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Kondensator

Funktionsprinzip eines Kondensators

Abbildung 1, Funktionsprinzip eines Kondensators im Stromnetz

Eine beliebige Anordnung zweier isoliert aufgestellter Leiter, zwischen denen mit Hilfe einer elektrischen Spannungsquelle Ladung verschoben werden kann, wird als Kondensator bezeichnet [1].

In einem Kondensator kann elektrische Ladung gespeichert werden. Die Grundbausteine eines Kondensators sind zwei gleich große elektrisch leitende Flächen (Elektroden), die, in geringem Abstand zueinander, durch eine Isolierschicht (Dielektrikum) voneinander getrennt sind (siehe Abbildung 1). Fließt nun elektrischer Strom „durch“ einen Kondensator, so laden sich eine der Elektroden positiv und die andere negativ auf. Die auf den Elektroden gespeicherte Ladungsmenge ist stets proportional zur angelegten Spannung. Erhöht man also die angelegte Spannung auf den doppelten Wert, so fließt auch die doppelte Ladung auf die Kondensatorplatten. Beim Laden fließt zu Beginn ein hoher Ladestrom. Während des Ladevorganges wird der Ladestrom immer kleiner. Bei einem Ladestrom von 0 A sperrt der Kondensator den Gleichstrom.

Ein Kondensator besitzt eine Kapazität, die das Maß des Speichervermögens beschreibt und in der Einheit Farad (F = C/V = As/V) angegeben wird. Gemäß der DIN 1301 besitzt ein Kondensator die Kapazität von 1 Farad, wenn bei einem Strom von 1 A innerhalb einer Sekunde die Spannung auf 1 V ansteigt.  Kondensatoren unterscheiden sich in ihrem Aufbau zwischen ungepolt, gepolt und Elko-gepolt. Je nach Anwendung und Anforderung stehen für die Fertigung zahlreiche Materialien zur Verfügung. Die Ladung, die in einem Kondensator gespeichert wird, ist abhängig von der Kapazität und der angelegten Spannung (siehe Formel 6). Die Kapazität kann entsprechend der Bauform variiert werden und ist abhängig vom Abstand der Leiterplatten, der Fläche der Leiterplatten und dem Dielektrikum (siehe Formel 2 und Tabelle 1).

 

Ladung und Kapazität:

Formel 1, Ladung Q

 

                                                             

Formel 2, Kapazität C

 

Tabelle 1, Relative Permitivitätszahlen [2]

Eine Parallelschaltung von Kondensatoren wirkt wie eine Vergrößerung der Plattenoberfläche. Daher erhält man als Gesamtkapazität die Summe aller Teilkapazitäten. An allen Kondensatoren liegt die gleiche Spannung an. In jedem Kondensator fließt ein Teilladestrom und lädt ihn auf.

Eine Reihenschaltung von Kondensatoren wirkt wie eine Abstandsvergrößerung der Kondensatorplatten und führt somit zu einer Verkleinerung der Kapazität. Durch alle Kondensatoren fließt der gleiche Ladestrom. An jedem Einzelkondensator liegt nur eine Teilspannung an, welche umgekehrt proportional zur Kapazität ist [nach 2, 3].

Die herkömmliche Bauweise von Kondensatoren ist nicht mehr zeitgemäß. In der modernen Technik werden elektrochemische Kondensatoren eingesetzt. Elektrochemische Kondensatoren sind Hochleistungsenergiespeicher.


Variation - Der elektrochemische oder auch Doppelschichtkondensator

Wie bei den herkömmlichen Kondensatoren, bei denen die Elektroden durch ein Dielektrikum voneinander isoliert sind, wird die Energie in einem elektrischen Feld (hier in den beiden Doppelschichten; d.h. verdoppelte Fläche, siehe Abb. 2) gespeichert.

Die elektrochemischen Kondensatoren zeichnen sich hauptsächlich durch sehr hohe spezifische Kapazitäten von über 100 F/g und folglich hohen Energiedichten aus. Möglich ist dies zum einen durch den Einsatz von hochporösen Elektrodenmaterialien mit einer sehr großen effektiven Oberfläche und zum anderen durch den geringen Abstand zwischen den Ladungsträgern auf den Elektroden und den Ionen des Elektrolyten von nur wenigen Nanometern. Trotz der Erhöhung des Oberflächenanteils muss der elektrische Widerstand gering gehalten werden und das verfügbare Volumen groß genug sein, um eine vollständige Abschirmung der Ionen sicher zu stellen [3].

Abbildung 2, Grundprinzip eines Doppelschichtkondensators [3]

 

Energiedichte

Einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsdaten der elektrochemischen Kondensatoren haben die Porengröße und die Porenverteilung. Kondensatoren besitzen im Vergleich zu Batterien eine höhere Leistungsdichte, dafür allerdings eine geringere Energiedichte [3].

