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Superkondensatoren

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  1. Superkondensatoren

    Autor: AllDayPiano 19.02.16 - 09:53

    Es gibt viele Gründe, warum in der Elektrotechnik keine Superkondensatoren verbaut werden:

    1) Haltbarkeit. Superkondensatoren haben nur begrenzte Zyklen und verlieren drastisch Kapazität.
    2) Eine sehr geringe Maximalspannung von 1,8V. Zwar kann man die Betriebsspannung durch Reihenschaltung erhöhen, dadurch nimmt die Kapazität aber drastisch ab.
    3) Der Ladestrom MUSS sehr klein sein, da die chemischen Vorgänge in Superkondensatoren sehr langsam ablaufen. Auch das Entladen darf nicht schnell gestehen, da durch höhe Ladeströme die Nanostruktur des Kondensators zerstört wird.

    Insgesamt frage ich mich da schon, was solche Dinger im Auto zu suchen haben. Vor allem frage ich mich, wie viele Kondensatoren man denn mitschleppen will, um so ein Auto überhaupt sinnvoll anzutreiben.

  2. Re: Superkondensatoren

    Autor: Sharra 19.02.16 - 10:06

    Ich glaube du hast völlig veraltete Informationen.

    Supercaps haben keine chemische Reaktion im Sinne von Akkus. Sie sind chemische Ladungsträger auf Ionenbasis, ohne dass dort Elektrolyte oder sonst etwas rumfließen.
    Demzufolge wird der zulässige Ladestrom einzig und allein über den Innenwiderstand begrenzt, und das hat zur Folge, dass man die Dinger bedeutend stärker belasten kann, und zwar in beide Richtungen, als man es bei Akkus je könnte.

    Gleiches gilt für die Lebensdauer. Wir haben, wie erwähnt, keine chemische Bindungssysteme, und somit keine nennenswerte Verluste in der Kapazität. Die Dinger altern zwar sehr wohl, aber vorrangig durch Gasdiffusion, und somit abnehmender Ladungsträgermaterialien.

    Und was die Spannung angeht: Je nach Typ kann man sie auch mit bis zu 4 Volt betreiben. Ausserdem sollte das wohl kaum das Problem sein. Spannungen lassen sich ja bekanntlich beliebig hoch oder runterschalten.

    Insofern: Keine haltbaren Gegenargumente gefunden.

  3. Re: Superkondensatoren

    Autor: Netzweltler 19.02.16 - 10:46

    Mögliche Alternative: Schwungmassen. Porsche hat in den Fahrzeugen für eine elektrische Rennsportserie mal solche verbaut. Die nehmen beim Bremsen die Energie auf und geben sie beim Beschleunigen wieder ab. Das schont die Batterien.

  4. Re: Superkondensatoren

    Autor: Sharra 19.02.16 - 10:48

    Netzweltler schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Mögliche Alternative: Schwungmassen. Porsche hat in den Fahrzeugen für eine
    > elektrische Rennsportserie mal solche verbaut. Die nehmen beim Bremsen die
    > Energie auf und geben sie beim Beschleunigen wieder ab. Das schont die
    > Batterien.

    Wie das Wort Schwung-MASSE aber schon impliziert, schleppt man die meiste Zeit totes Gewicht mit sich rum. Halte ich nicht für das Ei des Kolumbus.

  5. Re: Superkondensatoren

    Autor: Eheran 19.02.16 - 10:51

    1. Quelle bzw. wir reden hier von einem Auto, ja? Das macht keine 10'000 Zyklen pro Tour.
    2. Aktuelle haben >2,5V. Hinter mit liegen welche mit 2,7V - das ist mehr als die doppelte Energiedichte. E=c*V² (Energieinhalt = Kapazität*Spannung²)
    3. Ä.... what...? Schau mal hier im Datenblatt
    700-2000A. Das sind 5kW mit einem einzigen etwa faustgroßen Kondensator.
    Nach 1'000'000 Zyklen bei Maximalspannung nur 20% Kapazitätsverlust.

  6. Re: Superkondensatoren

    Autor: Netzweltler 19.02.16 - 10:52

    Sharra schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    >
    > Wie das Wort Schwung-MASSE aber schon impliziert, schleppt man die meiste
    > Zeit totes Gewicht mit sich rum. Halte ich nicht für das Ei des Kolumbus.

    Wenn die Energiedichte bei einer Schwungmasse größer ist als bei Supercaps (bei selbem Gewicht), dann ist das durchaus von Vorteil.

