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Kondensatoren - Super-Caps

Chemische Stromspeicher, Illustration

Technologie von Kondesatoren

Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplatten - den Elektroden. Diese beiden Elektroden werden von einem Isolator, dem Dielektrikum voneinander getrennt. Liegt nun eine Spannung an, wird eine Seite des Kondensators, also eine der beiden Elektroden positiv und die andere entsprechend negativ aufgeladen. Der Kondensator besitzt damit eine Kapazität, also die Fähigkeit Energie zu speichern. Die Größe der Kapazität ist abhängig von der Größe des Kondensators, d.h. der Bauform, dem eingesetzten Elektrolyt und dem Abstand der Elektroden. Es gibt viele verschiedene Formen von Kondensatoren z.B. Keramik-, Folien- und Elektrolyt-Kondensatoren. Die weitverbreitetste ist jedoch der Elektrolyt-Kondensator. Ohne dieses Bauteil ist keine moderne elektronische Schaltung denkbar. In einem Elektrolyt-Kondensator befinden sich oben beschriebene Metallplatten, getrennt durch ein Dielektrikum in aufgewickelter Form. So ist es möglich, platzsparende Bauteile mit hoher Kapazität zu bauen.

Geschichte der Kondensatoren

Die Geschichte der Kondensatoren reicht bis ins Jahr 1745 zurück. Zu jener Zeit beschäftigen sich Ewald Jürgen Georg von Kleist in Cammin und Pieter van Musschenbroek in Leiden unabhängig voneinander in Laborversuchen mit der Anordnung von Gläsern und Metallteilen. Hierbei erlitten sie elektrische Schläge und entwickelten nach ihren Untersuchungen die Leidener-Flasche, die älteste Bauform eines Kondensators. Die Leidener Flasche besteht aus einem Glasgefäß, das innen und außen mit Metallfolie, meist aus Aluminium, beklebt ist. Das Glas wirkt als Isolator, später „Dielektrikum" genannt. Mit fortgeschrittenen Kenntnissen über Elektrizität wurde die Leidener Flasche später als Energiequelle untersucht. Benjamin Franklin brachte die Leidener Flasche an einer Metallschnur an, die mit einem Drachen verbunden war. Diesen ließ er in den Himmel steigen und bewies dadurch, dass sich die Ladung von Gewitterwolken in die Flasche übertragen ließen. Franklin war es ebenfalls, der den Begriff „electrical condenser" prägte.

Aktueller Entwicklungsstand von Kondensatoren

Die Weiterentwicklung von Kondensatoren führte schließlich zu immer kleineren und leistungsfähigeren Kondensatoren. Die Super-Caps, auch Ultrakondensatoren genannt, sind eine Weiterentwicklung der Doppelschichtkondensatoren. Sie besitzen im Gegensatz zu Keramik-, Folien- und Elektrolyt-Kondensatoren kein Dielektrikum im herkömmlichen Sinne. Die Kapazitätswerte dieser Kondensatoren ergeben sich aus der Summe zweier hochkapazitiver Speicherprinzipien:

• aus der statischen Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstrennung und

• aus der elektrochemischen Speicherung elektrischer Energie durch faradayschen Ladungstausch mit Hilfe von Redoxreaktionen.

Super-Caps haben die höchste Energiedichte aller Kondensatoren. Ihr Vorteil gegenüber Lithium-Akkus ist die hohe spezifische Leistung, wodurch sie Verbrauchern kurzzeitig einen hohen Strom zur Verfügung stellen können. Lithium-Akkus werden seit vielen Jahren als unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) von flüchtigen Speichern eingesetzt. Jedoch ist diese Form der USV nicht immer die beste Lösung. Lithium-Akkus haben eine relativ kurze Lebensdauer, einen eingeschränkten Betriebstemperaturbereich und sind zudem am Ende der Lebensdauer in der Entsorgung sehr problematisch. Die bessere Alternative stellt in vielen Fällen der Superkondensator mit einer hohen Kapazität da.

Superkondensatoren haben im Vergleich zu Lithium-Akkus einige entscheidende Vorteile. So ist die Lebenszeit von Super-Caps im Gegensatz zu Lithium-Akkus mit wenigen tausend Ladezyklen nahezu unbegrenzt. Zudem sind sie wesentlich weniger temperaturabhängig als herkömmliche Lithium-Akkus. Ein Superkondensator arbeitet in einem Temperaturbereich von -25 bis +70°C zuverlässig, während ein Lithium-Akku lediglich einen Temperaturbereich von -10 bis + 60°C zulässt. Superkondensatoren bestehen aus Aluminium, Kohlenstoff und organischem Elektrolyt, alles relativ umweltfreundliche Bestandteile, die wesentlich weniger Entsorgungsprobleme zur Folge haben als Komponenten der Lithium-Akkus. Zudem ist es möglich, sie in relativ kurzer Zeit aufzuladen. So sind sie die beste Alternative, wenn es darum geht einen zuverlässigen Betrieb über einen langen Nutzungszeitraum zu gewährleisten. Der einzige Nachteil ist ihre deutlich geringere Energiespeicherkapazität. So kommen sie für Großspeicher-Anlagen kaum in Frage, sind aber sehr gut zur Überbrückung in Privathaushalten mit Photovoltaik-Anlage geeignet, da sie schnell geladen sind, eine lange Lebensdauer haben, wenig Platz benötigen und in der Lage sind, Energie über mehrere Stunden bis zu einem Tag zu liefern. So ist der Superkondensator in Verbindung mit einer Photovoltaik-Anlage der ideale Stromspeicher.

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