Stand der Technik und Anwendung von Superkondensatoren

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1 Technik Mustapha Jammal Stand der Technik und Anwendung von Superkondensatoren Diplomarbeit

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3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk sowie alle darin enthaltenen einzelnen Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsschutz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlages. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen, Auswertungen durch Datenbanken und für die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme. Alle Rechte, auch die des auszugsweisen Nachdrucks, der fotomechanischen Wiedergabe (einschließlich Mikrokopie) sowie der Auswertung durch Datenbanken oder ähnliche Einrichtungen, vorbehalten. Impressum: Copyright 2009 GRIN Verlag, Open Publishing GmbH ISBN: Dieses Buch bei GRIN:

4 Mustapha Jammal Stand der Technik und Anwendung von Superkondensatoren GRIN Verlag

5 GRIN - Your knowledge has value Der GRIN Verlag publiziert seit 1998 wissenschaftliche Arbeiten von Studenten, Hochschullehrern und anderen Akademikern als ebook und gedrucktes Buch. Die Verlagswebsite ist die ideale Plattform zur Veröffentlichung von Hausarbeiten, Abschlussarbeiten, wissenschaftlichen Aufsätzen, Dissertationen und Fachbüchern. Besuchen Sie uns im Internet:

6 Technische Universität Berlin Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik Institut für Energie- und Automatisierungstechnik Fachgebiet Elektrische Antriebstechnik Diplomarbeit Stand der Technik und Anwendung von Superkondensatoren Vorgelegt von: Mustapha Jammal Studiengang: Technische Informatik Sommersemester 2009 Coverbild: By Wuestenfisch1 (Own work) [CC-BY-SA-3.0 ( /licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

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8 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Kondensatoren Grundlagen und Definitionen Kondensatortypen Grundlegende Technologie von Superkondensatoren Entwicklungsgeschichten Klassifikationen von Energiespeichern Aufbauweise und Funktionsprinzip von DSK Die elektrochemische Doppelschicht Das Helmholtz-Modell Das Modell von Gouy-Chapman Das Modell von Stern Pseudokondensatoren/Pseudokapazität Hybridkondensatoren Aufbau Elektrische Eigenschaften Frequenzverhalten Anwendungen Langzeitverhalten Materialien Stromableiter Separator Elektrolyt Elektrodenmaterial Zusammenfassung der DSK-Komponenten Typische Eigenschaften von Doppelschichtkondensatoren Spannungsgrenzen und Lebensdauergrenzende Faktoren Elektrisches Verhalten

9 Verschiedene Konzepte zur Spannungssymmetrierung von Superkondensatorzellen Vergleichen des DSK mit Akkumulator und Elektrolytkondensator Einsatzgebiete von Superkondensatoren Anwendungen in Fahrzeugen Leistungsunterstützung Rekuperation und Verbrauch Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor Brennstoffzellenfahrzeuge Energiespeicher in Schienenfahrzeugen Unterbrechungsfreie Stromversorgung USV Superkondensatoren in Windkraftanlagen Märkte und Anwendungen für Superkondensatoren Zusammenfassung Annex: Firmenübersicht Literaturverzeichnis Webseiten Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungen 106 Coverbild: By Wuestenfisch1 (Own work) [CC-BY-SA-3.0 ( licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons 4

