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Doppelschicht-Kondensatoren

Eine noch recht neue Technologie ist der Einsatz von Doppelschichtkondensatoren zur Stromspeicherung in Kraftfahrzeugen. Kondensatoren bestehen aus zwei Elektroden, die durch einen Isolator voneinander getrennt sind. Legt man eine Spannung an, so werden die beiden Elektroden geladen, es entsteht zwischen ihnen aber kein Stromfluss. Die Ladung wird also elektrostatisch gehalten. Schaltet man nun einen Verbraucher hinzu, entlädt sich der Kondensator und gibt die Ladung wieder ab; so lässt sich ein recht hoher Wirkungsgrad ohne Kapazitätsverlust erreichen.

Die Bauweise ist entscheidend

Das besondere an den so genannten Supercaps, wie diese Kondensatoren auch genannt werden, ist ihre Bauweise. Sie bestehen aus einer elektrochemischen Doppelschicht zwischen einer Elektrode hoher Oberfläche und einem Elektrolyten. Getrennt durch einen Seperator werden zwei Elektroden zusammen geschaltet. Dies entspricht einer Serienschaltung zweier Kondensatoren auf kleinstem Raum.

Kondensatoren
Kondensator statt Batterie - Jultud - Fotolia.com

Doppelschichtkondensator vs. Batterie

Wie bereits erwähnt, besitzen die Elektroden eine sehr große Oberfläche. Die wird durch den Einsatz von hochporöser Aktivkohle erreicht. 1 g Aktivkohle besitzt eine Oberfläche von ca. 2000 m². Warum ist das wichtig? Die elektrochemische Reaktion ist oberflächenaktiv. Das heißt, dass die Oberfläche der Elektrode direkt proportional zur Kapazität des Kondensators ist. Im Gegensatz dazu findet die elektrochemische Reaktion in einer Batterie durch Oberflächendiffusion statt. Da der Vorgang der Oberflächendiffusion recht langsam ist, besitzt der Supercap eine viel größere Leistungsdichte als eine Batterie. Zudem ist die chemische Reaktion in der Batterie nicht komplett reversibel. Dadurch hat die Batterie eine geringe Zyklusstabilität (Anzahl der möglichen Lade- und Entladevorgange). Auch die Tatsache, dass das Elektrodenmaterial der Batterie regelrecht gestresst wird, wirkt sich negativ auf die Lebensdauer aus. Ein Doppelschichtkondensator hingegen kommt auf eine Zyklusstabilität von bis zu 1.000.000 Lade-/Entladevorgängen (Batterie: 100 – 10.000 Zyklen). Auf der anderen Seite hat der Kondensator eine niedrigere Energiedichte. Ein weiterer Nachteil ist die hohe Selbstentladung von bis zu 10 % im Monat.

Einsatz im Kraftfahrzeug

In Hybridfahrzeugen wird der Doppelschichtkondensator zur Abdecken von Leistungsspitzen eingesetzt. Der Einsatz erfolgt dabei immer in Kombination mit einer kontinuierlichen Leistungsquelle (z.B. Brennstoffzelle, Verbrennungsmotor etc.).

Ein Vorreiter in Sachen Doppelkondensatoren ist Mazda mit seinem „i-ELOOP“ (Intelligent Energy Loop). Durch Rückgewinnung der Bremsenergie wird ein Generator betrieben, der den Kondensator auflädt. Dieser versorgt nun die gesamte Bordelektronik. Dazu gehören zum Beispiel Servolenkung, Wasserpumpe, Klimaanlage und Soundsystem. Zudem kann bei Überschuss auch die Batterie wieder geladen werden. Mazda erreicht dadurch eine Energieeinsparung von bis zu 10 %.

Als weiteres Beispiel möchte ich hier den BMW Concept X3 EfficientDynamics nennen. Die Doppelschichtkondensatoren, die die bayrischen Motorbauer einsetzen, kommen auf einen Wirkungsgrad von 98 % und decken vor allem die Leistungsspitzen beim Beschleunigen ab.

Abschließend lässt sich sagen, dass die Supercaps auf Grund ihrer Leistungsfähigkeit eine gute Unterstützung von Energiequellen wie Brennstoffzelle oder Verbrennungsmotor sind.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Bild Quelle
Tesla Roadster Creative Commons Creative Commons
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Quelle: Wikipedia
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