USV für Industrie-Anwendungen: Wie Supercaps Akkus ersetzen könnten

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Superkondensatoren oder Supercaps können Kapazitäten bis 10'000 Farad erreichen und übertreffen Blei- und Li-Ionen Akkus bei bestimmten Eigenschaften deutlich.

• Im Bereich Energiespeicher sind in den letzten Jahren viele Fortschritte gemacht worden.

• Die Autoindustrie mit ihrem stetigen Bedarf an hochkapazitiven Akkus ist eine treibende Kraft.

• Nicht alles was Energie speichert, muss auf Lithium-Ionen oder Metallhybriden basieren.

• Superkondensatoren oder Supercaps könnten sich zu einer Alternative entwickeln.

Seit einiger Zeit entwickeln sich Kondensatoren zu einer interessanten Alternative. Die so genannten Superkondensatoren oder Supercaps können Kapazitäten bis 10'000 Farad erreichen und übertreffen Blei und Li-Ionen Akkus bei bestimmten Eigenschaften um Längen.

Alte Technologie, neue Anwendungen

Superkondensatoren, auch Ultrakondensatoren genannt, sind elektrochemische Kondensatoren und als solche eine Weiterentwicklung der in der Elektronik üblichen Doppelschichtkondensatoren. Im Vergleich zu Akkumulatoren gleichen Gewichts weisen Superkondensatoren nur etwa 10 Prozent von deren Energiedichte auf, allerdings ist ihre Leistungsdichte etwa 10- bis 100-mal so groß. Superkondensatoren können deshalb sehr viel schneller ge- und entladen werden. Sie überstehen außerdem sehr viel mehr Lade- und Entladezyklen als Akkus und eignen sich deshalb als deren Ersatz oder Ergänzung, wenn eine große Zyklenzahl erforderlich ist wird.

Das Einsatzgebiet dieser Supercaps reicht von der Bereitstellung kleinster Ströme zum Datenerhalt von statischen Speichern (SRAM) in elektronischen Geräten bis in den Bereich der Leistungselektronik. So werden Supercaps zum Beispiel als Energiespeicher im KERS-System von Formel-1-Rennwagen oder bei der Nutzbremsung von Bussen und Bahnen eingesetzt. Wichtig ist, den richtigen Einsatzbereich auszuwählen. Einen Supercap für längere Überbrückungszeiten im Bereich mehrerer Minuten zu verwenden, ist aus Kostengründen uninteressant. Preislich liegt ein hochwertiger Bleiakku bei diesem Einsatzzweck um den Faktor 5 bis 10 niedriger. Allerdings lassen sich Supercaps fast unbegrenzt oft aufladen, die Größenordnung liegt bei etwa einer Million Ladezyklen. Zudem geben sie durch ihren außergewöhnlich niedrigen Innenwiderstand hohe Ströme in sehr kurzer Zeit ab. Damit sind sie für zyklisch genutzte Anwendungen, die im Bereich einiger Sekunden extreme Leistungen abfordern, eine bessere Wahl als jede Batterietechnologie.

Anwendungsfall Peak-Shaving

Ein solcher Anwendungsfall findet sich im Umfeld des Energiemanagements, beim so genannten Peak-Shaving. Dabei versuchen Industriekunden den vereinbarten maximalen Stromverbrauch nie, nicht einmal für sehr kurze Zeit zu überschreiten, weil dadurch die Bereitstellungsgebühr dramatisch ansteigt. Den meisten Unternehmen ist die Abhängigkeit der Kosten von Lastspitzen bewusst, sie haben aber keine Möglichkeiten dagegen vorzugehen. Der Stromverbrauch eines industriellen Betriebs lässt sich nur in Maßen anpassen, vor allem nicht auf die Schnelle. Ein gangbarer Weg setzt auf Supercaps in Verbindung mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV). In diesem Fall übernimmt die USV die Versorgung der Last, wenn der Energiebedarf über das erlaubte Maximum steigt. Solche Systeme sind schon heute im Einsatz, sie nutzen in der Regel aber Akkus. Aufgrund der begrenzten Ladezyklen kann die Anlage aber nicht so effektiv wirken oder der Anwender muss mit einem hohen Verschleiß der Akkus rechnen. Nutzt man hingegen Superkondensatoren, spielt diese Limitierung keine Rolle. Dann kann eine unerwünschte Spitzenlast auch für wenige Sekunden abgefangen werden, was im industriellen Einsatz häufig zutrifft. Dazu kommt, dass die Lebensdauer der Supercaps deutlich höher ist als bei Akku-Technologien. Selbst bei 40 Grad Celsius Umgebungstemperatur liegt sie noch im Bereich von 8 bis 10 Jahren. Ein Standard-Bleiakku hätte schon bei dieser Temperatur nur noch ein Viertel seiner regulären Lebensdauer.