Tabelle 2, Vergleichsdaten von Kondensatoren zu Batterien [3]

 

Machbarkeit

Kondensatoren sind Kurzzeitenergiespeicher und werden eingesetzt um Energie für wenige Sekunden bis hin zu wenigen Minuten zu speichern. Sie sind für eine Langzeitspeicherung nicht geeignet und werden unter anderem für die unterbrechungsfreie Stromversorgung, Phasenkorrektur (Wechselstrom), für den Ausgleich von Leistungsspitzen, in der Elektronik und in der Hochspannungstechnik (Umspannwerk) eingesetzt. Kondensatoren werden nicht für die Energiespeicherung über einen längeren Zeitraum verwendet.

 

Ökonomie und Invest

Die Investitionskosten für Kondensatoren sind niedriger als die Kosten für supraleitende Spulen. Mit etwa 10.000-70.000 €/kWh sind diese aber dennoch hoch (vergleiche Tabelle 2). In diesem Zusammenhang werden derartige Systeme nicht als Langzeitenergiespeicher eingesetzt.

Kondensatoren können allerdings bei einer Energiespeicherung in Kombination mit anderen Systemen eine lückenlose Energieversorgung sicherstellen und z.B. die möglichen Zyklen von Akkumulatoren verringern und damit die Lebensdauer dieser um ein Vielfaches erhöhen [nach 16]. Eine Kombination von Kondensatoren mit anderen Systemen zur Energiespeicherung ist ökonomisch sinnvoll, da jedes System auf seinem optimalen Betriebspunkt betrieben werden kann.

 

Abbildung 3, Vergleich des Lade-/Entladevorgangs bei Kondensatoren und Batterien [3]

Wie in Abbildung 3 dargestellt ist die Spannung bei Kondensatoren während des Lade-/Entladevorganges nicht konstant. Die Grafik macht die chemischen Reaktionen deutlich, die in Batterien ablaufen, und damit auch die irreversiblen Prozesse. Ein Kondensator unterliegt also keiner chemischen Reaktionskinetik und besitzt damit eine deutlich höhere Zyklenzahl im Gegensatz zu Batterien. Während ein Kondensator bei einer Tiefenentladung keinen Schaden nimmt, ist bei Batterien ein irreversibler Schaden zu erwarten. Kondensatoren sind nachhaltig, haben kurze Zugriffszeiten und können in Kombination mit anderen Systemen ökonomisch wertvoll sein.

 

Marktsituation

Die Marktsituation für Kondensatoren ist ausgereift und es gibt ausreichend Hersteller und kommerziellen Einsatz.

 

Ökologie

Kondensatoren sind ökologisch weitestgehend unbedenklich.

 

Anlagenbeispiele

Kondensatoren sind in der Lage, kurzfristig große Energiemengen zu speichern. Die schnelle Lade- und Entladegeschwindigkeit ist herausragend und ein großer Vorteil des Kondensators gegenüber anderen Systemen. Kondensatoren werden also überall da eingesetzt, wo ein ständiger Wechsel zwischen Ladung und Entladung stattfindet. Ein Anwendungsgebiet ist die Wiedergewinnung von Bremsenergie, auch elektromotorische Bremse genannt, bei Fahrzeugen wie zum Beispiel bei elektrischen Zügen, Bussen, Hybridfahrzeugen und Lastwagen. Kondensatoren und auch Schwungradspeicher sind für diesen Zweck gebräuchliche Systeme. Sie werden auch bei schwankender Energiebereitstellung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung verwendet, da Energielücken überbrückt werden können. Einen Überblick über verschiedene Anwendungsgebiete gibt die unten aufgeführte Tabelle.

 

Tabelle 3, Anwendungsgebiete für Kondensatoren in der Technik [nach 3]

 

Verbesserungspotential

Die Eigenschaften eines Kondensators sind materialabhängig und nicht für die Energiespeicherung über einen längeren Zeitraum geeignet. Hinsichtlich der hohen Investitionskosten und der vergleichsweise geringen Energiedichte sollte das Hauptaugenmerk auf die Materialforschung gelegt werden.

 

Quellenangaben:

 

[1]       Hering E., Gutekunst J., Martin R. (1999): Elektrotechnik für den Maschinenbauer: Grundlagen,

           Springerverlag Heidelberg

[2]       Tkotz K., (2002): Fachkunde Elektrotechnik, Verlag Europa Lehrmittel

[3]       Neupert U., Euting T., Kretschmer T., Notthoff C., Ruhlig K., Weimert B. (2009): Energiespeicher,

           Technische Grundlagen und Energiewirtschaftliches Potential, Fraunhofer IRB Verlag

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