Eine Alternative mit Power

Supercaps ersetzen Akkus

Das Thema Energiespeicher und die Entwicklung hochkapazitiver Akkus gewinnt, besonders durch deren Einsatz in der Automobilindustrie, zunehmend an Bedeutung. Eine Technologie hat sich hierbei zu einer interessanten Lösung entwickelt: „Supercaps“. Superkondensatoren können Kapazitäten von bis zu 10.000 Farad erreichen und übertreffen Blei- und Lithium-Ionen-Akkus bei bestimmten Kriterien deutlich. Hersteller von unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USVs) und anderen Geräten zur Spannungsformung können so völlig neue Möglichkeiten im Bereich Stromversorgung und Energiemanagement schaffen.

Kondensatoren vs. Akkus: Der richtige Einsatzbereich ist entscheidend

Elektrochemische Supercaps, auch Ultra-Kondensatoren genannt,
sind eine Weiterentwicklung der in der Elektronik üblichen Doppelschichtkondensatoren. Ihr Einsatzgebiet reicht von kleinsten Stromeinheiten, um Daten auf statischen Speichern (SRAM) elektronischer Geräte zu erhalten, bis hin zur Leistungselektronik. So dienen Supercaps zum Beispiel als Energiespeicher im KERS-System von Formel-1-Rennwagen oder unterstützen die Nutzbremsung von Bussen und Bahnen.

Entscheidend ist, den richtigen Einsatzbereich auszuwählen:

Supercaps für Überbrückungszeiten von mehreren Minuten zu verwenden, ist beispielsweise uninteressant, da ein Blei-Akku für diesen Einsatzzweck um ein 5- bis 10-faches günstiger ist. Sie lassen sich jedoch mit etwa einer Million Ladezyklen praktisch unbegrenzt oft aufladen. Zudem geben sie durch ihren außergewöhnlich niedrigen Innenwiderstand hohe Ströme in sehr kurzer Zeit ab. Damit sind sie für zyklisch genutzte Anwendungen, die im Bereich einiger Sekunden extreme Leistungen abfordern, die bessere Wahl als jede Batterietechnologie.

Im Vergleich zu Akkumulatoren gleichen Gewichts weisen Superkondensatoren nur etwa 10 % der Energiedichte auf, jedoch ist ihre Leistungsdichte 10- bis 100-Mal so groß. Sie können deshalb:

  • sehr viel schneller ge- und entladen werden
  • deutlich mehr Lade- und Entladezyklen überstehen
  • Akkus ergänzen oder sogar ersetzen, wenn eine große Zyklenzahl erforderlich ist.

Anwendungsfall Peak-Shaving: Spitzentechnologie für effizientes Energiemanagement

Das Energiemanagement industrieller Betriebe zielt darauf ab, den vereinbarten maximalen Stromverbrauch nie – nicht einmal für sehr kurze Zeit – zu überschreiten, da die Bereitstellungsgebühr dadurch dramatisch steigt. Gleichzeitig lässt sich der Stromverbrauch nur bedingt anpassen, vor allem nicht auf die Schnelle. Eine Lösung sind Supercaps in Verbindung mit einer unterbrechungsfreien Strom­versorgung (USV). In diesem Fall übernimmt die USV die Versorgung der Last, wenn der Energiebedarf über das erlaubte Maximum steigt. Solche Systeme sind schon heute im Einsatz, nutzen in der Regel jedoch Akkus mit begrenzten Ladezyklen, sodass die Anlage nicht effektiv wirken kann oder der Anwender mit einem hohen Akku-Verschleiß rechnen muss. Mit Supercaps spielt diese Limitierung keine Rolle mehr. Des Weiteren ist ihre Lebensdauer deutlich höher: Selbst bei 40 Grad Celsius Umgebungstemperatur liegt sie noch im Bereich von 8 bis 10 Jahren, wohingegen ein Standard-Blei-Akku bei dieser Temperatur nur noch ein Viertel seiner regulären Lebensdauer aufweisen könnte.

Sehr viel Strom in sehr wenig Zeit: Sichere Produktion mit Supercaps

Die spezifischen Vorteile von Supercaps eignen sich optimal für eine unterbrechungsfreie Strom­versorgung im Industrieumfeld, denn dieses stellt besondere Anforderungen an eine USV. Da CNC- Bearbeitungszentren zu viel Strom benötigen, als dass sie während eines längeren Ausfalls weiter betrieben werden könnten, geht es vor allem darum, einen geordneten Shut-Down der Produktionsanlage zu erreichen. Hierfür sind drei Schritte entscheidend:

  1. Das Werkzeug unmittelbar aus dem Werkstück entfernen zu können, um teure Beschädigungen daran zu verhindern.
  2. Alle Positionsdaten zu speichern und danach einen gesteuerten Shut-Down einzuleiten.
  3. Die Produktion nach der Rückkehr des Stroms nahtlos wieder aufzunehmen.

