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Energiespeicher der nächsten Generation: Superkondensatoren

Abhängig von der sich entwickelnden Technologie und der Zunahme der Nutzungsbereiche der Technologie gewinnt der Bedarf an elektrischer Energiespeicherung von Tag zu Tag an Bedeutung. Während Energiespeicherstudien in der wissenschaftlichen Welt mit voller Geschwindigkeit fortgesetzt werden, besteht der Zweck dieser Studien darin, Energie einfacher und schneller zu speichern, mehr Kapazität zu speichern und die gespeicherte Energie für eine lange Zeit zu nutzen. Gleichzeitig ist die Langlebigkeit der Einheiten, in denen Energie gespeichert wird, eines der wichtigsten untersuchten Themen. Superkondensatoren werden unter Berücksichtigung all dieser Zwecke hergestellt.

Superkondensatoren
Superkondensator, auch Zweischicht- oder Ultrakondensator genannt; Es unterscheidet sich stark von normalen Kondensatoren, da es eine sehr hohe Kapazität hat. Kondensatoren speichern Energie durch eine statische Ladung als Reaktion auf eine elektrochemische Reaktion. Durch Anlegen einer Spannung an die positiven und negativen Platten wird der Kondensator aufgeladen. Kondensatoren werden entsprechend ihrer Energiespeicher in drei Typen unterteilt. Die ersten davon sind elektrostatische Kondensatoren mit einer trockenen Trennschicht an der Basis. Dieser klassische Kondensator hat eine sehr geringe Kapazität und wird hauptsächlich zum Einstellen von Radiofrequenzen und zum Filtern verwendet. Die Energiespeichergrößen reichen von einigen Picofarad (pf) bis zu mehreren Mikrofarad (uF). Die zweite Gruppe umfasst Elektrolytkondensatoren. Elektrolytkondensatoren bieten eine höhere Kapazität als elektrostatische Kondensatoren und können Energie bis zu einem Mikrofarad-Wert (uF) speichern, der millionenfach höher ist als ein Picofarad. Diese Kondensatoren verwenden eine feuchte Trennschicht und werden zum Filtern, Puffern und Signalbinden verwendet. Die dritte Gruppe ist; Sie sind Superkondensatoren, die Energie in Farad-Grad speichern können. Der Superkondensator wird zur Energiespeicherung verwendet, die mit hohen Strömen und kurzen und häufigen Perioden in Lade- und Entladezyklen eintritt.
Farad ist eine Kapazitätseinheit, die nach dem britischen Physiker Michael Faraday benannt ist. Ein Farad speichert ein Coulomb elektrischer Energie, wenn ein Volt angelegt wird. Ein Mikrofarad ist eine Million Mal kleiner als ein Farad, und ein Picofarad ist wiederum eine Million Mal kleiner als ein Mikrofarad.

