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Ultrakondensatoren: Energiemanagementstrategien für Telekommunikation und Telematik

Die Zukunft der digitalen Welt verheißt mehr Komfort und Sicherheit. Doch autonomes Fahren, automatisches Erkennen von Verkehrsschildern und vieles mehr erfordern z.B. permanente Datenverbindungen. Die setzen wiederum eine stabile, sichere und unterbrechungsfreie Stromversorgung voraus.

Die meisten Anwendungen für die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USVs) in der Telekommunikation und Telematik basieren heute auf der Batterietechnologie. Auch Spitzenlasten werden heute damit großteils gepuffert. Die Batterie bietet hier Vorteile durch ihre relativ hohe Energiedichte, Reife und langjährige Vertrautheit im Umgang. Dementsprechend sind die Architekturen speziell auf die Eigenschaften der verfügbaren Batterietechnologie ausgelegt.

Ultrakondensatoren werden seit fast 20 Jahren erfolgreich als Peak-Power- und Backup-Energielösung in zahlreichen Anwendungen, wie z.B. für Windkraftanlagen, Mobilfunk-Basisstationen, Industrieroboteranlagen und eine Vielzahl weiterer elektronischer Geräte und Industriemaschinen, eingesetzt. Sie haben sich in den letzten Jahren durch den steigenden Bedarf zahlreicher großvolumiger Anwendungen sowohl hinsichtlich der Kosten als auch ihrer Leistungsfähigkeit zu Energiespeichern entwickelt, die auch für den Einsatz in großen und kleineren USVs als Brückenspeisung für Rechenzentren, Krankenhäuser und High-Tech-Fertigung eine interessante Alternative ist. Typische Systemgrößen beginnen bei einigen Kilowatt und lassen sich mit modularen Lösungen leicht zu Megawatt-großen Systemen erweitern. Dabei werden einzelne Ultrakondensatorzellen zu Modulen oder gar Systemen verbunden.

Perfekt für Peak-Power und kurzfristige Überbrückung

Jede dieser Anwendungen, unabhängig von der geforderten Leistungsklasse, benötigt kurzfristig Strom, um entweder den geforderten Leistungsbedarf (Peak-Power) bereitzustellen oder um die heute meistens sehr kurzen Netzunterbrüche zu überbrücken. Bei länger andauernden Stromausfällen wird die Anlage oder das System in einen sicheren Zustand gebracht (Graceful Powerdown). Typischerweise betragen Peak-Power- und Überbrückungszeiten einige Millisekunden bis hin zu 20 Sekunden. Gerade für diesen Bereich sind Ultrakondensatoren ideal. Sie können innerhalb von Sekunden(-bruchteilen) einen Großteil ihrer gespeicherten Energie abgeben und auch wieder aufnehmen - und zwar unzählige Male, ohne Schaden zu nehmen. So werden sie in solchen Anwendungen für eine Lebensdauer von zehn Jahren und mehr konzipiert. Zudem sind sie einfach in der Handhabung. Es ist kein Unterhalt oder Service notwendig und die Überwachung gestaltet sich sehr einfach. Über den Spannungsverlauf kann man auf einfache Weise den Gesundheitszustand des Ultrakondensators evaluieren und kontrollieren. Blei-Säure-Batterien, der heute vorherrschende Energiespeicher, haben eine kurze Lebensdauer selbst unter Idealbedingungen und es ergeben sich unerwartete Ausfälle aufgrund der elektrochemischen Zusammensetzung. Die Überwachung selbst und die Bestimmung des Gesundheitszustandes ist wesentlich aufwändiger und kostspieliger als bei Ultrakondensatoren. Zudem ist eine ökologische Herstellung schwierig.

Anders bei Ultrakondensatoren: Ihre Eigenschaften beruhen auf einem Aktivkohlenstoffmaterial mit einer extrem großen elektrischen Oberfläche. Das Material wird als Elektrode eingesetzt und ein Elektrolyt, mit dem die Zellen imprägniert werden, sorgt für den notwendigen Ladungsaustausch.

