Rückblick: Die Entwicklung der Supercap-Technologie

Die Supercap-Technologie, auch als Electric Double Layer Capacitors (EDLC) bekannt, hat in den letzten Jahren bemerkens­werte Fortschritte gemacht. Super­caps werden unter anderem auch als EDLC, ULTRACAPs, Super­konden­satoren, Doppel­schicht­konden­satoren (DSK) oder eben kurz als "Supercap" bezeichnet. Es handelt sich um Konden­satoren mit einem Elektrolyten und Kohlen­stoff Elektroden als elektisch leitende Schicht. Im Vergleich zu herköm­mlichen Konden­satoren weisen sie eine deutlich größere Ober­fläche auf, was zu einer höheren Kapazität führt. Die techno­logi­schen und physika­lischen Prinzipien sind heute sehr gut in der Literatur beschrieben (siehe u.a. Wikipedia). Die Begriffs­vielfalt für diesen Konden­satortyp wird noch von Hersteller eigenen Begriffen erweitert:

• Goldcap™  [Panasonic]
• Boostcap™  [Maxwell]
• Greencap™  [Samwha]
• PURIXEL™  [Pureechem] für Supercap-Zellen
• PURETRON™  [Pureechem] für Supercap-Module

In Deutschland begann alles mit NESSCAP

Für CAPCOMP begann die Geschichte in Deutsch­land im Jahre 2005 als wir einen Vertrag mit der Süd-Korea­nischen Firma NESSCAP schlossen, die aus der DAEWOO Gruppe hervorging. Man hatte zu diesem Zeitpunkt noch die Vor­stellung die EDLCs als primären Energie­speicher in Auto­mobilen einzu­setzen. Es bestand die Hoffnung, dass die Ent­wicklung der Techno­logie ähnlich voran­schreiten würde, wie es die Halb­leiter­technologie seit Jahr­zehnten vor­machte. Leider blieb dies ein Traum.

Die Elektro­chemie und die verbun­denen physika­lischen Prin­zipien zeigten schnell Grenzen auf. Anfang der 2000er Jahre gab es in den USA diverse Prototyp-Entwicklun­gen im Einsatz bei elektrisch betrie­benen Fahr­zeugen. An der Universität von Vermont wurden Tests durchgeführt, die zeigten, dass Batterie betriebene Fahr­zeuge, die von ULTRACAPs unter­stützt wurden, eine circa 35% - 40% höhere Reichweite erzielten, je nach Fahrzyklus.

Nicht minder interessant waren die Ergeb­nisse, die eine Steigerung der Batterie-Lebens­dauer bestätigten, bei denen Leistungs­spitzen durch Ultra­konden­satoren abgefangen wurden.

Neben hohen Erwar­tungen seitens der Auto­mobil­industrie, gab es aber auch Skepsis, da die AECQ200 Test­ergeb­nisse noch zu wenig Daten lieferten, aus denen verbind­liche techni­sche Spezifi­kationen abgeleitet werden konnten. Als Distribu­toren der ersten Stunde blieb uns und unseren Wett­bewer­bern nichts anderes übrig, Kriterien in Anlehnung an die der Elektrolyt­konden­satoren zu definieren und nach diesen auch zu testen.

Zeiten aufwändiger Tests unter Extrembedingungen

Es wurden dutzende Test­reihen für die unter­schied­lichsten Anwen­dungs­fälle angesetzt. Sogar das Verhalten der Ultracaps im luftleeren Raum und extremen Minus-Tempe­raturen wurde untersucht. Die Zellen wurden bis -60°C eingefroren, aufgetaut, getestet - und haben bestanden! Keine nega­tiven Verän­derung der techni­schen Eigen­schaften. Genauso wie bei Praxistest in Fahrzeugen, die auf 3500 m See­höhe bei -25° getestet wurden, wie der Einsatz in einem Auto, nachdem es 5 Tage am Flughafen in der Sonne in Dschidda, Saudi-Arabien, stand. Darüber hinaus lieferten Beschleu­nigungs­tests, Vibrations­tests, Brand­last- und Emis­sions­tests, sowie Tests der Lebens­dauer unter verschie­densten Bedin­gungen wert­volle Erkennt­nisse. Ein-Zyklen-Tests für die Beurteilung der Zellen unter einem bestim­mten Last­verhalten dauerten beispiels­weise ein halbes Jahr, bis erste Ergebnisse vorlagen. Diese Tests wurden dann noch weitere 6 Monate fort­gesetzt, um eine belast­bare Datenbasis zu erhalten.

MAXWELL, NESSCAP und PANASONIC haben den Anfang gemacht

Es waren die Firmen MAXWELL, NESSCAP und PANASONIC, die als Haupt­akteure bei der Ultracap-Ent­wicklung die Akzep­tanz dieser neuen Techno­logie maßgeblich voran­getrieben haben. Andere Hersteller folgten und bauten auf diesen Erfahrungen auf. Die Anfor­derungen des Marktes haben sich seit der ersten Stunde im Prinzip nicht verändert.

