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Passive Bauelemente Wie Sie Superkondensatoren in Fahrzeugen sinnvoll einsetzen

| Autor/ Redakteur: James C. Lewis * / Thomas Kuther

Superkondensatoren sind eine ideale Ergänzung zu herkömmlichen Akkus. Hier erfahren Sie alles über Aufbau, Eigenschaften und sinn­volle Einsatzbereiche dieser leistungsfähigen Energiespeicher.

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Ein Fall für Superkondensatoren: Die leistungsfähigen Energiespeicher können in Nutzfahrzeugen die Starterbatterie beim Anlassen des Dieselmotors helfen.
Ein Fall für Superkondensatoren: Die leistungsfähigen Energiespeicher können in Nutzfahrzeugen die Starterbatterie beim Anlassen des Dieselmotors helfen.
(Bild: fotolia, Jan Reichel)

Nutzer und Betreiber aller Arten von Fahrzeugen – von Kleinwagen wie Autos und Kleinlastwagen bis hin zu großen dieselbetriebenen Nutzfahrzeugen und Lokomotiven – haben ein Interesse an Technologien, mit denen sich die laufenden Kosten und die Umweltbelastung verringern lassen.

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Superkondensatoren verbessern dabei das Energiemanagement in einer Reihe von elektrischen Fahrzeugsystemen, z.B. beim Start, bei der Stopp-/Startfunktion von Verbrennungsmotoren sowie bei der Energiespeicherung und Energieerhöhung (Power Boost) in Antriebssträngen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Sie können neben einer Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Batterie betrieben werden und könnten in Zukunft sogar einen erheblichen Anteil der Lithium-Ionen-Batteriekapazität in Hybrid- und Elektrofahrzeugen übernehmen.

Superkondensatoren bieten zahlreiche Vorteile

Die Vorteile von Superkondensatoren im Vergleich zu Batterien sind die hohe Leistungsdichte, schnelles Laden, hervorragendes Verhalten bei niedrigen Temperaturen, eine hohe Zahl an Arbeitszyklen und eine längere Lebensdauer. Sie können zudem sicher im ungeladenen Zustand versendet werden, während der Versand von Batterien strengen Vorschriften unterliegt, z.B. denen der IATA (International Air Transport Association) oder der IMO (International Maritime Organization), was den Transport von Lithium-Batterien betrifft.

Solche Regelungen basieren auf Vorgaben der Vereinten Nationen (UN) über den Transport gefährlicher Güter. Hinzu kommt, dass die Zellenspannung von Superkondensatoren von der Bauteilchemie unabhängig ist. Entwickler erhalten damit mehr Freiheit bei der Festlegung der Zellenspannung entsprechend den Anforderungen der Anwendung. Andererseits bedeuten eine höhere Selbstentladung und eine geringere Energiedichte, dass Superkondensatoren eher in Kombination mit Batterien anstatt eigenständig genutzt werden.

Aufbau und Eigenschaften von Superkondensatoren

Superkondensatoren werden auch als Doppelschichtkondensatoren bezeichnet. Ihr Aufbau weist zwei Kohlenstoffelektroden auf jeder Seite eines Zellulose-Separators auf, der mit einem Elektrolyt imprägniert ist. Liegt eine Ladespannung an, wandern Ionen im Elektrolyt zu den Elektroden mit entgegengesetzter Polarität, was zwei getrennte geladene Schichten erzeugt (Bild 1).

Dieser Vorgang ist ähnlich zu dem, was in einer Batterie geschieht, nur dass das Ergebnis auf einem elektrostatischen anstatt chemischen Effekt basiert. Die Reaktion ist damit umkehrbar, wodurch ein Superkondensator eine sehr lange Lebensdauer bietet. Die Zellenspannung ist unabhängig von der verwendeten Chemie. Obwohl die Energiedichte geringer als bei einer Batterie ist (<15 Wh/kg) bieten Superkondensatoren eine sehr hohe Leistungsdichte von ca. 4000 W/kg.

Superkondensatoren können mit Kapazitäten von Tausenden von Farad gefertigt werden. Die Kapazität ergibt sich durch folgende Gleichung:

C = ε0.K.A/d

Dabei ist A die Fläche der Kohlenstoffelektrode und d die Dicke der inneren Helmholtz-Schicht, die sich am nächsten zur Elektrode befindet (Bild 2).

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