Die Revolution kommt

In welchen Marktsegmenten bieten Supercaps Vorteile?

Im Folgenden finden Sie einige Anwendungsbereiche, die von Superkondensatoren profitieren können:
 

Automobil: Bordnetzstabilisierung, Mikro-Hybrid, Mild-Hybrid

Industrie & Verbraucher: USV, Medical, Leiterplatten mit kleiner USV, Roboter, Detektoren, Handgeräte, intelligente Stromzähler (AMR), Dashcams

Mobilität: Hybrid-Bus, Hybrid-Straßenbahn, Service-Truck, Kaltstarthilfe, Schifffahrt, elektrischer Hafenkran, Bagger

Erneuerbare Energie: Solar-Nachführung, Pitch Control-System

Netz: Netz- und Frequenzstabilisierung im Verbund oder Inselnetz

Revolution der Energiespeicherung

Doppelschichtkondensatoren können Lithium-Ionen-Batterien in bestimmten Bereichen ersetzen

Sie sind sicher, robust und langlebig: Doppelschichtkondensatoren, so genannte Electric Double Layer Capacitors (EDLCs)s, handelsüblich auch Supercaps oder Ultracaps genannt, haben gegenüber Lithium-Ionen-Batterien viele Vorteile und eignen sich für zahlreiche Einsatzgebiete - von der Energieversorgungstechnik bis hin zu Consumer-Geräten. Dennoch fristen EDLCs auf dem Energiespeichermarkt noch immer ein Nischendasein. Prof. Dr. Ing. Mirko Bodach von der Westsächsischen Hochschule Zwickau forscht seit fast 20 Jahren an den vielseitigen Energiespeichern. Im Interview spricht er über Risiken, Vorteile und Gründe für den erwarteten Durchbruch der EDLCs.

Prof. Dr. Ing. Mirko Bodach

Prof. Dr. Ing. Mirko Bodach erhielt 2007 den Ruf für die Professur für Elektrische Energietechnik / Regenerative Energien an der Westsächsischen Hochschule Zwickau. Seit 19 Jahren untersucht er unter anderem elektrische Energiespeicher für erneuerbare Energiesysteme und gilt als einer der ersten, der EDLCs in solchen Systemen eingesetzt hat. Derzeit konzentriert sich die Forschung Bodachs und seines Teams aus zwölf wissenschaftlichen Mitarbeitern auf Projekte, deren Inhalt intelligente, stationäre Energieversorgungskomponenten, Energie- und Speichermanagement und vieles mehr umfasst.

Sie forschen sowohl an EDLCs als auch an Lithium-Ionen-Batterien. Wo liegt dabei Ihr Schwerpunkt?

Prof. Dr. Ing. Mirko Bodach: Wir bringen Energiespeicher in verschiedenen elektrischen Anwendungsszenarien zum Einsatz. Anteilig halten sich dabei EDLCs und klassische Speichertypen wie Batterien - Lithium-Ionen-Batterien, teils auch bleibasierte Systeme - etwa die Waage. Bleibatterien sind nach wie vor sehr preiswert und seit über 100 Jahren in stationären Anwendungen etabliert.

Wir arbeiten beispielsweise an einem interessanten Projekt über die Kombination von EDLCs und Batterien an Blockheizkraftwerken. In Kürze wird es dazu Veröffentlichungen geben. Ziel des Projektes war es, Batterien größeren Bauformen durch den Einsatz von EDLCs in ihren Parametern zu verbessern. Dazu zählen neben Leistungsfähigkeit, Lebensdauer, Robustheit, Ladefähigkeit auch die allgemeine Akzeptanz sowie normative Voraussetzungen für den Einsatz entsprechender dualer Speicher. Mit dem Erreichen der dort gesteckten Ziele können Entwickler häufiger auf die Vorteile einer Technologie mit EDLCs zurückgreifen.

Was bedeutet das?

