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Supercaps als effiziente USV-Energiespeicher mit vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten

#TechBlog

Supercaps in der DC-Notstromversorgung: Die zuverlässige Alternative zur Batterie bei kurzzeitigen Stromausfällen


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Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) mit zuverlässigen Energiespeichern sind unverzichtbar, um instabile Versorgungsnetze und kurzzeitige Stromausfälle zu überbrücken und sensible Geräte und Systeme zu schützen. Hierfür bieten sich besonders wartungsfreie Ultrakondensatoren an, auch bekannt als Supercaps oder Superkondensatoren. Diese arbeiten nach dem Prinzip des Doppelschicht-Kondensators (EDLC - Electric Double-Layer Capacitor) und weisen eine hohe Leistungsdichte auf. Je nach Last können sie Überbrückungszeiten bis in den Minutenbereich realisieren.

Im Gegensatz zu Batterien können Supercaps innerhalb kürzester Zeit vollständig geladen oder entladen werden. Das macht sie ideal für Systeme, die eine schnelle Reaktionszeit benötigen, wie zum Beispiel bei kurzzeitigen Stromausfällen oder Spannungsschwankungen. Darüber hinaus haben Supercaps eine längere Lebensdauer als herkömmliche Batterien, da sie keine chemischen Reaktionen nutzen und somit weniger anfällig für Verschleiß sind.



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1. Hocheffizienter und schnell ladender Energiespeicher

Supercaps funktionieren nach dem Prinzip des Doppelschicht-Kondensators (EDLC)

Supercaps können im Vergleich zu herkömmlichen Batterien schnell Energie aufnehmen und abgeben und haben eine längere Lebensdauer sowie mehr Ladezyklen. Zudem benötigen sie weniger Wartung und haben eine höhere Temperaturbeständigkeit, was sie ideal für Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen macht. Supercaps arbeiten nach dem Prinzip der Elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren (EDLC). Dabei werden Ionen an der Grenzfläche zwischen Elektroden und Elektrolyt gespeichert und entladen, um Energie zu speichern und abzugeben. Im Vergleich zu herkömmlichen Batterien haben Supercaps aufgrund dieses Prinzips eine sehr hohe Lade- und Entladeeffizienz und können eine große Anzahl von Ladezyklen durchlaufen, was ihre Langlebigkeit und Zuverlässigkeit als Energiespeicher erhöht.

Kapazitive Energiespeicher

Prinzipiell bestehen Kondensatoren aus zwei Elektrodenflächen, die sich in geringem Abstand gegenüberstehenden 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 Potentials zwischen den beiden Elektrodenflächen ein elektrisches Feld. Sind beide Elektrodenflächen vollständig positiv bzw. negativ geladen, kommt der Stromfluss zum erliegen, d.h. der Kondensator ist geladen und speichert die elektrische Energie, so dass die- se durch den Anschluss eines Verbraucherstromkreises wieder entnommen werden kann. Die Speicherkapazität oder kurz Kapazität C eines Kondensators hängt hierbei wesentlich von der Oberflächengröße der Elektroden und ihrem Abstand zueinander ab. Auch die Beschaffenheit des Dielektrikum fließt in Form der Dielektrizitätszahl in die Formel für die Kapazitätsberechnung eines Kondensators ein:

C [F] = ε • A / d C

C Kapazität / ε Dielektrizitätszahl / A Fläche / d Plattenabstand


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Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC) mit besonders hoher Leistungsdichte

Bei der Entwicklung von Doppelschicht-Kondensatoren bzw. Supercaps wurden diese Parameter an einigen Stellen entscheidend optimiert, so dass, im Vergleich zu Keramik-, Tantal- oder Elektrolytkondensatoren, auf wesentlich kleinerem Raum hohe Kapazitäten (bis zu mehreren tausend Farad) realisiert werden können: Zum einen bestehen die Elektroden aus Aktivkohle, also reinem Kohlenstoff mit einer besonders großen Oberfläche von bis zu 1000 Quadratmetern pro Gramm. Zum anderen wurde das Dielektrikum durch ein elektrisch leitendes Elektrolyt und einen ionen-durchlässigen Separator ersetzt. Die Abbildung 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, welche 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.

