradayschen Pseudokapazität an der Gesamtkapazität ist nur gering.
  • Pseudokondensatoren besitzen Elektroden aus Metalloxiden oder aus leitfähigen Polymeren und haben einen sehr hohen Anteil faradayscher Pseudokapazität.
  • Hybridkondensatoren besitzen asymmetrische Elektroden, eine mit einer hohen Doppelschicht-, die zweite mit einer hohen Pseudokapazität. Zu den Hybridkondensatoren gehören die Lithium-Ionen-Kondensatoren.
Tabelle 1: Vor- und Nachteile von Superkondensatoren
Vorteile Nachteile
Hohe Leistungsdichte Niedrige Energiedichte
Schnelles, einfaches Laden Selbstentladung
Lebensdauer 105-106 Zyklen oder 10-12 Jahre Sehr teures Element
Effizienz bis über 95% Zellenspannungsüberwachung/ -symmetrierung erforderlich
Exzellentes Tieftemperaturverhalten
In Mannheim, Heidelberg und Ludwigshafen fahren mehr als 100 Straßenbahnen mit dem Ultrakondensatoren-KERS-System. (Foto: Skeleton Technologies GmbH)
In Mannheim, Heidelberg und Ludwigshafen fahren mehr als 100 Straßenbahnen mit dem Ultrakondensatoren-KERS-System: Die Ultrakondensatoren speichern Bremsenergie und geben diese beim Anfahren der Straßenbahn direkt wieder ab. Einzelne Straßenbahn sollen so laut einer Analyse des Verkehrsverbund Rhein-Neckar im Jahr bis zu 20.000 Euro Stromkosten sparen. (Foto: Skeleton Technologies GmbH)

Die Anwendung von Superkondensatoren ist sehr vielfältig. Sie werden z. B. in Hybridautos als Kurzzeitspeicher eingesetzt und ermöglichen so einen hohen Wirkungsgrad. Auch in Linienbussen werden sie als Speicher für den Antrieb (Laden bei jedem Stopp) verwendet. Darüber hinaus finden sie ebenfalls in Solarsystemen und Windkraftanlagen Anwendung.

Um Unterbrechungen der Netzversorgung mit ausreichend Back-up-Leistung zu überbrücken, nutzen Riello SUPERCAP-USV-Anlagen Superkondensatoren zur Energiespeicherung anstelle eines herkömmlichen Batteriesatzes. (Foto: Riello UPS GmbH)
Um Unterbrechungen der Netzversorgung mit ausreichend Back-up-Leistung zu überbrücken, nutzen Riello SUPERCAP-USV-Anlagen Superkondensatoren zur Energiespeicherung anstelle eines herkömmlichen Batteriesatzes. (Foto: Riello UPS GmbH)

Sind Superkondensatoren Kondensatoren oder Batterien?

Für kurzfristige Stromausfälle werden keine Kilowatt für mehrere Stunden benötigt, sondern häufig Megawatt aber dies nur für wenige Sekunden. Dieses Problem kann durch die Integration von Ultrakondensatoren in Systeme zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV-System) integriert.

SkelCap Ultrakondensatoren sind verfügbar mit 2,85 V von 500 bis zu 3200 Farad Zellen, einer spezifischen Leistung von bis zu 112 kW/kg und spezifischer Energie bis zu 6,8 Wh/kg. (Foto: Skeleton Technologies GmbH)
SkelCap Ultrakondensatoren sind verfügbar mit 2,85 V von 500 bis zu 3200 Farad Zellen, einer spezifischen Leistung von bis zu 112 kW/kg und spezifischer Energie bis zu 6,8 Wh/kg. (Foto: Skeleton Technologies GmbH)

Damit füllen Super- bzw. Ultrakondensatoren die Lücke zwischen klassischen Kondensatoren und Batterien im Bereich von Farad bis einigen Tausend Farad. Sie nutzen die Speicherprinzipien von Kondensatoren und Batterien:

  1. die kapazitiven Ströme an der Grenzfläche zwischen einem porösen Elektrodenmaterial mit großer Oberfläche und einer angrenzenden Salzlösung und
  2. die faradayschen Ströme durch batterieähnliche Redoxreaktionen am Elektrodenmaterial, bei denen der fließende Strom mit einem chemischen Stoffumsatz gekoppelt ist.
Tabelle 2: Vergleich von Superkondensatoren mit Batterien und konventionellen Kondensatoren
Speicher-Kriterien Superkondensator Batterie Kondensator
Zellspannung ≤ 3 Volt < 5 Volt bis Kilovolt
Zyklenlebensdauer > 100.000 < 1.000 hoch
Ladezeit schnell langsam sehr schnell
spezifische Energie ~ 5 Wh kg-1 ~ 100 bis 200 Wh kg-1 sehr gering
spezifische Leistung ~ 2 kW kg-1 < 1 kW kg-1 gering bis hoch
Theoretische Energie W = ½ CU2 W = QU W = ½ CU2
Entladekennlinie (bei konstantem Strom) exponentiell konstante Spannung bis zur Erschöpfung exponentiell
Selbstentladung (bei offenen Klemmen) ~ 15% im Monat < 10% im Monat sehr gering
Leckstrom (beim Laden) moderat gering sehr gering
Speichermechanismus elektrostatisch und faradaysch Redoxchemie mit hoher Aktivierungsspannung elektrostatisch
Freie Energie und Zellspannung der Zellreaktion abhängig vom Beladungsgrad konstant keine chemischen Reaktionen

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"So funktionieren Superkondensatoren als Stromspeicher" wurde am 22.08.2019 das letzte Mal aktualisiert.