Seit vielen Jahren wird, um die Verringerung des Schadstoffausstoßes und Senkung des Kraftstoffverbrauchs zu erzielen, nach neuen, möglichst umweltfreundlichen Antrieben als Alternative zum Verbrennungsmotor gesucht. Angesichts des hohen Wirkungsgrades von Elektromotoren bei der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie haben sich Elektrofahrzeuge als erfolgreicher Aspekt gezeigt.
Alle Fahrzeuge erfordern hohe Leistungen zum Beschleunigen, ob sie nun mit Elektromotoren in Kombination mit Batterien bzw. Brennstoffzellen oder mit einem Hybridantrieb betrieben werden, wie zum Beispiel der Toyota Prius. Für die Verminderung des Verbrauchs und die Erhöhung der Reichweite dieser Fahrzeuge ist außerdem eine Wiedergewinnung der Bremsenergie (Rekuperation) durch dynamische Bremsen von Bedeutung. Die Wiedergewinnung der kinetischen Energie beim Bremsen (regeneratives Bremsen) benötigt einen Energiespeicher, der schnell geladen werden kann und diese Energie später für andere Zwecke wieder zur Verfügung stellt.
Die klassischen Stromspeicher, Akkumulatoren (Bleiakku, Nickel-Cadmium (NiCd)-, Nickel-Metallhydrid (NiMeH)- oder auch Lithium-Ionen-Batterien), besitzen zwar eine hohe Energiedichte, können aber nur eine begrenzte Leistung abgeben. Jedoch werden bei vielen Einsätzen kurze Leistungsspitzen benötigt. Diese können mit Batterien nur erzielt werden, wenn man sehr große Batterien verwendet. Dazu wird dann sehr viel Energie verschwendet und die Lebensdauer der Batterien verkürzt. Da die heutigen Batterien allerdings noch nicht in der Lage sind, sich schnell wieder aufzuladen, zum Beispiel für den Fall der Bremsenergiespeicherung, bei dem in kurzer Zeit viel Energie aufgenommen werden müsste, nur sehr bedingt geeignet sind.
Ein möglicher Kandidat für diese schnell wieder aufladbaren Energiespeicher sind Doppelschichtkondensatoren (DSK), auch UltraCaps oder SuperCaps genannt. Die elektrochemischen Kondensatoren stellen Speicher für elektrische Energie mit hohen Leistungsdichten dar, die in der Industrie häufig als Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren bezeichnet werden.
Inhaltsverzeichnis
- 1. Einleitung
- 2. Kondensatoren
- 2.1 Grundlagen und Definitionen
- 2.2 Kondensatortypen
- 3. Grundlegende Technologie von Superkondensatoren
- 3.1 Entwicklungsgeschichten
- 3.2 Klassifikationen von Energiespeichern
- 3.3 Aufbauweise und Funktionsprinzip von DSK
- 3.3.1 Die elektrochemische Doppelschicht
- 3.3.1.1 Das Helmholtz-Modell
- 3.3.1.2 Das Modell von Gouy-Chapman
- 3.3.1.3 Das Modell von Stern
- 3.3.2 Pseudokondensatoren/Pseudokapazität
- 3.3.3 Hybridkondensatoren
- 3.3.3.1 Aufbau
- 3.3.3.2 Elektrische Eigenschaften
- 3.3.3.3 Frequenzverhalten
- 3.3.3.4 Anwendungen
- 3.3.3.5 Langzeitverhalten
- 3.4 Materialien
- 3.4.1 Stromableiter
- 3.4.2 Separator
- 3.4.3 Elektrolyt
- 3.4.4 Elektrodenmaterial
- 3.4.5 Zusammenfassung der DSK-Komponenten
- 3.5 Typische Eigenschaften von Doppelschichtkondensatoren
- 3.5.1 Spannungsgrenzen und Lebensdauergrenzende Faktoren
- 3.5.2 Elektrisches Verhalten
- 3.5.2.1 Verschiedene Konzepte zur Spannungssymmetrierung von Superkondensatorzellen
- 3.6 Vergleichen des DSK mit Akkumulator und Elektrolytkondensator
- 4. Einsatzgebiete von Superkondensatoren
- 4.1 Anwendungen in Fahrzeugen
- 4.1.1 Leistungsunterstützung
- 4.1.2 Rekuperation und Verbrauch
- 4.1.3 Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor
- 4.1.4 Brennstoffzellenfahrzeuge
- 4.1.5 Energiespeicher in Schienenfahrzeugen
- 4.2 Unterbrechungsfreie Stromversorgung USV
- 4.3 Superkondensatoren in Windkraftanlagen
- 4.4 Märkte und Anwendungen für Superkondensatoren
- 5. Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Diplomarbeit befasst sich mit dem Stand der Technik und der Anwendung von Superkondensatoren. Ziel ist es, einen umfassenden Überblick über die Technologie, die Funktionsweise und die verschiedenen Einsatzgebiete dieser Energiespeicher zu geben. Die Arbeit soll die Vorteile und Grenzen von Superkondensatoren im Vergleich zu anderen Energiespeichern wie Akkumulatoren und Elektrolytkondensatoren aufzeigen.