Bodach: Besonders fehlende Normen und Regularien befördern die Unsicherheit der Entwicklungskunden. Testinstitute brauchen schließlich Normen, um valide und reproduzierbare Sicherheitstests, etwa auf Explosionsgefahr, Brandgefahr und Kurzschlussgefahr durchführen zu können. Sie müssen wissen, welche exogenen und endogenen Faktoren Gefahren hervorrufen könnten. Hier gibt es fortführenden Forschungsbedarf.

Welche Risiken bestehen denn verglichen mit anderen Energiespeichern?

Bodach: Sicherheitsrisiken bei dem Einsatz von EDLCs zeigen sich gegenüber Lithium-Ionen-Batterien als geradezu minimal. Während Lithium-Ionen-Batterien elektrisch sehr schnell in Grenzbereiche kommen können und mit exothermen Reaktionen, insbesondere bei unsachgemäßer Behandlung, gerechnet werden muss, erweisen sich EDLCs hier als eine deutlich robustere und sicherere Komponente.

In unseren sogenannten "Abuse-Tests" konnten wir bisher keinen EDLC elektrisch so schädigen, dass er bei seiner Zerstörung sicherheitsrelevante Probleme verursacht hätte.

Um ein "brandgefährliches" Luftsauerstoff-Gasgemisch (aus dem Elektrolyten) in einem geschlossenen Raum zu erhalten, müssten plötzlich eine größere Anzahl EDLCs ausgasen als überhaupt in den zur Verfügung stehenden Bauraum passen würden.

Eine Tiefentladung stellt im Gegensatz zu Lithiumbatterien für den EDLC kein Problem dar. Überladungen reduzieren die Lebensdauer stark, sind aber sicherheitstechnisch unkritisch.

Ein möglicher Kurzschluss birgt weiteres Gefahrenpotential beim Einsatz des EDLC in elektrischen Schaltungen . Durch den niedrigen seriellen Innenwiderstand können hierbei auch bei verhältnismäßig kleinen Bauformen hohe Kurzschlussströme fließen. Auf Grund dessen ist der Einsatz bedarfsgerechter Schutzelemente zur Unterbrechung des Fehlerkreises notwendig.

Das gilt auch für jede andere Art von Speicher, die in kurzer Zeit sehr viel Leistung abgeben können. EDLCs sind insgesamt sehr sicher und aus unserer Sicht unproblematisch.

EDLCs sind also deutlich robuster im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien. Wie steht es um die Lebensdauer? Und wie wird sie berechnet?

Bodach: Die Erfahrungen aus unseren Projekten zeigt, dass die Lebensdauer sehr stark von der Zielapplikation abhängt. Durch Zyklentests an eine Vielzahl unterschiedlicher EDLCs ist es uns gelungen, ein mathematisches Modell auf Basis des Arrheniusgesetzes aufzustellen, das eine recht genaue Abschätzung der Lebensdauer ermöglicht. Wichtig ist in diesem Zusammenhang die Zielapplikation. Zur Verdeutlichung dienen zwei diametrale Einsatzfälle.

Zum einen die Verwendung in einer Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) und zum anderen die Verwendung des EDLC in einem dynamische Bremsenergierückspeichersystem (KERS). Während der EDLC in der USV in der Dauererhaltungsladung verbleibt und nur selten Energie an das zu stützende System abgeben muss, wird er im KERS permanent zykliert.

Entscheidend sind hier Parameter bezüglich der Spannung, des Stromes, der Temperatur und nicht zu vergessen des Herstellers. Hier empfiehlt sich generell eine applikationsbezogene, wissenschaftlich unterstützte Einsatzuntersuchung.

Sehen Sie bei Messreihen große Unterschiede bei der chemischen Zusammensetzung zwischen Herstellern?

Bodach: Historisch gesehen ist bei Markenherstellern die Abweichung der Chargen gering gewesen, die Angaben stimmten mit unseren Messergebnissen überein. Die Datenblattangaben der Marktführer wie beispielsweise Maxwell oder auch Nesscap sind weitestgehend reproduzierbar. Bei "No-Name-Caps" mancher Hersteller gab es in der Vergangenheit durchaus Abweichungen. Bei neueren Elementen sind diese Abweichungen weniger gravierend, eine Lernkurve ist zu erkennen, jedoch haben die Markenhersteller die Nase noch vorn.