  7. Re: Superkondensatoren

    Autor: Gandalf2210 19.02.16 - 10:55

    Mit dem drastisch an Kapazität verlieren bei reihen Schaltung stimmt zwar, aber was ist daran der Nachteil.
    Zwei in Reihe macht halbe Kapazität und doppelte Spannung, nach w=1/2 CU^2 doppelte Energie.
    Alles andere wäre bei zwei Kondensatoren auch unlogisch.

  8. Re: Superkondensatoren

    Autor: Sebbi 19.02.16 - 11:05

    Netzweltler schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Sharra schrieb:
    > ---------------------------------------------------------------------------
    > -----
    > >
    > > Wie das Wort Schwung-MASSE aber schon impliziert, schleppt man die
    > meiste
    > > Zeit totes Gewicht mit sich rum. Halte ich nicht für das Ei des
    > Kolumbus.
    >
    > Wenn die Energiedichte bei einer Schwungmasse größer ist als bei Supercaps
    > (bei selbem Gewicht), dann ist das durchaus von Vorteil.

    Das lässt sich leicht ausrechnen. Wie schnell muss sich eine Schwungmasse von 10 kg drehen um die gleiche Energie wie ein 10 kg schwerer Supercap halten zu können.

    Kann eine Schwungmasse überhaupt so schnell Energie speichern wie das mit Kondensatoren möglich ist?

  9. Re: Superkondensatoren

    Autor: Eheran 19.02.16 - 11:32

    Erstmal ist die Energiedichte irrelevant - dann könnte man auch einen Li-ion Akku nutzen, der hat eine viel höhere.

    Schauen wir uns die Leistungsdichte mal an:
    6kW/kg für die Kondensatoren, mach 60kW aus 10kg.
    Schwungrad:
    >Die Rotoren von Systemen mit hohen Drehzahlen werden aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) gefertigt und rotieren mit 20.000 bis über 50.000 Umdrehungen pro Minute. [...] Solche Systeme können in wenigen Minuten auf Nenndrehzahl gebracht werden

    Bei 30'000U/min und einer Minute um diese zu erreichen, einem Durchmesser von 30cm braucht das Schwungrad also eine Masse von grob:
    Energie/kg= 0,2*m*r²*(2*pi*50'000/60)/m=0,2*0,15m²*(6,3*833U/s)=24W/kg
    Wenn ich 24W in einer Minute speichern kann, dann ist das... irgendwie ganz wenig Leistung. Ich habe mich verrechnet? Kann das mal wer prüfen?
    Eig. sollte die Leistungsdichte der Schwungrades durchaus hoch sein.

  10. Re: Superkondensatoren

    Autor: Sharra 19.02.16 - 11:49

    Sebbi schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Netzweltler schrieb:
    > ---------------------------------------------------------------------------
    > -----
    > > Sharra schrieb:
    > >
    > ---------------------------------------------------------------------------
    >
    > > -----
    > > >
    > > > Wie das Wort Schwung-MASSE aber schon impliziert, schleppt man die
    > > meiste
    > > > Zeit totes Gewicht mit sich rum. Halte ich nicht für das Ei des
    > > Kolumbus.
    > >
    > > Wenn die Energiedichte bei einer Schwungmasse größer ist als bei
    > Supercaps
    > > (bei selbem Gewicht), dann ist das durchaus von Vorteil.
    >
    > Das lässt sich leicht ausrechnen. Wie schnell muss sich eine Schwungmasse
    > von 10 kg drehen um die gleiche Energie wie ein 10 kg schwerer Supercap
    > halten zu können.
    >
    > Kann eine Schwungmasse überhaupt so schnell Energie speichern wie das mit
    > Kondensatoren möglich ist?

    Du darfst aber nicht vergessen dass die Supercaps sowieso drin sind, und als Energiespeicher generell dienen, währen die Schwungmasse extra dazukäme.
    Das Gewicht der Supercaps ist also im Grunde nicht relevant.

  11. Re: Superkondensatoren

    Autor: Ach 19.02.16 - 12:03

    Bei der Schwungmasse kommt es nicht allein auf die Masse an, sondern auch auf die Drehzahl. Da lässt man eine relativ geringe Masse mit 40, 60K oder noch viel mehr U/min drehen. Da ist die Energiedichte und Kapazität durchaus konkurrenzfähig zu den Supercaps, sonst hätte Porsche auch kaum Schwungradspeicher in seinen Turenwagen eingebaut. Was bei rotierenden Körpern allerdings nicht konkurrenzfähig ist, ist einmal die Lautstärke dieser hoch drehender Körper, deren Verschleiß und die Effizienz. Da hat der Schwungradspeicher keine Chance.

  12. Re: Superkondensatoren

    Autor: IncredibleKolja 19.02.16 - 14:49

    Netzweltler schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Mögliche Alternative: Schwungmassen. Porsche hat in den Fahrzeugen für eine
    > elektrische Rennsportserie mal solche verbaut. Die nehmen beim Bremsen die
    > Energie auf und geben sie beim Beschleunigen wieder ab. Das schont die
    > Batterien.