10 1. Einleitung Die Geschichte der elektrischen Energiespeicherung ist mehrere Tausend Jahre alt. Die älteste Trockenbatterie die bisher entdeckt wurde, befindet sich im Irakischen Museum von Bagdad. Die Batterie wurde im Jahre 1936 im Gebiet von Rabu a, östlich von Bagdad gefunden und stammt aus der Zeit von 227 bis 126 vor Christus [2]. In unserer heutigen, hoch technisierten Zeit steigt immer mehr die Nachfrage nach den elektrischen, wieder aufladbaren Energiespeichern mit hohen Anforderungen an Energie- und Leistungsdichte. Zudem fordert der Verbraucher immer kleinere Geräte, was sehr hohe volumen- und massenbezogene Energiedichten der jeweiligen Energiespeichersysteme verlangt. Die Energiespeicher sollten eine große Leistungsdichte besitzen und somit auch schnell aufzuladen sein. In den letzten Jahren stieg das Umweltbewusstsein in Politik und Gesellschaft. Es besteht die Kenntnis, dass die Quellen an fossilen Energieträgern (Kohle, Erdöl, Ergas) begrenzt sind und durch deren sorglose Anwendung die Kohlendioxidmenge in der Atmosphäre ansteigt. Der zurzeit viel diskutierte Treibhauseffekt, der erheblich durch Kohlendioxid (CO 2 ) mit verursacht wird, soll durch eine Reduzierung des CO 2 - Ausstoßes vermieden werden. Erneuerbare Energiequellen, etwa wie Wind- und Sonnenenergie, werden für die Stromerzeugung zunehmend erschlossen. Jedoch ist deren Leistung sehr instabil, deshalb werden Energiespeicher, die diese Schwankungen ausgleichen können, benötigt. Seit vielen Jahren wird, um die Verringerung des Schadstoffausstoßes und Senkung des Kraftstoffverbrauchs zu erzielen, nach neuen, möglichst umweltfreundlichen Antrieben als Alternative zum Verbrennungsmotor gesucht. Angesichts des hohen 5

11 Wirkungsgrades von Elektromotoren bei der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie haben sich Elektrofahrzeuge als erfolgreicher Aspekt gezeigt. Alle Fahrzeuge erfordern hohe Leistungen zum Beschleunigen, ob sie nun mit Elektromotoren in Kombination mit Batterien bzw. Brennstoffzellen oder mit einem Hybridantrieb betrieben werden, wie zum Beispiel der Toyota Prius. 1 Für die Verminderung des Verbrauchs und die Erhöhung der Reichweite dieser Fahrzeuge ist außerdem eine Wiedergewinnung der Bremsenergie (Rekuperation) durch dynamische Bremsen von Bedeutung. Die Wiedergewinnung der kinetischen Energie beim Bremsen (regeneratives Bremsen) benötigt einen Energiespeicher, der schnell geladen werden kann und diese Energie später für andere Zwecke wieder zur Verfügung stellt. Die klassischen Stromspeicher, Akkumulatoren (Bleiakku, Nickel-Cadmium (NiCd)-, Nickel-Metallhydrid (NiMeH)- oder auch Lithium-Ionen-Batterien), besitzen zwar eine hohe Energiedichte, können aber nur eine begrenzte Leistung abgeben. Jedoch werden bei vielen Einsätzen kurze Leistungsspitzen benötigt. Diese können mit Batterien nur erzielt werden, wenn man sehr große Batterien verwendet. Dazu wird dann sehr viel Energie verschwendet und die Lebensdauer der Batterien verkürzt. Da die heutigen Batterien allerdings noch nicht in der Lage sind, sich schnell wieder aufzuladen, zum Beispiel für den Fall der Bremsenergiespeicherung, bei dem in kurzer Zeit viel Energie aufgenommen werden müsste, nur sehr bedingt geeignet sind. Ein möglicher Kandidat für diese schnell wieder aufladbaren Energiespeicher sind Doppelschichtkondensatoren (DSK), auch UltraCaps oder SuperCaps genannt. Die elektrochemischen Kondensatoren stellen Speicher für elektrische Energie mit hohen Leistungsdichten dar, die in der Industrie häufig als Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren bezeichnet werden. Die Gruppe der elektrochemischen Kondensatoren lässt sich je nach den beteiligten Arten der Energiespeicherung in drei Gruppen einteilen [1]: 1. Reine Doppelschichtkondensatoren (engl. electric double-layer capacitors, DLC oder EDLC), bei denen die Energiespeicherung nur elektrostatisch in der 1 Vgl. Online im Internet: URL: [ ] 6