Sind die Temperaturzyklen entscheidende Faktoren für die Lebensdauer, oder gibt es noch andere wichtige Faktoren?

Bodach: Die mittlere Temperatur in der Gebrauchsdauer eines EDLCs hat ungefähr dieselbe Wichtung wie die mittlere Spannung. Der mittlere Strom ist dabei von untergeordneter Bedeutung. Temperatur und Spannung sind somit die treibenden Parameter, da sie die Elektrolytzersetzung begünstigen.

Heißt das, dass Sie bei Lebensdauerberechnungen von der mittleren Temperatur über die Lebenszeit hinweg ausgehen, oder haben Sie definierte Temperaturprofile, die widerspiegeln, bei welchen Temperaturen der Cap verwendet beziehungsweise belastet wird? Fließen bei den Berechnungen einzelne Parameter der jeweiligen Zelle seitens der Hersteller mit ein?

Bodach: Das ist anwendungsbezogen: In einer Windkraftanlage kann man beispielsweise die mittlere Jahrestemperatur am Einsatzstandort in der unmittelbaren Umgebung der EDLC-Zellen annehmen. Die Parameter der Hersteller fließen natürlich mit ein.

Gibt es einen Vorhersage-Algorithmus, den man Kunden oder Projekten zur Verfügung stellen könnte?

Bodach: Das ist prinzipiell möglich. Wir führen applikationsbezogene, zeitlich geraffte Dauerversuche durch, die uns in die Lage versetzen, die entsprechenden Parameter richtig abschätzen zu können. Die Parameter variieren auch in Abhängigkeit des Herstellers. Nach 10.000 bis 50.000 Zyklen ist eine relativ gute Vorhersage meist möglich. Die Ergebnisse konnten bereits durch vorangegangene Projekte bestätigt, die dort entwickelten Speichersysteme haben sich im Einsatz verhalten wie von uns vorhergesagt.

Wie steht es bei EDLCs um das Balancing?

Bodach: Nach unserer Erfahrung aus den Versuchen und Projekten wird Balancing benötigt, wenn der Speicher sehr lange bei hohen Erhaltungsspannungen betrieben wird, wie etwa bei einer USV. In diesem Fall ist ein Balancing mit relativ geringen Strömen interessant. Anders sieht es bei Rekuperationssytemen aus: Hier werden die Kondensatoren mit hohen Leistungen beaufschlagt; zum wirksamen Balancing sind in diesem Falle enorme Ausgleichströme notwendig. Dies können die elektronischen Balancingsysteme oft nicht leisten und verursachen zudem noch hohe Verluste für das Gesamtspeichersystem.

Hier ist es sinnvoller, eine Zelle mehr einzusetzen, die Kondensatoren auf niedrigere Spannung zu dimensionieren und ihre Lebensdauer damit zu erhöhen.

Benötigt man bei bestimmten Applikationen, etwa hybriden Energiespeichern, Balancing?

Bodach: Applikationsbezogen gilt das vorher Gesagte. Im hybriden Speichersystem muss der EDLC die Spitzenlast puffern. Ein Balancing ist damit im Regelfall für den EDLC-Part nicht entscheidend. Der langsame Speicher (LiIon) ist dagegen sehr wohl mit einem BMS auszustatten.

Viele etablierte Hersteller steigen jetzt erst in die EDLC-Fertigung ein. Sie experimentieren mit unterschiedlichen Chemien und Zusammensetzungen, um sich vom Wettbewerb abzuheben und Systeme für bestimmte Applikationsbereiche zu entwickeln. Lithium-Ionen-EDLC-Hybridsysteme stehen dabei durchaus hoch im Kurs. Wie bewerten Sie die Risiken und Gefahren solcher kombinierter Technologien?