Von der prismatischen Zelle bis zum Hochvolt-Ultracap-Modul

Man setzte zu Beginn (Vermont-Tests) noch die prisma­tischen Zellen mit bis zu 5000F und 2,7 Volt ein. Diese Technik galt in der Frühphase als aussichts­reiche Lösung, zeigte dann aber schnell physika­lische Schwächen, insbesondere bei der Wärme­verteilung. In der Fertigungs­technik stellte sich bei Großserien heraus, dass die Produktion zu aufwändig und kostspielig ist.

Große Fortschritte in der Modul-Entwicklung

Mit der Entwicklung der 60mm zylin­drischen, axialen 3000F/2,7V Zelle ergab sich erst die Möglich­keit Hoch­volt-Zellen und Hoch­energie-Module zu entwickeln. Diese Zellen konnten große Leis­tungen schnell speichern und wieder zurückspeisen, mit hoher Zuver­lässigkeit und Zyklen­festigkeit von über einer Million Zyklen. Die horizo­ntale Wärme­verteilung und der sehr viel bessere thermische Wider­stand als bei den bisherigen Modellen, erlaubte ein effizien­teres Wärme­management. Es entstanden verschiedene Modelle von Modulen für die unterschiedlichsten Anwendungen.

Rekuperations-Lösung für LKWs

Das 125V/62F Modul wurde nach einiger Zeit in mehreren Varianten zu einem Industrie­standard in Bussen und Bahnen. Für die Reku­peration, also die Energie­rückge­winnung aus Brems­energie, zeigten sich die Module als ideale Lösung; noch besser als beim PKW. Nicht nur wegen der entspan­nteren Situation was den Bau­raum betrifft, sondern vor allem wegen der des besseren Kosten/Nutzen Verhältnis.

Kürzere Amortisationszeiten der Rekuperationstechnik in LKWs

Nutzfahrzeuge werden in der Regel sehr viel inten­siver betrieben als PKWs. Die Investition in ein ULTRACAP-Reku­perations-System konnte sich damit sehr viel schneller amor­tisieren. In Stadt­bussen und Straßen­bahnen wurden die Module schon vor ca. 15 Jahren häufig eingesetzt und kommen erst heute an ihre Lebens­dauer­grenze. Es wurden mehrere 125V/62F Module in Serie/parallel geschaltet. Die Montage erfogte meistens auf dem Dach oder im Unterboden des Fahrzeuges. Das Balancing der Module in sich und untereinander erfolge über „Smart Balancing“. Daten wurde über CAN-BUS Schnittstellen an zentrale ECUs zur weiteren Auswertung und Kontrolle gesendet. Die kleineren 48V/165F Module, die ebenfalls auf den 3000F/2,7 Volt Zellen basieren, sind noch heute ein Industriestandard.

48V/165F Ultracap-Module in Fahrerlosen Transportsystemen

Sie werden sehr viel in den „Fahrer­losen Transport­systemen“ (FTS) (Engl. AGV für Automated Guided Vehicle) eingesetzt, eignen sich aber für alle univer­sellen Energie-Speicher­systeme. Sie lassen sich leicht in Serien-Parallel­schal­tungen zu konfi­gurieren und aufgrund des relativ geringen Gewichts von ca. 15kg auch gut in der Hand­habung. Darüber­hinaus gibt es inzwi­schen eine Vielzahl von Varianten in den unterschiedlichsten Spannungs­lagen und Kapa­zitäten, die Anwendungs­abhängig eingesetzt werden.

Der nächste Entwicklungsschritt: 3 Volt Zellen

Inzwischen setzen sich zuneh­mend auch die 3V Zellen im identi­schen Form­faktor wie die Zellen der 2,7V Technologie durch. Diese sind zwar noch etwas teurer als die älteren Typen, aber es ist eine Frage der Zeit, bis nur noch die 3-Volt Techno­logie dominiert. Heute, fast 20 Jahre nach den frühen Geh­versuchen mit elektrisch unter­stützten Antriebs­systemen auf Ultracap-Basis gehen wir in eine neue Phase. Voll­elektri­sche Fahr­zeuge mit Lithium-Ionen-Batterien sind bereits seit einigen Jahren der neue Standard bei PKWs.

Brennstoffzelle & Ultracap: Traumkombination von morgen?

Bei Nutz­fahrzeugen gibt es bereits die ersten Fahrzeuge mit dieser Kombination. Aber auch hier ist die Diskussion darüber, ob die Wasser­stoff­technik in Verbin­dung mit Brenn­stoff­zellen und ULTRACAPs als schneller Hochleistungs-Energie­speicher in großem Umfang zum Einsatz kommen werden, nicht ausgestanden. Erste Nutz­fahrzeuge werden bereits erprobt. Es gibt inzwischen neue Hybrid-Techno­logien, die Kapazitäten bis zu 100.000 Farad ermöglichen. Es bleibt spannend!