Seit vielen Jahren wird, um die Verringerung des Schadstoffausstoßes und Senkung des Kraftstoffverbrauchs zu erzielen, nach neuen, möglichst umweltfreundlichen Antrieben als Alternative zum Verbrennungsmotor gesucht. Angesichts des hohen Wirkungsgrades von Elektromotoren bei der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie haben sich Elektrofahrzeuge als erfolgreicher Aspekt gezeigt.
Alle Fahrzeuge erfordern hohe Leistungen zum Beschleunigen, ob sie nun mit Elektromotoren in Kombination mit Batterien bzw. Brennstoffzellen oder mit einem Hybridantrieb betrieben werden, wie zum Beispiel der Toyota Prius. Für die Verminderung des Verbrauchs und die Erhöhung der Reichweite dieser Fahrzeuge ist außerdem eine Wiedergewinnung der Bremsenergie (Rekuperation) durch dynamische Bremsen von Bedeutung. Die Wiedergewinnung der kinetischen Energie beim Bremsen (regeneratives Bremsen) benötigt einen Energiespeicher, der schnell geladen werden kann und diese Energie später für andere Zwecke wieder zur Verfügung stellt.
Die klassischen Stromspeicher, Akkumulatoren (Bleiakku, Nickel-Cadmium (NiCd)-, Nickel-Metallhydrid (NiMeH)- oder auch Lithium-Ionen-Batterien), besitzen zwar eine hohe Energiedichte, können aber nur eine begrenzte Leistung abgeben. Jedoch werden bei vielen Einsätzen kurze Leistungsspitzen benötigt. Diese können mit Batterien nur erzielt werden, wenn man sehr große Batterien verwendet. Dazu wird dann sehr viel Energie verschwendet und die Lebensdauer der Batterien verkürzt. Da die heutigen Batterien allerdings noch nicht in der Lage sind, sich schnell wieder aufzuladen, zum Beispiel für den Fall der Bremsenergiespeicherung, bei dem in kurzer Zeit viel Energie aufgenommen werden müsste, nur sehr bedingt geeignet sind.
Ein möglicher Kandidat für diese schnell wieder aufladbaren Energiespeicher sind Doppelschichtkondensatoren (DSK), auch UltraCaps oder SuperCaps genannt. Die elektrochemischen Kondensatoren stellen Speicher für elektrische Energie mit hohen Leistungsdichten dar, die in der Industrie häufig als Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren bezeichnet werden.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Kondensatoren
2.1 Grundlagen und Definitionen
2.2 Kondensatortypen
3. Grundlegende Technologie von Superkondensatoren
3.1 Entwicklungsgeschichten
3.2 Klassifikationen von Energiespeichern
3.3 Aufbauweise und Funktionsprinzip von DSK
3.3.1 Die elektrochemische Doppelschicht
3.3.1.1 Das Helmholtz-Modell
3.3.1.2 Das Modell von Gouy-Chapman
3.3.1.3 Das Modell von Stern
3.3.2 Pseudokondensatoren/Pseudokapazität
3.3.3 Hybridkondensatoren
3.3.3.1 Aufbau
3.3.3.2 Elektrische Eigenschaften
3.3.3.3 Frequenzverhalten
3.3.3.4 Anwendungen
3.3.3.5 Langzeitverhalten
3.4 Materialien
3.4.1 Stromableiter
3.4.2 Separator
3.4.3 Elektrolyt
3.4.4 Elektrodenmaterial
3.4.5 Zusammenfassung der DSK-Komponenten
3.5 Typische Eigenschaften von Doppelschichtkondensatoren
3.5.1 Spannungsgrenzen und Lebensdauergrenzende Faktoren
3.5.2 Elektrisches Verhalten
3.5.2.1 Verschiedene Konzepte zur Spannungssymmetrierung von Superkondensatorzellen
3.6 Vergleichen des DSK mit Akkumulator und Elektrolytkondensator
4. Einsatzgebiete von Superkondensatoren
4.1 Anwendungen in Fahrzeugen
4.1.1 Leistungsunterstützung
4.1.2 Rekuperation und Verbrauch
4.1.3 Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor
4.1.4 Brennstoffzellenfahrzeuge
4.1.5 Energiespeicher in Schienenfahrzeugen
4.2 Unterbrechungsfreie Stromversorgung USV
4.3 Superkondensatoren in Windkraftanlagen
4.4 Märkte und Anwendungen für Superkondensatoren
5. Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht den aktuellen Stand der Technik sowie die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von Superkondensatoren (Doppelschichtkondensatoren) als leistungsstarke Energiespeicher. Ziel ist es, deren technologische Funktionsweise, Materialeigenschaften und deren Einsatzgebiete in der modernen Elektrotechnik, insbesondere im Automobilsektor und in der Energiewirtschaft, fundiert darzulegen.
- Technologische Grundlagen und Funktionsprinzipien elektrochemischer Kondensatoren.
- Vergleich von Doppelschichtkondensatoren mit Akkumulatoren und Elektrolytkondensatoren.
- Analyse von Einsatzgebieten wie Fahrzeugantrieben, USV-Anlagen und Windkraftanlagen.