Bodach: Ein klassischer EDLC speichert Energie in der Helmholtzschicht und ist damit ein rein elektrostatischer Speicher. Ein Lithium-Cap hingegen nutzt zusätzlich eine chemische Reaktion zur Speicherung der Energie und ist damit generell anders zu bewerten als ein EDLC. Die Applikation muss anders dimensioniert werden. Grundsätzlich ist das Bauelement Lithium-Cap hochinteressant. Besonders im Bereich Energy Harvesting, in dem die sehr geringe Selbstentladung eine Rolle spielt, sehe ich Einsatzmöglichkeiten für Lithium-Caps. Allerdings sollte beachtet werden, dass ein Lithium-Cap im Batteriegesetz (BattG) vorausichtlich wie eine herkömmliche Batterie zu behandeln ist und somit vom Hersteller zurückgenommen werden müsste.

Derzeit reagiert der Markt noch verhalten auf EDLCs, bei E-Mobilität gibt es immerhin schon Serienprojekte. Welche spezifischen Märkte können für EDLCs den Durchbruch in den Massenmarkt bedeuten?

Bodach: Der Bereich USV wäre das ideale Einsatzfeld für EDLCs. In Deutschland sind 95 Prozent der ohnehin schon äußerst seltenen Netzausfälle kürzer als eine Sekunde, 98 Prozent der Netzausfälle kürzer als zehn Sekunden. Das lässt sich ausgezeichnet mit einer Kurzzeit-USV abdecken. Dieser Markt ist prädestiniert für EDLCs. An dieser Stelle ist die höhere Lebensdauer der EDLCs von Vorteil. Auch im Bereich der Energiespeicherung zur Pitchverstellung in Windkraftanlagen hat sich dieses System bereits bewährt. Unglaublich interessant wäre auch der Spielzeugmarkt als ein ideales Einsatzgebiet.

Warum das?

Bodach: Stellen Sie sich vor, dass ein ferngesteuertes Modellauto, in dem bisher Akkus verbaut sind, die für 45 Minuten Spielspaß bis zu zwei Stunden geladen werden müssen (bevor der Spielspaß beginnt!) von EDLCs betrieben werden: Kinder könnten ihre Spielzeuge in wenigen Minuten aufladen und in etwa die gleiche Zeit spielen, ohne jemals die "Batterie" wechseln zu müssen. Wir haben bereits derartige Modelle entwickelt. Selbstverständlich ist das Spielzeug im Moment etwas teurer, für den Nutzer (und die Umwelt) amortisiert sich dies jedoch schnell. Die Spielzeughersteller müssten davon überzeugt werden.

Was hindert EDLCs dann noch am Marktdurchbruch? Wo müssen Sie noch Überzeugungsarbeit leisten?

Bodach: Der Preis, die Lieferzeiten und manchmal die Mindestabnahmemenge sind derzeit ein Problem. Wenn ein Entwickler für seine Applikation den Bedarf für eine halbe Million Zellen sieht, würde sich der Preis pro Zelle natürlich entsprechend nach unten korrigieren. Ich bin der Meinung, dass man konsequent weiter aufklären und Anwendungsfälle eindeutig adressieren, Beispiele anbieten muss, bei denen Projekte mit EDLCs realisiert wurden. Wir müssen aufzeigen, wo und mit welchen Parametern es Sinn ergibt, einen EDLC zu verwenden. Wir haben sehr gute Erfahrungen mit Rutronik gemacht, die uns als Hochschule Möglichkeiten angeboten haben, die neuesten EDLCs zu testen. Das war sehr wichtig. Es braucht Leuchtturmprojekte, die zeigen, was EDLCs leisten können - das wird dann auch die Industrie überzeugen und dazu führen, dass es mehr Unternehmen gibt, die solche Speicherkonzepte umsetzen möchten.

Wie könnte die Maker-Szene beim Durchbruch helfen?

Bodach: In meinem Forschungsteam habe ich einen Hobbybastler, der eine elektrische Zahnbürste mit EDLCs betreibt, die per Photovoltaik geladen werden. Auch seine Computermaus läuft mit EDLC. Das ist spannend! Ein Distributor wie Rutronik könnte solchen Makern Starterkits beziehungsweise Zellen in geringer Stückzahl kostengünstig zur Verfügung stellen, um EDLCs in Umlauf zu bringen. Das gleiche gilt für Schulen: Wir haben die Erfahrung gemacht, dass Physiklehrer hochinteressiert an diesem Bauelement sind. Mit einer kurzen Sicherheitsunterweisung könnte man Schülern einen Anreiz geben, zu experimentieren. Das macht den Unterricht interessanter und führt hoffentlich zu steigenden Studentenzahlen im MINT-Bereich. Insbesondere ein Studium der Elektrotechnik wäre für viele junge Menschen ein Jobgarant.