Supercaps: Sehr viel Strom in sehr kurzer Zeit

Aufgrund des niedrigen Innenwiderstands liefern Supercaps extrem hohe Leistungen. Eine entsprechende, auf Peak-Shaving ausgelegte USV von Wöhrle Stromversorgungssysteme schafft beispielsweise bis zu 2,4 MW (ca. 4 kA) für eine Sekunde. Mit niedrigeren Abgabeleistungen sind auch wesentlich längere Überbrückungszeiten machbar. Durch die inzwischen verfügbaren Supercaps in Blockbauweise ist die Integration in Standardprodukte problemlos und schnell möglich. Das führt zu kostengünstigen Produkten wie die Supercaps-USV von Wöhrle Stromversorgungssysteme, die auch in anspruchsvollen Umgebungen einsetzbar sind. Weil Supercaps nicht ausgasen wie Bleiakkus, benötigt ihr Gehäuse keinen Luftaustausch. Sie lassen sich in einem komplett gekapselten Rack verbauen, mit dem Schutzklassen von IP67 realisierbar sind. Ein weiterer Vorteil im praktischen Einsatz ist die Unempfindlichkeit gegen Tiefentladung, was bei Bleiakkus in der Regel zu irreparablen Schäden führt. Daraus leitet sich ein zusätzlicher, nicht zu vernachlässigender, Faktor ab: Supercaps können komplett entladen verschickt und verbaut werden. Transport und Handhabung werden dadurch sehr viel sicherer und unkomplizierter.

Die spezifischen Vorteile diese Lösungen eignen sie perfekt für unterbrechungsfreie Stromversorgungen im Industrieumfeld. Industriekunden stellen andere Anforderungen an eine USV als in der klassischen IT. Hier geht es nicht darum einen Server für die Dauer des Stromausfalls weiter zu betreiben, sondern einen geordneten Shut-Down der Produktionsanlage zu erreichen. CNC-Bearbeitungszentren benötigen zu viel Strom, als dass sie während eines längeren Ausfalls weiter betrieben werden könnten. Wichtig ist, das Werkzeug aus dem Werkstück zu entfernen, weil das Beschädigungen an den häufig viele Zehntausend Euro teuren Werkzeugen verhindert. Die zweite Aufgabe ist, alle Positionsdaten zu speichern und danach einen gesteuerten Shut-Down einzuleiten. So kann die Produktion nach der Rückkehr des Stroms nahtlos wieder aufgenommen werden. Solche USVs müssen nahe am Verbraucher aufgebaut sein und sind daher den rauen Umgebungsbedingungen der Produktionshalle ausgesetzt. Unempfindliche Energiespeicher wie Supercaps helfen dabei, die Kosten für das Gehäuse niedrig zu halten und die Verfügbarkeit der USV sicherzustellen. Auch hier ist die Leistungsabgabe für einige Sekunden bis zu zwei Minuten extrem hoch, was von Supercaps deutlich besser verkraftet wird, als von Akku-Technologien.

Redundante Versorgung durch modularen Ansatz

Die Supercap-USV von Wöhrle Stromversorgungssysteme nutzt dafür vier Leistungsmodule mit je 25 kW Kapazität, die in einer n+1 Konfiguration 75 kW Nutzlast redundant versorgen können. Die USV ist in einem staub- und spritzwassergeschützten Rittal-Schrank verbaut und verwendet acht in Reihe geschaltete Supercap-Blöcke von Skeleton Technologies. Diese Blöcke haben je 177 Farad Kapazität (216 kW) und liefern bei 51 Volt Nennspannung einen Spitzenstrom von 2,6 kA für eine Sekunde. Als Ergebnis kann die USV Standard-Industrielasten mit 400 V versorgen. Sollten längere Überbrückungszeiten oder höhere Ströme nötig werden, lassen sich zusätzliche Speicher in einem externen Schrank unterbringen. Wichtig ist, dass der Hersteller der USV das Zellenmanagement berücksichtigt und in seinem Betriebskonzept umsetzt. Dazu hat jeder Supercap-Block einen CAN-Bus Kommunikationsanschluss, der den Zugriff für das Lademanagement erlaubt.

Supercaps als sinnvolle Alternative

Supercaps haben einen Reifegrad erreicht, der den Einsatz in sehr anspruchsvollen Einsatzszenarien erlaubt. Mit ihren spezifischen Vorteilen bei Zyklenfestigkeit und Stromabgabe sind sie Akku-Technologien überlegen und erzielen, korrekte Planung des Einsatzfalles, deutlich bessere Leistungen als Blei- oder Li-Ionen-Akkus. Besonders im industriellen Umfeld können Supercaps eine sinnvolle Alternative zu herkömmlichen Energiespeichern sein. Wichtig ist, dass die Hersteller ihre Produkte optimal auf die spezifischen Möglichkeiten der Supercaps abgestimmt haben und der Leistungsteil des Gesamtsystems den extremen Strömen standhält. Dazu gilt: Unabhängig vom verwendeten Energiespeicher müssen Redundanz und Verfügbarkeit durch entsprechende Maßnahmen wie Modularität gewährleistet sein.

Weitere Informationen: https://www.woehrle-svs.de/

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