Supercaps Big 5: die Vorteile auf einen Blick:

  1. Aufgrund des niedrigen Innenwiderstands liefern Supercaps extrem hohe Leistungen. Eine entsprechende, auf Peak-Shaving ausgelegte USV von Wöhrle Strom­versorgungssysteme, schafft beispielsweise bis zu 2,4 MW (ca. 4 kA) für eine Sekunde.
  2. Mit niedrigeren Abgabeleistungen sind wesentlich längere Überbrückungszeiten realisierbar.
  3. Durch Supercaps in Blockbauweise ist die Integration in Standardprodukte problemlos und schnell möglich. Das führt zu kostengünstigen Produkten wie die Supercaps-USV von Wöhrle Strom­versorgungssysteme, die auch in anspruchsvollen Umgebungen einsetzbar sind.
  4. Weil Supercaps anders als Blei-Akkus nicht ausgasen, benötigt das Gehäuse keinen Luftaustausch. Sie lassen sich in einem komplett gekapselten Rack verbauen, mit dem Schutzklassen von IP67 realisierbar sind.
  5. Supercaps sind unempfindlich gegen Tiefentladung, was bei Blei-Akkus in der Regel zu irreparablen Schäden führt. Sie können komplett entladen, verschickt und verbaut werden. Transport und Handhabung werden dadurch sehr viel sicherer und unkomplizierter.

 

Redundante Versorgung durch modularen Ansatz: Höhere Verfügbarkeit, niedrigere Kosten

USVs im Industriebereich müssen nahe am Verbraucher aufgebaut sein und sind daher den rauen Umgebungsbedingungen der Produktionshalle ausgesetzt. Unempfindliche Energiespeicher wie Supercaps helfen dabei, die Kosten für das Gehäuse niedrig zu halten und die Verfügbarkeit der USV sicherzustellen. Auch hier ist die Leistungsabgabe für einige Sekunden bis zu zwei Minuten extrem hoch, was von Supercaps deutlich besser verkraftet wird als von Akku-Technologien.

Die Supercap-USV von Wöhrle Strom­versorgungssysteme nutzt dafür vier Leistungsmodule mit je 25 kW Kapazität, die in einer n+1 Konfiguration 75 kW Nutzlast redundant versorgen können. Die USV ist in einem Staub- und Spritzwasser- geschützten Rittal-Schrank verbaut und verwendet acht in Reihe geschaltete Supercap-Blöcke von Skeleton Technologies. Diese Blöcke haben je 177 Farad Kapazität (216 kW) und liefern bei 51 Volt Nennspannung einen Spitzenstrom von 2,6 kA für eine Sekunde. Als Ergebnis kann die USV Standard-Industrielasten mit 400 V versorgen. Sollten längere Überbrückungszeiten oder höhere Ströme nötig werden, lassen sich zusätzliche Speicher in einem externen Schrank unterbringen. Wichtig dabei ist, das Zellenmanagement zu berücksichtigen und im Betriebskonzept umzusetzen. Dazu hat jeder Supercap-Block einen CAN-Bus Kommunikationsanschluss, der den Zugriff für das Lademanagement erlaubt.

Supercaps: Eine Alternative, die neue Maßstäbe setzt

Supercaps haben einen Reifegrad erreicht, der sehr anspruchsvolle Einsatzszenarien erlaubt. Mit ihren spezifischen Vorteilen im Bereich Zyklenfestigkeit und Stromabgabe sind sie Akku-Technologien weit überlegen und erzielen – basierend auf einer korrekten Planung des Einsatzfalls – deutlich bessere Leistungen als Blei- oder Li-Ionen-Akkus. Entscheidend ist, die Produkte optimal auf die individuellen Möglichkeiten der Supercaps abzustimmen und, dass der Leistungsteil des Gesamtsystems extremen Strömen standhalten kann. Dazu gilt: Unabhängig vom verwendeten Energiespeicher müssen Redundanz und Verfügbarkeit durch entsprechende Maßnahmen wie Modularität gewährleistet sein. Ist dies sichergestellt, sind Supercaps besonders im industriellen Umfeld eine echte Alternative zu herkömmlichen Energiespeichern.

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