Wie könnten Kooperationsprojekte mit Industriekunden aussehen?

Bodach: Genau so, wie wir mit Rutronik kooperieren: Ein Unternehmen weiß, was es möchte, hat möglicherweise nur noch keine Idee, wie die Umsetzung aussehen soll. Da sind wir an der Fakultät Elektrotechnik der Westsächsischen Hochschule Zwickau sehr gute Ansprechpartner, um diese Idee weiterzuentwickeln. Solche Projekte haben wir schon oft unterstützt. Es genügt, bei uns anzufragen, ob ein gemeinsames Projekt möglich ist. Je nachdem, wie intensiv der Aufwand ist, kann das bereits ein Student (Praktikum, Studien-, Diplom- oder Masterarbeit) unterstützen, bei dem am Ende ein Empfehlungsleitfaden für die nächsten Schritte herauskommt. Der nächste Schritt wäre beispielsweise ein Kooperationsprojekt, bei dem das Unternehmen finanzielle Mittel im Rahmen einer Auftragsforschung bereitstellt. Für richtig große Projekte mit hohen wissenschaftlichen Risiken sind auch staatliche Fördermittel denkbar.

Arbeiten Sie derzeit an Drittmittelprojekten, zu denen Sie etwas verraten können?

Bodach: Das derzeit größte Projekt ist WindNODE mit ca. 70 Projektpartnern. Projektkoordinator ist der Netzbetreiber 50Hertz. Wir kooperieren hier mit namhaften Projektpartnern. Spannend sind aus unserer Sicht hier ebenfalls elektrische Energiespeicher. Wer mehr wissen will, findet umfangreiches Informationsmaterial auf www.windnode.de.

Warum sollte man sich als Unternehmen dafür entscheiden, EDLCs einzusetzen?

Bodach: Die Entwickler der Unternehmen sollten testen und sich die Vorteile ansehen. Ich finde das Bauelement seit langem schon hochinteressant. An der richtigen Stelle und mit dem richtigen elektrischen System können EDLCs die Energiespeicherwelt revolutionieren! Die Technik, die in EDLCs steckt, ist preiswert, auch die Gefahr mangelnder Rohstoffe zur Herstellung besteht nicht.

Welche radialen Zellen gibt es?

Neue XP-Produktserie

Standard-Produktserie

Was macht die XP-Serie von Nesscap besonders?

Widerstandsfähig und leistungsstark trotz widriger Umgebungsbedingungen: Die neue XP™-Serie von Nesscap wurde speziell für den Einsatz bei hoher Luftfeuchtigkeit und hohen Temperaturen entwickelt.

Die neue Serie von Nesscap wurde unter der speziellen Testbedingung des "Biased Humidity Tests" (2,7 Volt, 90% relative Luftfeuchtigkeit, 60°Celsius) getestet und zeichnet sich dabei unter DC-Spannung mit einer deutlich verbesserten Lebensdauer im Vergleich zu Standardzellen aus.

Die XP™-Serie wird im Kapazitätsbereich von 3 Farad bis 50 Farad angeboten und verfügt über die identische Baugröße sowie identische elektrische Eigenschaften, wie die Nesscap Standard-Serie. Die patentierte Verschlusstechnik und Kontaktierung zeichnen die XP™-Serie aus. Sie ist konform mit RoHS-, UL- und REACH-Richtlinien. Die XP™-Serie wurde speziell für Anwendungen bei wechselhaften Umweltbedingungen und hoher Temperatur entwickelt. Sie ist für Temperaturen zwischen -40°Celsius und +65°Celsius spezifiziert und bietet eine lange Zyklenbeständigkeit von mindestens 500.000 Lade- und Entladezyklen.