Energiespeicher der nächsten Generation: SuperkondensatorenEigenschaften von Superkondensatoren
Alle Kondensatoren haben Spannungsgrenzen. Während der elektrostatische Kondensator gegen Hochspannung beständig gemacht werden kann, ist der Superkondensator auf 2,5 bis 2,7 Volt begrenzt. Spannungen von 2,8 Volt und höher sind möglich, aber die Lebensdauer des Kondensators wird verkürzt. Mehrere Superkondensatoren sind in Reihe geschaltet, um eine höhere Spannung zu erhalten. Eine serielle Verbindung verringert die Gesamtkapazität und erhöht den Innenwiderstand. Drähte, die aus mehr als drei Kondensatoren bestehen, erfordern eine Spannungsstabilisierung, um zu verhindern, dass Zellen in eine Überspannung eintreten. Eine ähnliche Schutzschaltung wird in Lithium-Ionen-Batterien verwendet.
Die spezifische Energie des Superkondensators reicht von 1 Wh / kg bis 30 Wh / kg, 10- bis 50-mal weniger als bei Li-Ionen-Batterien. Da elektrochemische Batterien eine verwendbare konstante Spannung erzeugen, nimmt die Spannung des Superkondensators linear ab. Wenn sich die Superkondensatoren im Ladezustand befinden, steigt die Spannung linear an, und wenn der Kondensator voll ist, benötigen sie keine vollständige Ladungserfassungsschaltung und der aufgenommene Strom wird vollständig zurückgesetzt. Im Entladezustand fällt die Spannung linear ab.
Die Ladezeit eines Superkondensators beträgt 1-10 Sekunden. Die Ladeeigenschaft ähnelt der einer elektrochemischen Batterie, und der Ladestrom wird weitgehend durch die Strombelastbarkeit des Ladegeräts begrenzt. Das anfängliche Aufladen kann sehr schnell erfolgen und das maximale Aufladen dauert länger. Es gibt kein Problem beim Überladen des Superkondensators. Daher ist keine vollständige Ladungserfassungsschaltung erforderlich, und der Strom wird zurückgesetzt, wenn der Ladevorgang beendet ist. Superkondensatoren können nahezu unbegrenzt geladen und entladen werden. Im Gegensatz zu einer elektrochemischen Batterie mit einer Lebensdauer haben Superkondensatoren aufgrund der Langzeitanwendung nur einen geringen Verschleiß. Wenn höhere Spannungen als angegeben angelegt werden, verkürzt sich die Lebensdauer. Superkondensatoren arbeiten stabil in heißen und kalten Umgebungen. Batterien driften jedoch weit vom stationären Zustand in derselben Umgebung ab.

Energiespeicher der nächsten Generation: SuperkondensatorenEinsatzbereiche von Superkondensatoren
Wenn eine schnelle Ladung erforderlich ist, um einen kurzfristigen Strombedarf zu decken, ist die Verwendung von Superkondensatoren ideal. Batterien werden ausgewählt, um langfristige Energie zu liefern. Die Kombination der beiden mit einer Hybridbatterie erfüllt beide Anforderungen, was eine längere Lebensdauer bedeutet. Solche Batterien sind heute in Blei-Säure-Batterien erhältlich.
Die Verwendung von Superkondensatoren ist am effektivsten, um Leistungslücken von einigen Sekunden auf einige Minuten zu verlängern. Diese Art der Anwendung wird bei LIRR verwendet, einer der verkehrsreichsten Eisenbahnen Nordamerikas. Um einen Spannungsabfall während der Beschleunigung eines Zuges zu vermeiden und den Spitzenstromverbrauch zu verringern, wird in New York eine 2-MW-Superkondensatorbank gegen Schwungräder getestet, die 2,5 MW Leistung liefern. Beide Systeme müssen 30 Sekunden lang Dauerleistung bei der jeweiligen MW-Leistung liefern und gleichzeitig vollständig aufgeladen sein. Das Testen beider Systeme sollte mindestens 20 Jahre dauern.

Energiespeicher der nächsten Generation: SuperkondensatorenDie Behörden halten die Schwungräder für robuster und energieeffizienter als diese Anwendung.
Große Superkondensatoren werden auch in Japan verwendet. 4-MW-Systeme werden in Gewerbegebäuden eingesetzt, um den Netzverbrauch zu senken und das Laden in Spitzenlastzeiten zu erleichtern. Ein weiterer Anwendungsbereich besteht darin, Backup-Generatoren bei Stromausfällen zu starten und Strom bereitzustellen, bis der Strom zurückkehrt.
Mit der Entwicklung von Superkondensatoren werden auch deren Einsatzbereiche diversifiziert. Ziele wie der Einsatz von Elektroautos in Stromversorgungen und der Einsatz von Mobiltelefonen in Batterien sind heute ein Zeichen dafür, dass Superkondensatoren in Zukunft in vielen Bereichen eingesetzt werden können.

Verweise:
http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor

Autor:Burak Yildirim

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