Doppelschicht-Kondensatoren Wie sich unterbrechungsfreie Stromversorgungen mit Ultracaps deutlich verbessern lassen

USVs schützen gegen Unterbrechungen der Netzspannung. Die Technik ist zwar ausgereift — dennoch sind deutliche Verbesserungen möglich. So erhöhen Doppelschicht-Kondensatoren anstelle von Akkumulatoren die Zuverlässigkeit der USV-Systeme sowie die Verfügbarkeitszeit der Verbraucher und zudem verringert sich der Wartungsaufwand erheblich.

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Ausfälle der Spannungsversorgung können nicht nur zu Betriebsunterbrechungen oder gar Produktionsstillstand, sondern, insbesondere bei sensiblen Verbrauchern wie MSR-Systemen, SPS-Steuerungen, IPCs, Modems oder Fernwirkanlagen, zu Geräteschäden, Datenverlusten oder der Zerstörung von Daten führen. Ihnen beugen USV-Systeme vor, die in Form von Gleich- und Wechselrichter, einer Batterie für die Spannungsversorgung und einem Netzgerät vor die Last geschaltet werden und bei einem Ausfall der Netzversorgung die gespeicherte Energie freigeben. Diese Lösung ist jedoch, obwohl technisch ausgereift und seit vielen Jahren standardmäßig für die Absicherung elektronischer Systeme genutzt, weit von dem entfernt, was sich als Optimum für die Versorgung der Verbraucher bezeichnen ließe.

Mit Gleichrichter, Wechselrichter und Netzgerät finden sich drei Fehlerquellen in der Versorgungskette, die erforderlichen drei Wandlungsprozesse verursachen darüber hinaus erhebliche Energieverluste und verringern den Wirkungsgrad auf etwa 70% und darunter.

Akkumulatoren haben eine ganze Reihe von Nachteilen

Eine Verbesserung gegenüber dem Lindwurm aus Gleichrichter, Batterie, Wechselrichter und Netzgerät bringen integrierte Netz-/Ladegeräte mit temperaturgeführter Ladung und Batteriemanagement sowie regelmäßigem automatischen Batterietest. Sie kommen in erster Linie für Anwendungen von 2 A bis 600 A mit langen Pufferzeiten oder hohen Lasten in Betracht.

Die spezifischen Nachteile, die mit Akkumulatoren als Energiespeicher verbunden sind, bleiben jedoch weiterhin bestehen. Akkumulatoren sind, unabhängig von den jeweils verwendeten Inhaltsstoffen, elektrochemische Energiespeicher, deren Prozesse temperaturabhängig ablaufen und deren Lebensdauer ebenso begrenzt ist wie ihre Kapazität. Beim Entladen und Aufladen wird Wärme freigesetzt, bei jedem Lade- und Entladevorgang wird Material verbraucht. Nicht zuletzt beanspruchen die chemischen Prozesse Zeit; die Ladezeit einer Batterie kann mehrere Stunden betragen, in denen die Last bei einem Ausfall der Netzversorgung nicht ausreichend versorgt werden kann.

Der Doppelschicht-Kondensator ist ein Speicher-Riese

Dabei ist es bei weitem nicht so, dass es keine Alternative zu den Akkumulatoren gäbe: Doppelschicht-Kondensatoren, auch als Electronic Double Layer Capacitor (EDLC), Ultrakondensatoren oder Ultracapacitors (Ultracaps) bezeichnet, bewähren sich bereits seit mehreren Jahren als Energiespeicher. Im Unterschied zu den Akkumulatoren speichern Kondensatoren elektrische Energie rein physikalisch, also ohne Umweg über eine chemische Reaktion. Kondensatoren bestehen aus zwei Elektroden und dazwischen dem Dielektrikum als nicht leitender Schicht. Stromfluss durch die Elektroden lädt die eine Elektrode positiv, die andere negativ auf. Die Kapazität der Kondensatoren hängt dabei von der Oberflächengröße der Elektroden und ihrem Abstand zueinander ab. Die Optimierung dieser Faktoren macht aus den Kondensatoren veritable Speicherwunder: Bei Doppelschicht-Kondensatoren werden Kohlenstoff-Elektroden verwendet und anstelle eines Dielektrikums ein Elektrolyt sowie ein Ionen-durchlässiger Isolator. Die Ionen wandern zu den Elektroden und bilden an der Grenze von Kohlenstoff und Elektrolyt eine sehr dünne elektrische Doppelschicht von Ladungsträgern mit hoher Speicherdichte.

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