- Funktionsweise und Technologie von Superkondensatoren
- Vergleich verschiedener Kondensatortypen und Energiespeichertechnologien
- Anwendungsgebiete von Superkondensatoren in verschiedenen Bereichen
- Materialien und Komponenten von Superkondensatoren
- Herausforderungen und zukünftige Entwicklungen im Bereich der Superkondensatoren
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Die Einleitung führt in die Thematik der elektrischen Energiespeicherung ein und betont die steigende Nachfrage nach leistungsfähigen und umweltfreundlichen Energiespeichern im Kontext der begrenzten fossilen Brennstoffe und des wachsenden Umweltbewusstseins. Sie verdeutlicht die Bedeutung von Superkondensatoren als vielversprechende Technologie für die Bewältigung dieser Herausforderungen.
2. Kondensatoren: Dieses Kapitel behandelt die Grundlagen der Kondensatortechnologie. Es werden grundlegende Definitionen, verschiedene Kondensatortypen und deren Eigenschaften erläutert, um das Verständnis für die spätere detaillierte Betrachtung von Superkondensatoren zu legen. Der Fokus liegt auf den physikalischen Prinzipien und der Einordnung von Superkondensatoren innerhalb der Familie der Kondensatoren.
3. Grundlegende Technologie von Superkondensatoren: Dieses zentrale Kapitel erläutert detailliert die Technologie von Superkondensatoren, einschließlich der verschiedenen Modelle zur Beschreibung der elektrochemischen Doppelschicht (Helmholtz, Gouy-Chapman, Stern), den Aufbau und die Funktionsweise von verschiedenen Superkondensator-Typen (z.B. Hybridkondensatoren), den verwendeten Materialien (Elektroden, Elektrolyte, Separatoren) und den typischen Eigenschaften wie Spannungsgrenzen, Lebensdauer und elektrischem Verhalten. Es bietet einen tiefgehenden Einblick in die physikalischen und chemischen Prozesse, die in einem Superkondensator ablaufen.
4. Einsatzgebiete von Superkondensatoren: Dieses Kapitel präsentiert eine umfassende Übersicht über die vielfältigen Anwendungsgebiete von Superkondensatoren. Es werden detaillierte Beispiele aus verschiedenen Sektoren wie der Fahrzeugtechnik (Leistungsunterstützung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, Rekuperation, Anwendung in Bussen und Zügen), der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) und der Windkraftanlagen gegeben. Der Fokus liegt auf den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung und wie Superkondensatoren diese erfüllen können.
Schlüsselwörter
Superkondensatoren, Energiespeicher, Doppelschichtkondensatoren, Elektrochemische Doppelschicht, Hybridkondensatoren, Anwendungen, Fahrzeugtechnik, Windkraft, USV, Materialien, Elektrolyte, Elektroden.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zu "Grundlegende Technologie von Superkondensatoren"
Was ist der Inhalt dieser Arbeit?