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2. Supercaps –  wartungsfrei und extrem langlebig

Langjährige Systemverfügbarkeit bei niedrigen Gesamtbetriebskosten (TCO)

Im Gegensatz zu Batterien, die Energie über den Umweg einer chemischen Reaktion speichern, basieren Supercaps auf elektrophysikalischen Prinzipien und sind innerhalb kürzester Zeit geladen und einsatzbereit, arbeiten in einem weiten Betriebstemperaturbereich (-40 bis +85°C) und überzeugen mit einer hohen Strombelastbarkeit, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit. Aufgrund der hohen Zyklenfestigkeit (>500.000 Be- und Entladezyklen) haben Energiespeicher mit Doppelschicht-Kondensatoren eine besonders lange Lebensdauer. Für die versorgte Applikation bedeutet dies eine Erhöhung der langjährigen Verfügbarkeit bei gleichzeitiger Minimierung des Wartungsaufwandes. Auch nach dem Erreichen der EOL (End of Life) ist ein Doppelschicht-Kondensator nicht defekt, sondern weist lediglich eine vordefinierte Minderung der Kapazität und einen höheren ESR (Ersatzserienwiderstand) auf.


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Optimale Zellspannung verlängert Supercap-Lebensdauer

Obgleich die Temperaturfestigkeit und Lebensdauer von Doppelschicht-Kondensatoren im Vergleich zu anderen Energiespeichern besonders hoch ist, verändert sich im Laufe der Lebenszeit deren Kapazität (C) und Innenwiderstand (ESR Equivalent Serial Resistor). Das Ende der Lebensdauer eines Supercaps ist erreicht, wenn die Kapazität auf 70 % des ursprünglichen Wertes sinkt oder der Innenwiderstand sich verdoppelt. Hierbei hängt die effektive Lebensdauer entscheidend von der Umgebungstemperatur, der Zellspannung und den Lade-/Entladeströmen ab. Minus-Temperaturen bereiten den Supercaps – im Gegensatz zu Standard-Lithium-Ionen-Batterien – keine allzu großen Probleme, obgleich der Innenwiderstand bei niedrigen Temperaturen aufgrund der verminderten Ionenbeweglichkeit im Elektrolyt ansteigt, dies jedoch durch die resultierende Wärmeentwicklung im Supercap schnell wieder ausgeglichen wird. Hohe Temperaturen beeinflussen allerdings die Lebensdauer negativ.

Ein wichtiger Faktor ist daneben auch die gewählte Zellspannung. Die Abbildung zeigt den direkten Zusammenhang von Temperatur und Lebensdauer bei unterschiedlichen Zellspannungen eines Supercaps mit einer nominellen Zellspannung von je 3,0 Volt und einer Kapazität von 100 F. Für unsere Supercap-Energiespeicher-Module wurde eine ausgewogene Lösung mit einer reduzierten Zellspannung von 2,6 Volt (nominell 3,0 Volt) pro Supercap gewählt, um den langjährigen Betrieb im definierten Betriebstemperaturbereich von -20 °C bis +70 °C sicherzustellen.

Da die gespeicherte Energiemenge im Kondensator abhängig von der Zellspannung im Quadrat zu- oder abnimmt ( W = 0,5 • C • U2), galt es bei der Entwicklung die Reduzierung der Zellspannung genau abzuwägen. Zumal sich die nutzbare Energiemenge aufgrund der Tatsache weiter reduziert, dass die Supercaps in der Praxis nur bis zu einer minimalen Spannung Umin von ca. 1,0 V entladen werden, da bereits beim Absinken der Kondensator-Nennspannung Umax auf die Hälfte Ihres Wertes rund 75 % der gespeicherten Energie ab- gegeben wurden. Es steht somit die effektive Energiemenge

Weffektiv=0,5 • C • (U2max - U2min)

für die Applikation zur Verfügung. Eine Tiefenentladung unterhalb von Umin ist somit technisch nicht sinnvoll, obgleich eine vollständige Entladung dem Supercaps keinen Schaden zufügen würde. Komplett entladene Supercaps sind insbesondere für die längere Lagerung sowie den sicheren Transport vorteilhaft.