    Nicht nur Porsche. Ist aber anscheinend recht still geworden um das Thema:

    http://www.zeit.de/auto/2013-06/volvo-schwungrad-antrieb

  13. Re: Superkondensatoren

    Autor: Sev0r 19.02.16 - 15:39

    Eheran schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Erstmal ist die Energiedichte irrelevant - dann könnte man auch einen
    > Li-ion Akku nutzen, der hat eine viel höhere.
    >
    > Schauen wir uns die Leistungsdichte mal an:
    > 6kW/kg für die Kondensatoren, mach 60kW aus 10kg.
    > Schwungrad:
    > >Die Rotoren von Systemen mit hohen Drehzahlen werden aus
    > kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) gefertigt und rotieren mit
    > 20.000 bis über 50.000 Umdrehungen pro Minute. [...] Solche Systeme können
    > in wenigen Minuten auf Nenndrehzahl gebracht werden
    >
    > Bei 30'000U/min und einer Minute um diese zu erreichen, einem Durchmesser
    > von 30cm braucht das Schwungrad also eine Masse von grob:
    > Energie/kg= 0,2*m*r²*(2*pi*50'000/60)/m=0,2*0,15m²*(6,3*833U/s)=24W/kg
    > Wenn ich 24W in einer Minute speichern kann, dann ist das... irgendwie ganz
    > wenig Leistung. Ich habe mich verrechnet? Kann das mal wer prüfen?
    > Eig. sollte die Leistungsdichte der Schwungrades durchaus hoch sein.


    Was willst du eigentlich sagen? Du sprichst von einer Masse rechnest dann aber Energie/kg und schreibst als Ergebniss eine Leistungsdichte?? Abgesehen davon verstehe ich deine Formel für die ENERGIEdichte nicht ganz? Die sollte eigentlich lauten:

    Energiedichte= Energie/kg=0,5*r^2*omega^2=0,5*0,3^2*(50'000*2*pi/60)^2=0,5*0,3^2*5236^2=1,2MJ/kg

    und das ist eine recht ansehliche Energiedichte. Wenn du die Leistungsdichte für eine Minute berechnen willst, beim hochfahren, dann müsstest du die 1,2 MegaJoule durch das Zeitinterval dividieren:

    Leistungsdichte=1'200'000/60=20kW/kg

    Vielleicht wolltest du aber auch etwas anderes ausrechnen? Dein Post ist sehr verwirrend.

    mfg,
    Sev0r



    1 mal bearbeitet, zuletzt am 19.02.16 15:42 durch Sev0r.

  14. Re: Superkondensatoren

    Autor: Eheran 19.02.16 - 16:19

    >Was willst du eigentlich sagen? Du sprichst von einer Masse rechnest dann aber Energie/kg und schreibst als Ergebniss eine Leistungsdichte??
    Ja, genau wie du.
    Nur konnte/wollte ich aufgrund meines Rechenfehlers nicht zuende rechnen.
    >Energiedichte= Energie/kg=0,5*r^2*omega^2=0,5*0,3^2*(50'000*2*pi/60)^2=0,5*0,3^2*5236^2=1,2MJ/kg
    Es muss statt r² das Trägheitsmoment eingesetzt werden. Das ergibt sich annähernd zu m*r², daher das m in meiner Formel. Es kürzt sich allerdings in diesem Fall raus, weil wir durch die Masse teilen, also sei es drum.
    Mein Fehler war, dass ich omega nicht quadriert hatte und dass ich mich bei der Formel für das Trägheitsmoment verguckt hatte, wodurch der Faktor von 0,2 zustande kam...
    Korrekt sind es also (du hast mit dem Durchmesser gerechnet, nicht mit dem Radius): 300kJ/kg
    In einer Minute geladen sind das dann etwa 5kJ/s bzw. 5kW. So musste es auch aussehen - von der Größenordnung ähnlich. Danke für deine Hilfe beim Fehlersuchen :)

  15. Re: Superkondensatoren

    Autor: Sev0r 19.02.16 - 18:52

    Ah ja danke. Auf Radius oder Durchmesser hab ich dann gar nicht mehr geachtet weil ich so verwirrt war. Die Masse aus dem Trägheitsmoment war schon rausgekürzt wegen der Dichte und der Faktor 0,5 kommt ja vom moment einer scheibe.

  16. Re: Superkondensatoren

    Autor: AllDayPiano 20.02.16 - 09:05

    Das alles ändert nichts daran dass man diese Energie nicht nutzen kann - das reimt sich und was sich reimt ist gut :)

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