Diese Diplomarbeit bietet einen umfassenden Überblick über die Technologie, Funktionsweise und Anwendung von Superkondensatoren. Sie beinhaltet eine Einleitung, eine Erläuterung der Kondensatorgrundlagen, eine detaillierte Beschreibung der Superkondensatortechnologie (inkl. verschiedener Modelle der elektrochemischen Doppelschicht und verschiedener Superkondensator-Typen), eine Übersicht über die verwendeten Materialien, eine Analyse typischer Eigenschaften und schließlich eine umfassende Darstellung der Anwendungsgebiete in verschiedenen Branchen.
Welche Themen werden in der Arbeit behandelt?
Die Arbeit behandelt folgende Themenschwerpunkte: Funktionsweise und Technologie von Superkondensatoren, Vergleich verschiedener Kondensatortypen und Energiespeichertechnologien, Anwendungsgebiete von Superkondensatoren, Materialien und Komponenten von Superkondensatoren, sowie Herausforderungen und zukünftige Entwicklungen im Bereich der Superkondensatoren.
Welche Kapitel umfasst die Arbeit?
Die Arbeit ist in fünf Kapitel gegliedert: 1. Einleitung, 2. Kondensatoren (Grundlagen und Definitionen, Kondensatortypen), 3. Grundlegende Technologie von Superkondensatoren (Entwicklungsgeschichte, Klassifikationen, Aufbau und Funktionsprinzip, Materialien, typische Eigenschaften), 4. Einsatzgebiete von Superkondensatoren (Fahrzeuge, USV, Windkraftanlagen, Märkte und Anwendungen), 5. Zusammenfassung.
Welche Modelle der elektrochemischen Doppelschicht werden beschrieben?
Kapitel 3 beschreibt detailliert die verschiedenen Modelle zur Beschreibung der elektrochemischen Doppelschicht: das Helmholtz-Modell, das Gouy-Chapman-Modell und das Stern-Modell.
Welche Arten von Superkondensatoren werden behandelt?
Die Arbeit behandelt verschiedene Superkondensator-Typen, darunter Hybridkondensatoren, und erläutert deren Aufbau, elektrische Eigenschaften, Frequenzverhalten, Anwendungen und Langzeitverhalten.
Welche Materialien werden in Superkondensatoren verwendet?
Kapitel 3 beschreibt die verschiedenen Materialien, die in Superkondensatoren verwendet werden, einschließlich Stromableiter, Separatoren, Elektrolyte und Elektrodenmaterialien. Eine Zusammenfassung der DSK-Komponenten wird ebenfalls gegeben.
Wo werden Superkondensatoren eingesetzt?
Kapitel 4 beleuchtet die vielfältigen Anwendungsgebiete von Superkondensatoren. Es werden detaillierte Beispiele aus der Fahrzeugtechnik (Leistungsunterstützung, Rekuperation, Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellenfahrzeuge, Schienenfahrzeuge), der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) und der Windkraftbranche vorgestellt.
Wie werden Superkondensatoren mit Akkumulatoren und Elektrolytkondensatoren verglichen?
Die Arbeit vergleicht Superkondensatoren mit Akkumulatoren und Elektrolytkondensatoren, um deren Vor- und Nachteile aufzuzeigen.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit?
Schlüsselwörter sind: Superkondensatoren, Energiespeicher, Doppelschichtkondensatoren, Elektrochemische Doppelschicht, Hybridkondensatoren, Anwendungen, Fahrzeugtechnik, Windkraft, USV, Materialien, Elektrolyte, Elektroden.
Was ist die Zielsetzung der Arbeit?
Die Zielsetzung der Arbeit ist es, einen umfassenden Überblick über den Stand der Technik und die Anwendung von Superkondensatoren zu geben, ihre Funktionsweise zu erläutern und die Vorteile und Grenzen im Vergleich zu anderen Energiespeichern aufzuzeigen.
- Quote paper
- Mustapha Jammal (Author), 2009, Stand der Technik und Anwendung von Superkondensatoren, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/141763
