Unterbrechungsfreie Stromversorgung Batterie oder Ultrakondensator?

Bild 1: Puffermodule der Baureihe MB Cap Ultra von Murrelektronik
Bild 1: Puffermodule der Baureihe MB Cap Ultra von Murrelektronik

Weil Netzspannungen schwanken und Stromausfälle nie auszuschließen sind, müssen Stromversorgungssysteme für Anwendungen in der Prozesstechnik konsequent abgesichert werden. Entscheider im Maschinen- und Anlagenbau stehen dabei zumeist vor der Fragestellung, ob sie derartige Lösungen mit Batterien oder mit Ultrakondensatoren realisieren.

Ein Beispiel aus der Praxis: Die Verantwortlichen für die Produktionsstätte eines deutschen Automobilkonzerns haben die Qualität ihres Stromversorgungsnetzes überprüft. Ihnen ist sehr daran gelegen, Maschinenstillstände zu vermeiden, da die Verfügbarkeit der Produktion maßgebend für die Wertschöpfung ist und bereits kurzzeitige Ausfälle messbare, negative Auswirkungen haben. Sie stellten fest, dass kurzzeitige Netzausfälle von bis zu 180 ms keine Ausnahme sind.

Die Gespräche mit dem Netzbetreiber ergaben, dass dieser ein stabileres Netz nicht zusagen konnte. Das unterstreicht, wie notwendig es ist, industrielle Prozesse abzusichern. Dabei rücken zwei Dimensionen in den Vordergrund. Zum einen geht es darum, Maschinen und Anlagen so zu gestalten, dass ihr Betrieb durch kurzzeitige Spannungsunterbrechungen nicht unvorhergesehen unterbrochen wird.

Zum anderen wird ein geordnetes und vollständiges Herunterfahren aller Funktionen im Falle eines möglicherweise länger anhaltenden Stromausfalles angestrebt (Bild 2): Computer und Steuerungen sollen ordnungsgemäß heruntergefahren, Teilprozesse abgeschlossen und Maschinen in Parkpositionen gebracht werden. Damit wird verhindert, dass Daten verloren gehen oder Maschinen und Werkstücke durch abrupt unterbrochene Fertigungsprozesse beschädigt werden.

Vergleich Akku vs. Ultrakondensator

Visionäre erwarten für diese Anwendungen langfristig den Einsatz von Brennstoffzellen. Aktuell sind zwei andere Ansätze das Mittel der Wahl: die Sicherstellung einer konstanten Stromversorgung durch Batterien oder durch Ultrakondensatoren. Die Lebensdauer von Batterien und von Ultrakondensatoren ist gleichermaßen davon abhängig, in welcher Umgebungstemperatur sie betrieben werden. Höhere Temperaturen reduzieren die Lebensdauer.

Statistische Auswertungen haben ergeben, dass die Lebensdauer von Ultrakondensatoren die von Batterien unter vergleichbaren Bedingungen in etwa um das Sechsfache übertrifft. So darf bei einer beispielhaft angenommenen Temperatur von +20 °C bei Ultrakondensatoren von einer Lebensdauer von 60 Jahren ausgegangen werden, bei Batterien jedoch nur von 15 Jahren. Da Kondensatoren über den gesamten Zeitraum wartungsfrei arbeiten, entstehen hier nahezu keine Betriebs- und Folgekosten.

Bei Batterien hat sich in Anwendungen hingegen gezeigt, dass ungeachtet der durchschnittlichen Lebensdauer aufgrund von Defekten nicht selten auch schon zu frühen Zeitpunkten ein bestimmter Prozentsatz ausgetauscht werden muss. Als zusätzliche Schwierigkeit erweist sich, dass solche Defekte unvorhersehbar sind. Darum müssen Batterielösungen regelmäßig gewartet und geprüft werden. In raumgreifenden Anlagen der Prozesstechnik kann dies mit langen Wegen und hohem Zeitaufwand verbunden sein.

Batterien verfügen im Vergleich zu Ultrakondensatoren über eine höhere Energiedichte. Allerdings können sie, da sich ihre Wirkungsweise als Folge einer chemischen Reaktion entfaltet, nur in einem beschränkten Temperaturbereich ihre optimale Leistung abgeben. Bereits bei Temperaturen von weniger als +20 °C tritt ein vergleichsweise rapider Leistungsabfall auf. Sinken die Temperaturen sogar auf -20 °C, ist mit Batterien kaum noch eine Pufferung möglich. Um in solchen Umgebungen die Sicherheit der Stromversorgung gewährleisten zu können, müsste der Schaltschrank beheizt werden eine aufwändige und kaum praktikable Lösung.

