Zoom

Profiwissen Elektroantrieb: Die Funktionsweise von Superkondensatoren

Elektrische Antriebe brauchen Strom und somit leistungsfähige Speichersysteme. Erfolg versprechend ist dabei nicht nur die Lithium-Ionen-Batterie sondern auch ihr kleiner Bruder, der Superkondensator.

Superkondensatoren kommen als Energiespeicher für Hybrid-Busse aber auch für leichte und mittelschwere Hybrid- oder Elektro-Lkw in Frage. Ihr entscheidender Vorteil gegenüber selbst den potentesten Batteriesystemen, liegt in der Schnelligkeit, mit der sie Strom speichern und wieder abgeben können. Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, wie sie die Massenfertigung anbietet, zeichnen sich durch hohe Leistungsdichte und extrem große Zyklenstabilität aus. Mehr als eine Million Lade- und Entladevorgänge sind in der Regel kein Problem. Ihre Energiedichte kann allerdings mit der von Batterien nicht konkurrieren. Superkondensatoren sind somit prädestiniert für die kurzzeitige Zwischenspeicherung von Energie.

Die Zeitspanne, in der Superkondensatoren sinnvoll arbeiten, liegt zwischen Sekundenbruchteilen und Minuten. Ihre Geschichte geht auf ein Patent von General Electrics (GE)von 1957 zurück. Als Speichermedium dienten Elektroden aus porösem Grafit, getränkt in einem Elektrolyt. Die Ionen des Elektrolyten dockten beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden an. Wurde die Spannungsquelle getrennt, konnten sich die Ionen wieder sehr rasch ablösen. GE schuf damit einen Speicher, der in seiner Schnelligkeit Batterien haushoch überlegen war.

Der Startschuss für Superkondensatoren fiel 1971

Die  kommerzielle Anwendung begann allerdings erst 1971, als die japanische  Nippon Electric Company (NEC) unter dem Markennamen Supercapacitor, kurz Supercap, mit der Serienproduktion begann. Inzwischen bestehen die Elektroden nicht mehr aus Grafit. Drei Werkstoffe kommen hauptsächlich zum Einsatz: Aktivkohleplatten, Metalloxide und leitfähiges Polymer. Kohlenstoff-Kondensatoren, beispielsweise, stellen mit ihrer porösen Struktur eine riesige Kontaktfläche zur Verfügung. In einem Gramm Gewicht lässt sich mit der verästelten Porenstruktur locker die Fläche eines Fußballfelds unterbringen. Die Elektrolyt-gefüllten Nanoporen bilden dabei ein komplexes Netzwerk. Forscher testen inzwischen aber ebenso Verbundwerkstoffe verschiedener Herkunft mit Porengrößen unterhalb von einem Nanometer.

Als Elektrolyt dienen entweder wasserlösliche Salze oder organische Substanzen, wobei letztere den Vorteil bieten, dass sie unter höheren Spannungen zu betreiben sind. Dies wiederum erhöht das Speichervermögen pro Gramm. Die Verschleißfestigkeit, mit der Superkondensatoren glänzen, geht auf den Umstand zurück, dass sie auf chemische Reaktionen verzichten. Am Elektrodenmaterial entsteht somit so gut wie kein Verschleiß. Eine Lebensdauer von 10 bis 20 Jahre im Fahrzeugeinsatz ist kein Problem. Die besten Batteriesysteme bringen es auf etwa zwei Jahre.

Im Antriebsstrang sind Supercaps nur Ergänzung

Im Fahrzeug finden sich Supercaps sowohl im Antriebstrang von Hybridfahrzeugen als auch im Bordnetz. Im Antriebstrang spielen sie meist als ergänzende Komponente zu Batterien oder Brennstoffzellen eine Rolle, die Spitzenleistungen abdeckt. Im Zusammenspiel mit einer Batterie führt das dazu, dass der Akku entweder wesentlich länger lebt oder, dass die Batterie verkleinert werden kann. Bei der Frage, ob und in welcher Dimension sich die Verwendung von Superkondensatoren lohnt, ist zwischen Kosten, Gewicht, Volumen und Anforderungen abzuwägen.

Im Antriebsstrang verrichten Superkondensatoren ihre Dienste zusammen mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor. Ihr Metier ist dabei die Beschleunigungsunterstützung und die Speicherung zurückgewonnener Bremsenergie. Insbesondere im Auslieferungsbetrieb mit häufigen Start-Stopp-Sequenzen tragen Superkondensatoren zu Kraftstoffeinsparungen von bis zu 30 Prozent bei. Im Bordnetz von Fahrzeugen könnten sie sich auch noch aus einem weiteren Grund bezahlt machen. Da sich im 12-Volt-Bordnetz mit Supercaps höhere Spitzenleistungen bei gleichbleibender Durchschnittsleistung abfangen lassen, könnten sie dazu beitragen, den Sprung von einer Architektur mit 12 Volt auf ein 42-Volt-Bordnetz hinaus zu zögern.

Ebenso  interessant ist ihr Einsatz in  sicherheitsrelevanten Anwendungen. Fällt das Bordnetz aus, stellen Superkondensatoren die für Sicherheits-Schaltfunktionen nötige elektrische Leistung bereit. Bei Drive-by-wire oder Steer-by-wire übernehmen sie dann die Versorgung von Back-up-Systemen. Hinzu kommt eine weitere Aufgabe, bei der es ebenfalls extrem schnell gehen muss: Bei Brake-by-wire-Konzepten versorgen sie das Notschaltsystem.

Andreas Wolf lastauto omnibus

Autor

Foto

MAN

Datum

9. August 2011
5 4 3 2 1 0 5 0
Kommentare
Unsere Experten
Harry Binhammer, Rechtsanwalt und Fachanwalt für Arbeitsrecht Harry Binhammer Arbeitsrecht
Ich bin Rechtsanwalt und Fachanwalt für Arbeitsrecht. Ich vertrete Arbeitnehmer und Arbeitgeber… Profil anzeigen Frage stellen
Experte für Flottenmanagement und angewandte Mobilitätsangebote Rolf Lübke Flottenmanagement und Mobilitätsangebote
Leitung von großen Fuhrparks und der Tätigkeiten rund um den Fuhrpark Profil anzeigen Frage stellen
Aktuelle Fragen
Kostenloser Newsletter
Newsletter Small

+++ Tests +++
+++ News +++

Und immer bequem und kostenlos per E-Mail.