Wartungsfreie Energiespeicher Unterbrechungsfreie Stromversorgung mit Supercaps

Funktion der Supercaps mit DC-USV-Lösungen.

Doppelschicht-Kondensatoren lassen sich auch für sichere Stromversorgungen mit 12 V oder 24 V einsetzen. Doch wie funktionieren DC-USV-Lösungen mit Supercaps in der Praxis? Unter welchen Rahmenbedingungen lassen sich die Kondensatoren in DC-USV-Lösungen sinnvoll und wirtschaftlich einsetzen?

Kurzzeitige Stromausfälle, Flicker, Schwankungen oder Spannungseinbrüche der 12-V- oder 24-V-DC-Stromversorgung können für sensible Systeme und Anlagen schnell zum Problem werden. Unabhängig davon, in welchem Anwendungsbereich sich die Applikation befindet – IIoT/Industrie 4.0, Medizintechnik, Kiosk/POS/POI, Transportation, Energie oder Telekommunikation – gilt es, Fehlfunktionen oder Systemausfälle unbedingt zu vermeiden.

In der Regel gewährleisten in derartigen Situationen unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) den zuverlässigen Betrieb von kritischen oder gar lebenserhaltenden Systemen. Beispielsweise wäre es in der robotisch-assistierten Chirurgie während einer laufenden Operation fatal, würden die Instrumente an den Enden der motorgesteuerten Roboterarme aufgrund eines Stromausfalles – sei er auch noch so kurz – dem Patienten Verletzungen zufügen.

Aber auch bei vollautomatischen Analysegeräten, Steuereinheiten, Self-Service-Terminals, Gateways, Safety-Systemen u.v.m. muss sichergestellt sein, dass Aktoren, Sensoren, Antriebe und Systemkomponenten eine definierte Grund- oder Notfallposition einnehmen bzw. der Operator die Kontrolle über das System behält. Meist kommt hierfür eine batteriegestützte USV zum Einsatz, die jedoch nicht wartungsfrei ist, sondern turnusgemäß den Austausch alternder Batteriepacks erfordert und somit im Ernstfall ein Sicherheitsrisiko darstellen kann.

Dieses Risiko beruht hauptsächlich auf der Tatsache, dass eine klassische Batterie (Blei oder Li-Ionen) jederzeit ausfallen kann, obwohl die Akkukapazitätsanzeige Restenergie indiziert. Erst wenn die Batterie belastet wird, bricht die Spannung ein. Vielleicht haben Sie auch schon einmal die Erfahrung mit ihrem Mobiltelefon oder Auto gemacht, dass ohne Vorwarnung die Batterie ausfällt: Die Akkustand-Anzeige im Mobiltelefon fällt innerhalb weniger Minuten von 80 % auf 10 % oder das Fahrzeug lässt sich plötzlich nicht mehr starten.

Als alternativer Energiespeicher bieten sich Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC, Electric Double-Layer Capacitor) an, auch bekannt als Ultrakondensatoren oder SuperCaps. Im Gegensatz zu Batterien, die Energie über den Umweg einer chemischen Reaktion speichern, basieren SuperCaps auf elek¬trophysikalischen Prinzipien und sind innerhalb kürzester Zeit geladen und einsatzbereit, arbeiten in einem weiten Temperaturbereich (-40 °C bis +85 °C) und überzeugen mit einer hohen Strombelastbarkeit, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit.

Aufgrund der hohen Zyklenfestigkeit (>500.000 Be- und Entladezyklen) weisen DC-USV-Systeme mit Doppelschicht-Kondensatoren eine besonders lange Lebensdauer und einen weiten Betriebs¬temperaturbereich auf. Für das versorgte Gesamtsystem bedeutet das eine Erhöhung der langjährigen Verfügbarkeit bei gleichzeitiger Minimierung des Wartungsaufwandes.

Auch nach dem Erreichen des EOL (End of Life) ist ein Doppelschicht-Kondensator nicht defekt, sondern weist lediglich eine vordefinierte Minderung der Kapazität und einen höheren Ersatzserienwiderstand auf.

Doppelschicht-Kondensatoren als hocheffiziente Energiespeicher

Prinzipiell bestehen Kondensatoren aus zwei Elektrodenflächen, die sich in geringem Abstand gegenüberstehen und einem Dielektrikum als nicht leitende Isolationsschicht dazwischen. Schließt man die Elektroden an eine Spannungsquelle an, so werden diese – vereinfacht beschrieben – gegenpolig aufgeladen und erzeugen aufgrund des elektrischen Potenzials zwischen den beiden Elektrodenflächen ein elektrisches Feld.

Sind beide Elektrodenflächen vollständig positiv bzw. negativ geladen, kommt der Stromfluss zum Erliegen, das heißt der Kondensator ist geladen und speichert die elektrische Energie. Diese kann durch den Anschluss eines Verbraucherstromkreises wieder entnommen werden. Die Speicherkapazität oder kurz Kapazität C eines Kondensators hängt hierbei wesentlich von der Oberflächengröße A der Elektroden und ihrem Abstand d zueinander ab. Auch die Beschaffenheit des Dielektrikums fließt in Form der Dielektrizitätszahl ε in die Formel für die Kapazitätsberechnung eines Kondensators ein:

C space equals space epsilon A over d

Bei der Entwicklung von Doppelschicht-Kondensatoren bzw. Supercaps wurden diese Parameter an einigen Stellen entscheidend optimiert. So konnten im Vergleich zu Keramik-, Tantal- oder Elektrolytkondensatoren auf wesentlich kleinerem Raum hohe Kapazitäten (bis zu mehreren tausend Farad) realisiert werden:

Zum einen bestehen die Elektroden aus Aktivkohle, also reinem Kohlenstoff mit einer besonders großen Oberfläche von bis zu 1000 m²/g. Zum anderen wurde das Dielektrikum durch ein elektrisch leitendes Elektrolyt und einen ionen-durchlässigen Separator ersetzt.

Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Doppelschicht-Kondensators. Beim Ladevorgang wandern die negativen Anionen durch den Separator hindurch zur positiven Elektrode, die positiven Kationen bewegen sich zur negativen Elektrode. An den beiden Grenzschichten zwischen Kohlenstoff-Elektroden und Elektrolyt bilden sich die nur wenige Molekülschichten dünnen Helmholtz-Doppelschichten.

Durch den extrem kleinen Abstand entstehen elektrische Ladungsträger-Schichten mit besonders hoher Leistungsdichte, die sich wie zwei Kondensatoren gleicher Kapazität verhalten, die über den Elektrolyt in Reihe miteinander verbunden sind. Die Kombination aus großer Elektrodenfläche und minimalen Abständen an den Grenzschichten macht den Doppelschicht-Kondensator letztlich zu einem Kapazitätsriesen mit kompakten Abmessungen.