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Cell-Balancing für optimale Kapazität und Lebensdauer

Bei Supercap-Systemen können unterschiedliche Zellspannungen und Zellkapazitäten auftreten, was zu einem Ungleichgewicht zwischen den Zellen führen kann. Dies würde nicht bedeuten, dass sich die Leistung verringert, sondern auch zu einer verkürzten Lebensdauer der Supercaps. Daher ist das Cell-Balancing eine entscheidende Funktion, die das Ungleichgewicht zwischen den Zellen ausgleicht und dafür sorgt, dass die Zellen auf einem ähnlichen Spannungs- und Kapazitätsniveau arbeiten. Durch das aktive bzw. passive Cell-Balancing wird die Leistungsfähigkeit des Supercap-Systems verbessert und die Lebensdauer der Supercaps erhöht. Insgesamt ist das Cell-Balancing ein wichtiger Faktor für die Leistung und Lebensdauer von Supercap-basierten Energiespeichern.




3. Hohe Zuverlässigkeit für anspruchsvolle Applikationen

Supercap-Energiespeicher mit weitem Arbeitstemperaturbereich

Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterietechnologien, die normalerweise innerhalb eines engen Temperaturbereichs betrieben werden müssen, können unsere Supercap-Energiespeicherlösungen in einem weiten Arbeitstemperaturbereich von -20° bis +70°C eingesetzt werden. Dies ermöglicht den 24/7-Dauereinsatz in Umgebungen mit extremen Temperaturen, wie sie beispielsweise in der Industrie oder im Außenbereich vorkommen. Darüber hinaus reduziert der weite Arbeitstemperaturbereich die Notwendigkeit für aufwendige Kühl- und Heizsysteme, was die Gesamtkosten des Systems senkt und die Effizienz erhöht.

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Wartungsfreie DC-USV-Lösungen mit Supercaps – Made in Germany

Unsere USV- und Energiespeicherlösungen mit Supercaps (EDLC) sind nicht nur umweltfreundlich und nachhaltig, sondern können außerdem durch ihre besonderes lange Lebensdauer und Wartungsfreiheit n, auch ökonomisch sinnvoller sein als Batterien. Supercap-Energiespeicher sind zuverlässig und haben eine lange Lebensdauer. Sie sind auch weniger anfällig für Ausfälle aufgrund von hohen oder niedrigen Temperaturen, was sie ideal für Anwendungen in rauen Umgebungen macht.

Im Vergleich zu herkömmlichen Blei-Säure-Batterien sind Supercap-Energiespeicher deutlich effizienter und langlebiger. Unter vergleichbaren Einsatzbedingungen weisen Supercaps eine bis zu zehnmal längere Lebensdauer auf und bieten eine höhere Strombelastbarkeit, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit. Supercaps können viele tausend Lade- und Entladezyklen durchlaufen, ohne dass ihre Leistung beeinträchtigt wird. Das macht sie zu einer idealen Wahl für Anwendungen, bei denen eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit erforderlich sind. Supercaps bieten auch eine höhere Strombelastbarkeit als Blei-Säure-Batterien.


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Supercaps sind somit für anspruchsvolle Anwendungen mit kurzen und mittleren Überbrückungszeiten eine vielversprechende Alternative zu traditionellen Batterien als Energiespeicher in DC-USV-Systemen. Sie überzeugen mit kurzen Ladezeiten und hoher Leistungsdichte, sind zuverlässig und besonders langlebig.



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