Aufbau von Ultrakondensatoren

An der Aktivkohle (Carbon Electrode) lagern sich je nach Ladezustand die Ionen des Elektrolyten in einer Distanz im Nanometerbereich an. Da die Kapazität direkt proportional zur Oberfläche und indirekt proportional zum Ladungsabstand ist, können Ultrakondensatoren mehrere hundert Mal mehr Energie speichern als herkömmliche Kondensatoren. Der Lade- und Entladeprozess geschieht dabei auf elektrostatische Weise und ohne chemische Reaktionen wie in Batterien. Ultrakondensatoren können daher die gespeicherte Energie viel schneller und ohne Degradation aufnehmen und abgeben. Damit sind sie geradezu prädestiniert für Anwendungen mit hohem Leistungs- und Energiebedarf sowie hoher Zyklenzahl. Während Batterien das bis zu 20-fache der Energie speichern können, bieten Ultrakondensatoren durch das sehr schnelle Lade-/Entladeverhalten eine bis zu 20-fach höhere Leistungsdichte im Vergleich zu Batterien.

Batterien sorgen für hohe Energieverfügbarkeit - Ultrakondensatoren für hohe Leistung

Wird eine hohe Energieverfügbarkeit vorausgesetzt, ist ein Batteriespeicher die erste Wahl - trotz seiner bekannten Schwächen und unabhängig davon, mit welcher Batterietechnologie er realisiert wird. Doch immer häufiger kommt eine Kombination von Batterien mit Ultrakondensatoren zum Einsatz. Dabei ist darauf zu achten, dass die beiden Speichertechnologien ein unterschiedliches Potentialverhalten aufweisen: Batterien speichern und liefern ihre Energie über Redox-Reaktionen (d.h. faradaysche oder Stoffaustauschprozesse) und halten dadurch ein nahezu konstantes Potenzial, bis die Reaktionsmasse verbraucht ist. Bei Ultrakondensatoren hingegen verändert sich die Spannung mit der gespeicherten Ladung.

Dream-Team Batterie und Ultrakondensator

Für Anwendungen in der Telekommunikation und Telematik sind hingegen Vorteile bei einer direkten parallelen Kombination möglich. Werden z.B. einzelne Lithiumzellen (~4 V) über zwei in Reihe geschaltete Ultrakondensatoren (~2,5 V) parallel geschaltet, liefert der Ultrakondensator aufgrund seines sehr niedrigen Innenwiderstandes einen Großteil der während der Übertragung benötigten Peak-Power-Leistung. Die Lithium-Ionen-Zelle stellt die gesamte Reserveleistung und Standby-Leistung bereit. Die Kombination führt zu einer deutlichen Verbesserung der Betriebszeit. Ähnliche Beispiele finden sich bei der Speisung von Telekommunikations-Basisstationen. Sie erfordern bei Spannungseinbrüchen in der Versorgungsleitung und Ausfällen von Millisekunden bis mehreren Sekunden Dauer eine lokale Energiespeicherung.

Die aktive Parallelkombination benötigt einen möglichst effizienten Leistungsprozessor, einen bidirektionalen DC-DC-Wandler, der sich bei großen Spannungsschwankungen am Eingang wohl fühlt und sofortige Leistungsumkehrung ohne Verlust der Regelung zulässt. Heutige Ultrakondensatoren bieten mit ihrem sehr tiefen Innenwiderstand die Möglichkeit, den für ein effizientes System geforderten Wirkungsgrad (Ultrakondensator plus DC-DC-Wandler) von über 90 % zu realisieren. Sicher gilt es dabei auch die Kosten zu berücksichtigen. Dennoch überwiegen in einer gesamtheitlichen Kosten-Nutzen-Betrachtung die Vorteile einer Kombinationslösung. Lebensdauertests haben gezeigt, dass die Kombination mit Ultrakondensatoren die Lebensdauer von Batteriespeichern massiv erhöhen und die Leistungsverfügbarkeit deutlich steigern kann. Zahlreiche Firmen weltweit konzentrieren sich heute auf entsprechende Kombinationslösungen und haben die dafür erforderliche Leistungselektronik entwickelt.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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Ultracapacitors have established themselves as peak and standby power solutions in many applications
Ultrakondensatoren haben sich als Peak-Powear- und Backup-Energielösung in vielen Anwendungen etabliert