Ultrakondensatoren im Vorteil

Ultrakondensatoren weisen hier Vorteile auf: Die verfügbare Leis-tung, die im Bedarfsfall zur Aufrechterhaltung der Spannungsversorgung abgerufen werden kann, ist unabhängig von der Umgebungstemperatur konstant. Im Gegensatz zu wiederaufladbaren Batterien (Akkumulatoren) verfügen Ultrakondensatoren auch nach beliebigen Ladezyklen noch über maximale Speicherfähigkeit. Bei Akkus ist diese nach rund 1000 bis 1200 Ladevorgängen erheblich beeinträchtigt.

Mit den Puffermodulen der Baureihe »MB Cap Ultra« bietet Murr-elektronik eine Lösung für die Überbrückung von Netzausfällen und zur Vermeidung von Schäden durch Stromausfälle an, die sich die Vorteile der Ultrakondensatoren zu Nutze macht (Bild 1). Diese Schaltschrankkomponenten dienen als Energiespeicher und sichern industrielle Prozesse zuverlässig und wartungsfrei ab. In  Abhängigkeit  von der Auslastung können mit diesen Puffermodulen Ausfälle von 38s (10A) bis zu mehr als sechs Minuten (bei 1A) überbrückt werden.

Die Module der Baureihe MB Cap Ultra eignen sich nicht nur bei der Neukonzeption von Stromversorgungen, sondern sie lassen sich auch mit geringem Aufwand in bestehende Systeme integrieren. Sie sind mit Meldekontakten oder mit einer USB-Schnittstelle ausgestattet, wodurch eine zielgerichtete Kommunikation mit der Steuerungseinheit der Maschine und Anlage möglich ist.

Murrelektronik hält zur Konfiguration der Puffermodule eine geeignete Softwarelösung bereit. MB Cap Ultra gibt es für unterschiedliche Anwendungsbereiche in Varianten von 3 A bis 20 A und für eine Eingangsspannung von 12 V bis 24 V. Für flexible Lösungen stehen vier Module zur Verfügung: Das »MB Cap Ultra 10/24 38s« sowie das »MB Cap Ultra 10/24 7s« mit einem hierzu kompatiblen Erweiterungsmodul. So kann beispielsweise die Pufferzeit erhöht werden, indem mehrere Erweiterungsmodule verkettet oder die kritischsten Verbraucher selektiv abgesichert werden. Neu im Programm ist nun das »MB Cap Ultra 20/24« das Ausfallzeiten von 16 s bei 20 A überbrückt.

Geschichte des Ultrakondensators
Der erste Kondensator mit einer Doppelschicht an porösen Kohlenstoffelektroden wurde 1957 durch General Electric patentiert. Während der genaue Mechanismus zu diesem Zeitpunkt noch nicht klar war, wurde vermutet, dass die Energie in Poren der Kohlenstoffelektrode gespeichert wurde, welche eine »exceptionally high capacitance« aufweisen. Wenig später, 1966, patentierte Standard Oil of Ohio (SOHIO) ein Bauelement, das Energie in einer Doppelschicht speicherte. Aufgrund geringer Verkaufszahlen gab SOHIO 1971 das Produkt auf und lizenzierte die Technik an NEC, welche die Doppelschichtkondensatoren unter dem Namen »Supercapacitor« erfolgreich vermarkteten. Panasonic brachte 1978 den »Gold Cap«, der nach dem gleichen Prinzip arbeitete, auf den Markt. Diesen Produkten gemeinsam war ein relativ hoher Innenwiderstand, der die Leistungsentnahme beschränkte, sodass sie nur als Pufferbatterie für NV-SRAM zum Datenerhalt o. ä. eingesetzt wurden. Der erste Doppelschichtkondensator mit niedrigem Innenwiderstand für Leistungsapplikationen wurde von PRI 1982 entwickelt und unter dem Namen »PRI Ultracapacitor« am Markt etabliert. Mittlerweile gibt es eine ganze Reihe von anderen Herstellern.
Quelle: Wikipedia

Der Autor, Janko Strauss, ist Produktmanager Power Supply bei Murrelektronik