Kondensatoren

In einem Super­kon­den­sator oder auch Supercap kann elek­trische Energie in Form eines elek­tri­schen Feldes gespei­chert werden. Dabei ist ein Supercap genau genommen nicht nur ein ein­facher Kon­den­sator, sondern eine Wei­ter­ent­wicklung eines Dop­pel­schicht­kon­den­sators, dessen Kapa­zität sich aus der Kapa­zität des Kon­den­sators und einer Pseu­do­ka­pa­zität zusam­men­setzt.

Supercaps sind, wie Schwung­rad­speicher oder auch supra­lei­tende Magnet­speicher, eher für die Spei­cherung von großen Leis­tungen, als für große Ener­gie­mengen geeignet und daher eher als Leis­tungs­speicher zu bezeichnen. Sie exis­tieren seit den 70-er Jahren auf dem Markt und werden heut­zutage für die Bereit­stellung von Start­en­ergie im Trans­port­be­reich, zur Stützung von Ver­sor­gungs­sys­temen, aber auch zum Aus­gleich von kurz­zei­tigen Last­schwan­kungen in zahl­reichen Anwen­dungen ein­ge­setzt.

Aktuell wird an Supercaps auf Poly­mer­basis mit opti­mierten Elek­troden geforscht, die in ein bis zwei Jahren eine Ener­gie­dichte von bis zu 180 Wh/kg erreichen sollen (Li-Ionen-Speicher liegen bei etwa 100–120 Wh/kg).

Ein Supercap besitzt zwar eine sehr hohe Ener­gie­dichte, kann die Energie aber nur für einen limi­tierten Zeit­be­reich spei­chern und scheidet daher als Lang­zeit­speicher aus. Als Kurz­zeit­speicher wäre der Einsatz von Supercaps für das Projekt EnerPrax aber durchaus denkbar.

Das elek­trische Feld eines Kon­den­sators ent­steht im soge­nannten Dielek­trikum zwi­schen posi­tivem und nega­tivem Kon­den­sa­torpol. In der ein­fachsten Bauform besteht ein Kon­den­sator einfach nur aus zwei gegen­über­lie­genden Platten. An diese schließt man zur Ladung eine Span­nungs­quelle an. Es baut sich ein elek­tri­sches Feld zwi­schen positiv und negativ gela­dener Platte auf. Trennt man die Platten von der Span­nungs­quelle, bleibt das elek­trische Feld erhalten, solange die Ladung der Platten erhalten bleibt. Die dabei gespei­cherte Energie ist abhängig von den Flächen der Platten (Bezie­hungs­weise von der Quer­schnitts­fläche des elek­tri­schen Feldes), von der Höhe des Poten­ti­al­un­ter­schiedes (/der ange­legten Spannung) und von der Beschaf­fenheit des Raumes zwi­schen den Platten. In diesem Raum befindet sich ein Iso­lator, im ein­fachsten Fall Luft, der Dielek­trikum genannt wird. Das Dielek­trikum spei­chert, ver­ein­facht gesagt, genau dann besonders viel Energie, wenn es besonders stark pola­ri­sierbar ist. Die Pola­ri­sier­barkeit drückt sich in der soge­nannten Per­mit­ti­vität ε aus. Darüber hinaus muss ein Strom­fluss zwi­schen den Platten durch das Dielek­trikum best­möglich unter­bunden werden, um eine Selbst­ent­ladung zu ver­hindern. Wenn das Dielek­trikum aus meh­reren Schichten besteht, nennt man den Kon­den­sator Mehr­schicht­kon­den­sator.

Ver­wendet man eine Kom­bi­nation aus Dop­pel­schicht­kon­den­sator und einem Elek­tro­lyten als eine Schicht des Dielek­trikums, erhält man einen Super­kon­den­sator.

 

Abbildung: „Klas­si­scher“ Kon­den­sator und Super­kon­den­sator; Quelle: FENES, Regensburg links: Der »klas­sische« Kon­den­sator, Elek­trode – Dielek­trikum – Elek­trode; rechts: der Super­kon­den­sator, Elek­trode – dielek­trische Schicht – Elek­trolyt – dielek­trische Schicht – Elek­trode

 

Die zusätz­liche Kapa­zität (Pseu­do­ka­pa­zität) kommt im Supercap durch den Effekt der Hydration von Elek­tronen zustande, also durch einen che­mi­schen Effekt. Der Anteil der Dop­pel­schicht­ka­pa­zität am Gesamt­speicher beträgt etwa 90%, der Anteil der Pseu­do­ka­pa­zität etwa 10%.