- Untersuchung von Spannungssymmetrierung und Lebensdauerfaktoren in Kondensator-Modulen.
Auszug aus dem Buch
3.3.1.2 Das Modell von Gouy-Chapman
Das Gouy-Chapman-Modell berücksichtigt, dass aufgrund der thermischen Bewegung der Lösungsmittelmoleküle und der Ionen sich vielmehr eine statistische Verteilung der Gegenionen einstellen wird. Es behandelt also die elektrische Doppelschicht als eine Atmosphäre aus entgegengesetzt geladenen Ionen. In diesem Modell bewegen sich die Ionen relativ frei und sind nicht starr angeordnet.
Die starre Schicht (Helmholtzschicht) auf der fluiden Seite der Phasengrenze wird durch eine diffuse Schicht ersetzt (s. Abb.11a). Deshalb wird dieses Modell auch als Modell der diffusen Doppelschicht genannt. Zum anderen wurden die Potential- und Konzentrationsabhängigkeit in dem Helmholtz-Modell nicht berücksichtigt, was aber im Gouy-Chapman-Modell diskutiert wurde und gezeigt hat, dass der Potentialabfall nicht durchgehend linear ist. Das Potential nimmt nach einer Boltzmannverteilung vom Metallpotential zum Lösungspotential ab. In Abhängigkeit vom Elektrodenabstand erfolgt die Potentialänderung exponentiell. Die Verteilung der Ionen vor der Elektrode sowie die Potentialabhängigkeit der flächenspezifischen Kapazität werden in Abbildung 11 musterhaft gezeigt. In verdünnten Elektrolyten nahe dem Potential, bei dem sich keine Überschussladungen auf der Elektrode befinden (Nullladungspotential U N), ergibt die Berechnung eine „parabelförmige“ Abhängigkeit der Kapazität vom Potential.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die historische Entwicklung der Energiespeicherung und die steigende Notwendigkeit für leistungsdichte Energiespeicher in der modernen Technik.
2. Kondensatoren: Erläutert die grundlegenden physikalischen Definitionen von Kapazität und Energie sowie die klassische Typisierung von Kondensatoren.
3. Grundlegende Technologie von Superkondensatoren: Detaillierte Analyse der Doppelschicht-Technologie, inklusive der theoretischen Modelle (Helmholtz, Gouy-Chapman, Stern) und Materialwissenschaften.
4. Einsatzgebiete von Superkondensatoren: Beleuchtet praktische Anwendungsbeispiele in der Automobilindustrie, bei Schienenfahrzeugen, USV-Systemen und Windkraftanlagen.
5. Zusammenfassung: Fasst die technologischen Vorteile der Superkondensatoren sowie die zukünftigen Potenziale zur weiteren Kostenreduktion zusammen.
Schlüsselwörter
Doppelschichtkondensator, DSK, Superkondensator, UltraCap, Energiedichte, Leistungsdichte, Helmholtz-Modell, Pseudokapazität, Hybridkondensator, Elektrolyt, Aktivkohle, Bordnetzstabilisierung, Rekuperation, Energiespeicherung, Ladungstransport.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Technologie und den Anwendungsmöglichkeiten von Superkondensatoren, die elektrische Energie mit hohen Leistungsdichten speichern können.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Neben den physikalischen Grundlagen der elektrochemischen Doppelschicht werden Materialien, Aufbauweisen und spezifische Anwendungsbereiche wie Fahrzeuge und Windkraftanlagen analysiert.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist eine wissenschaftliche Einordnung des Doppelschichtkondensators zwischen konventionellen Kondensatoren und Batterien hinsichtlich seiner Leistungs- und Energiedichte.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer tiefgehenden Literaturanalyse und technologischen Auswertung von Wirkungsweisen, Ersatzschaltbildern und Marktdaten.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil liegt der Fokus auf der technologischen Differenzierung zwischen reinen Doppelschichtkondensatoren, Pseudokondensatoren und Hybridkondensatoren sowie deren Einsatz in industriellen Systemen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind insbesondere Doppelschichtkondensator, Energiedichte, Leistungsdichte, Rekuperation und elektrochemische Speicherung.
Wie unterscheiden sich Doppelschichtkondensatoren von Batterien?
Im Gegensatz zu Batterien speichern Doppelschichtkondensatoren Energie vorwiegend physikalisch (elektrostatisch) und nicht chemisch, was eine sehr schnelle Ladung und Entladung sowie eine hohe Zyklenzahl ermöglicht.
Warum ist die Spannungssymmetrierung bei Superkondensatoren so wichtig?
Da einzelne Zellen nur eine geringe Zellspannung vertragen, müssen sie in Serie geschaltet werden; ohne Symmetrierung könnten einzelne Zellen durch Überladung zerstört werden.
Welche Rolle spielt die Temperatur für die Leistung eines Superkondensators?
Die Kapazität ist weitgehend temperaturunabhängig, jedoch steigt der Innenwiderstand bei Temperaturen unter 0 °C an, was die Hochstromfähigkeit bei Kälte leicht beeinflussen kann.
- Quote paper
- Mustapha Jammal (Author), 2009, Stand der Technik und Anwendung von Superkondensatoren, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/141763
