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Kleiner „Super“- oder „Ultra“-Kondensator (3 cm³) (Quelle: S. Fassbinder)
Energietechnik/-Anwendungen | Energiespeicher, Batterieanlagen | Leistungselektronik

Aus dem Facharchiv: Elektropraxis

Supercaps – Eigenschaften und Einsatzgebiete

06.06.2024

Seit einiger Zeit ist fast überall im Bereich der Elektrotechnik von Energiespeichern die Rede. Hierzu zählen unter anderem die „Supercaps“ (super capacitors – Superkondensatoren), auch Ultrakondensatoren genannt (Bild). Was ist das eigentlich? Welches Prinzip steckt dahinter? Wozu dienen sie? Was können sie besser, und was können sie nicht leisten?

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Die Schwierigkeiten mit der Speicherbarkeit verfolgen die Elektrotechnik seit ihren Anfangstagen. Noch heute muss elektrische Energie prinzipiell genau in dem Moment erzeugt werden, in dem sie auch verbraucht wird. Klaffen die erzeugte und die verbrauchte Leistung im europäischen Verbundnetz [1] auch nur um 1 ‰ (in Worten: Ein Promille!) auseinander, so steigt die Netzfrequenz schon innerhalb von rund 8 s auf 50,2 Hz bzw. fällt auf 49,8 Hz – die kritischen Grenzwerte [2]. Doch das ist noch nicht alles:

Beim Gleichrichten von Wechselspannung zur Versorgung elektronischer Schaltungen muss man selbst den Zeitpunkt des Nulldurchgangs und die wenigen Millisekunden zu niedriger Augenblickswerte der Wechselspannung in der unmittelbaren Umgebung des Nulldurchgangs überbrücken. Dazu dienen traditionell Elektrolyt-Kondensatoren („Elkos“) hoher Kapazität.

Kapazität ist nicht gleich Kapazität

Nun stellt das Wort „Kapazität“ in der Elektrotechnik leider gleich zwei Fachausdrücke dar: Bei chemischen Energiespeichern (Akkumulatoren/Batterien) meinte man damit traditionell immer die elektrische Ladung (proportional zur Anzahl der bei einem vollständigen Lade- oder Entladevorgang von der einen zur anderen Seite fließenden Elektronen). Eine Stromstärke von 1 A bedeutet im Prinzip, dass jede Sekunde 6,24 × 1018 Elektronen von hier nach dort fließen (und der Kehrwert davon stellt mit e = 1,9 × 10–19 As die Elementarladung eines Elektrons dar). So lässt sich z. B. dem Ladevorgang einer Pkw-Starterbatterie mit einer Kapazität von etwa 45 Ah für einen Ottomotor oder z. B. 80 Ah für einen Dieselmotor stets eine bestimmte Anzahl bewegter Elektronen zuordnen.

Ladungskapazität

Wenn man die Diesel-Batterie beispielsweise 8 h lang mit 10 A auflädt, um auf die 80 Ah zu kommen, sind es

6,24 × 1018/s × 3 600 s/h × 8 h × 10 A ≈ 1,8 × 1024

Elektronen, die da vom Pluspol zum Minuspol (und bei der Entladung anders herum) wandern. Nebenbei bemerkt heißt dies nicht, dass sich die Elektronen bei vollem Akkumulator auf der Platte des Minuspols und bei leerem Akku auf der Platte des Pluspols anreichern. Vielmehr schließt sich der Stromkreis durch die Säure, die einen ganz bedeutenden funktionalen Bestandteil des Akkus darstellt. Dies stellt den prinzipiellen Unterschied zum Kondensator dar, dessen Lade- und Entladeströme niemals durch den Kondensator fließen (s. Abschnitt „Kondensator-Kapazität“).

Stellen wir die so ermittelte Zahl jedoch spaßeshalber nun einmal ins Verhältnis zur Anzahl insgesamt in der Starterbatterie enthaltener Elektronen, so ergibt sich mit einer vom Hersteller angegebenen Masse von etwa 18 kg ein Elektronengehalt von grob 4,3 × 1027 Stück. Nochmals nebenbei bemerkt machen diese übrigens an der Masse von 18 kg nur 3,9 g aus, denn Elektronen wiegen im Vergleich zu den Protonen und Neutronen in den Atomkernen fast nichts. Von je etwa 2 400 Elektronen geht also nur eines auf Wanderschaft, denn von den 82 Elektronen, die ein Atom Blei beinhaltet, stehen der elektrischen Leitfähigkeit nur vier Stück zur Verfügung.

Das heißt: Jedes zehnte der verfügbaren Elektronen ist tatsächlich am Stromkreislauf beteiligt – und das ist relativ viel, wie wir noch sehen werden. Schließlich dürfen sich die Bleielektroden nicht komplett auflösen, und praktisch bestehende Unterschiede wie die zwischen theoretischer und nutzbarer Kapazität oder die bei hohem Entladungsstrom geringere Kapazität bleiben bei diesen Prinzip-Darstellungen unberücksichtigt.

Autor: S. Fassbinder

Literatur
[1] Fassbinder, S.: Im Verbund läuft es rund. Elektropraktiker, Berlin 68 (2014) 8, Teil 1: Strompreis, Smart Grid und Regelzonen, S. 653 – 657 und 9, Teil 2: Normen, Netze, Zuverlässigkeit, S. 744 – 747.

[2] Fassbinder, S.: Netztrennung am 8. Januar 2021 im Verbundnetz. Anmerkungen zu Regelleistung und Regelenergie. Elektropraktiker, Berlin 75 (2021) 7, S. 484 – 490.

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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