Kondensatoren besitzen eine Reihe hervorragender Eigenschaften. Sie speichern Energie beispielsweise in Form elektrischer Ladung statt chemischer Energie. Dies ermöglicht typischerweise nahezu sofortige Ladezeiten und sehr hohe Spitzenströme. Sie überstehen Hunderttausende von Lade-Entlade-Zyklen, im Gegensatz zu den Hunderten von Zyklen bei vollständig entladenen Batterien. Wo liegt also das Problem?
Ein Akku liefert über eine lange Lebensdauer eine relativ konstante Spannung. Je nach Gerät können Leistungseinbußen auftreten, wenn der Akku fast leer ist. Smartphones schalten beispielsweise in den Energiesparmodus. Das dient nicht nur dazu, die Laufzeit zu verlängern, sondern auch dazu, plötzliche Abschaltungen ohne Vorwarnung zu verhindern.
Wie Sie sehen, sinkt die Spannung, je leerer der Akku wird. Ihr Smartphone verfügt über eine Leistungsumwandlungsschaltung, die Teil des Energiemanagements ist und die nicht sehr konstante Akkuleistung in eine präzise geregelte Systemleistung (wahrscheinlich verschiedene Spannungen) umwandelt. Hierbei gilt folgender Zusammenhang: Leistung = Stromstärke × Spannung. Um die gleiche Leistung aufrechtzuerhalten, muss meine Schaltung also bei sinkender Spannung mehr Strom aufnehmen.
Jede Batterie besitzt einen geringen Innenwiderstand. Aufgrund des Ohmschen Gesetzes sinkt die Spannung in der Batterie. In der Abbildung gilt: Vout = V0 − r ∗ I, wobei I die Stromstärke ist. Sinkt also die Spannung V0 und muss die Energiemanagementschaltung mehr Strom aufnehmen, um die gleiche Leistung zu liefern, fällt die Ausgangsspannung der Batterie umso schneller ab. Dies begrenzt die maximale Stromabgabe einer Batterie und führt dazu, dass sie sich bei fast vollständiger Entladung recht schnell entlädt.
Die Ausgangsspannung, der Spitzenstrom und die Gesamtleistung eines Kondensators nehmen mit der Zeit exponentiell ab. Ein Vorteil des Kondensators besteht darin, dass er elektrische Ladung speichert, anstatt sie wie eine Batterie in chemische Ladung umzuwandeln. Daher ist der vorhandene Innenwiderstand zwar vorhanden, aber vernachlässigbar klein. Kondensatoren können kurzzeitig sehr hohe Ströme liefern.
Für die Stromversorgung sind sie jedoch problematisch. Erinnern wir uns an mein Bestreben, eine konstante Stromversorgung für mein Energiemanagementsystem zu gewährleisten, wobei Leistung = Stromstärke × Spannung gilt. Sinkt die Spannung rapide ab, muss der Strom entsprechend schnell ansteigen, um die gleiche Leistung zu liefern. Sehr hohe Ströme führen zu deutlich teureren Schaltungen, größeren Leistungswandlern, höheren Leistungsverlusten auf den Leiterplatten usw. – im Grunde dasselbe Problem wie bei einer Batterie gegen Ende ihrer Kapazität, nur dass dies beim Kondensator bereits sehr früh in seiner nutzbaren Speicherdauer auftritt. Und mit abnehmender Kapazität des Kondensators sinkt auch der Spitzenstrom, obwohl er immer noch relativ hoch ist.
Das andere Problem besteht darin, dass moderne Ultrakondensatoren eine deutlich geringere spezifische Energie als Batterien aufweisen. Die besten Ultrakondensatoren auf dem Markt erreichen 8–10 Wh/kg, die meisten liegen eher bei 5 Wh/kg. Die besten Lithium-Ionen-Akkus liefern hingegen fast 200 Wh/kg, viele Varianten sogar über 100 Wh/kg. Man benötigt also etwa das 20-fache Gewicht, um Ultrakondensatoren einzusetzen. Möglicherweise sogar mehr, da die Spannung während der Entladung – je nach Anwendung – ab einem bestimmten Punkt zu niedrig sinkt, um noch nutzbar zu sein, wodurch Energie ungenutzt bleibt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kondensatoren besitzen Ultrakondensatoren zudem einen relativ hohen Innenwiderstand. Daher können sie nur einen geringen Spannungs-Strom-Austausch ermöglichen.
Dann gibt es noch die Selbstentladung: Wie schnell verliert ein Speichermedium Energie? Die einzigen robusten NiMH-Zellen entladen sich jedoch bis zu 20–30 % pro Monat selbst. Lithium-Ionen-Zellen reduzieren dies auf unter 2 % pro Monat, abhängig von der jeweiligen Technologie, in manchen Systemen vielleicht auf 3 %, je nach Aufwand für die Batterieüberwachung. Heutige Ultrakondensatoren verlieren im ersten Monat bis zu 50 % ihrer Ladung. Das mag bei einem Gerät, das täglich aufgeladen wird, keine Rolle spielen, schränkt aber die Einsatzmöglichkeiten von Kondensatoren gegenüber Batterien deutlich ein, zumindest bis bessere Designs entwickelt sind.
Da man so viele benötigt, können die Kosten für Ultrakondensatoren derzeit das 6- bis 20-Fache der Kosten von Batterien betragen. Wenn Ihre Anwendung eine sehr geringe Ausgangsleistung benötigt, insbesondere bei sehr kurzen, hohen Stromspitzen, kann der Ultrakondensator eine Option sein. Ansonsten wird er in naher Zukunft keine Batterie ersetzen.
Für Anwendungen mit hohem Stromverbrauch, wie beispielsweise in Elektroautos, ist der Einsatz von Ultrakondensatoren als alleinige Lösung derzeit noch nicht wirklich sinnvoll. Systeme, die Ultrakondensatoren und Batterien kombinieren, können jedoch vielversprechend sein, da sich ihre Vorteile optimal ergänzen: die hohe Stromübertragung und lange Lebensdauer des Kondensators gegenüber der hohen spezifischen Energie und Energiedichte der Batterie. Es wird intensiv an der Entwicklung deutlich verbesserter Ultrakondensatoren und Batterien geforscht. Daher ist es möglich, dass Ultrakondensatoren in Zukunft einen größeren Teil der typischen Batteriefunktionen übernehmen werden.
Artikel von: https://qr.ae/pCacU0
Veröffentlichungsdatum: 06.01.2026