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Kondensator als Energiespeicher - Referat
Ausarbeitung Physik: Kondensatoren als Energiespeicher
1. Der Kondensator
Ein Kondensator besteht aus zwei leiteten Platten zwischen denen ein Isolierstoff ist.
Durch verbinden mit einer Spannungsquelle fließen alle Elektronen von Minuspol auf eine Platte und alle freien Elektronen zum Pluspol auf die andere Platte.
Jetzt, da beide Platten entgegengesetzt elektrisch geladen sind, entsteht eine elektrisches Feld zwischen ihnen, dass auch nach der Abtrennung von der Spannungsquelle erhalten bleibt.
Um das elektrische Feld zwischen den Platten aufzubauen, wird Energie benötigt, die nach dem abtrennen im Feld gespeichert wird.
Um die elektrische Energie zurückgewinnen zu können, müssen die geladenen Platten über einen Verbraucher zurückgewonnen werden.
Die Aufnahmefähigkeit des Kondensators hängt von der Größe und dem Abstand der beiden Platten, als auch vom Isolierstoff (auch Dielektrikum genannt) zwischen ihnen ab.
Je höher die Kapazität des Kondensators ist, desto mehr Ladung kann von ihm aufgenommen werden.
Das Maß für die Speicherkapazität ist C und die Einheit ist Farad
1.1 Bauarten
a) Folienkondensator
Beide Platten bestehen beim Folienkondensator aus Folien und als Dielektrikum wird eine dünne Isolierfolie verwendet. Durch das Aufwickeln beider Folien hat der Kondensator ein geringes Bauvolumen bei hohem Kapazitätswert.
Um das Bauvolumen noch mehr zu verringern, wird die Isolierfolie mit einer dünnen Metallschicht als Elektroden angedampft.
b) Papierkondensator
Hier ist ein in Isolier- Öl oder in Vaseline getauchtes Spezialpapier das Dielektrikum.
Als Schutz gegen die Flüssigkeit wird er in ein Keramikrörchen eigelötet.
Diese Art von Kondensatoren ist sehr günstig, und wird deshalb oft verwendet.
c) Kunststofffolienkondensator
Es gibt zwei Bauformen, einmal die mit Elektrodenfolie und auch die mit angedampften Elektroden.
Ein noch kleineres Bauvolumen ist möglich, da sich Kunststofffolien dünner und gleich mäßiger herstellen lassen.
Außerdem sind sie sehr zuverlässig.
d) Elektrolytkondensator
Er wurde Speziell für große Kapazitätswerte entwickelt und besteht aus einer Metallelektrode, die zur Bildung des Dielektrikums oxidiert wird und als Gegenkathode einen leitfähigen Elektrolyt besitzt.
1.2 Anwendungen
Marktdomäne Anwendung
Auto Hybride Antriebe, verteilte Versorgung
Busse, LKW Wiedergewinnung der Bremsenergie, Beschleunigung
Telefon Energiepuffer
Aufzüge Spitzenleistung, Notfallleistung
2. Energiespeicher
Energiespeicher benutzt man um Energie zu speichern um sie später zu nutzen.
Kann man eine Energieform wegen verschiedener problematischer Umstände nicht speichern, wird sie in eine andere besser speicherbare Energieform gespeichert. Wenn nötig kann die Energie auch wieder zurückgewandelt werden. Bei der Umwandlung treten immer Verluste auf.
Sie werden nach der gespeicherten Hauptenergieform klassifiziert, aber oft unterscheidet sie sich von der Energie beim Auf- und Entladen.
2.1 Arten der Energiespeicher
thermische Energie:
Wärmeenergie, Fernwärmespeicher
chemische Energie:
anorganisch: galvanische Zelle (Batterie, Akku)
organisch: ADP, ATP, Fett, Kohlenhydrate
mechanische Energie:
kinetische Energie (Bewegungsenergie): Schwungrad
potentielle Energie (Lageenergie): Feder, Pumpspeicherkraftwerk
elektrische Energie:
Kondensator; supraleitender, magnetischer Energiespeicher
2.2 Speichern elektrischer Energie
Elektrische Energie lässt sich nur schwer direkt speichern und ist nur in Kondensatoren oder supraleitenden Spulen möglich. Um elektrische Energie zu speichern ist es wirtschaftlicher sie erst in eine andere Form umzuwandeln und sie dann zu speichern und bei Bedarf wieder zurück zu wandeln.
Bei großen Anlagen geht es nicht um die kurzzeitige Leistungserhöhung, deshalb steht die Wirtschaftlichkeit der Speicherung im Vordergrund (also Investitions- und Betriebskosten)
2.3 Vergleich verschiedener Energiespeicher
Art Max. Leistung in Megawatt Lebensdauer in Zyklen Selbstentladung in %/h
Normaler Kondensator 0,01 100 Mio. 0,01
Superkondensator 0,1 0,5 Mio. 0,2
Batterie- Speicherkraftwerk 27 <1000 0,01
Pumpspeicher-Kraftwerk 1060 >1000 0
3. Das Projekt „Super- Kon“
Beim Projekt Super-Kon sind Wissenschaftler auf der Suche nach Doppelschichtbauelementen, um elektrische Energie besser in einem Superkondensator mit einem effektiven, flexiblen, ökologischen und sicheren System speichern zu können.
Wenn es möglich wäre solche Speicher zu entwickeln, könnte man Angebot und Nachfrage entkoppeln und eine bessere Auslastung vorhandener Anlagen zu ermöglichen.
3.1 Stand der Technik
Als Hauptspeicher für elektrische Energie wurde bisher der Akkumulator verwendet, doch dieser weist aufgrund seiner chemischen Arbeitsweise problematischen Eigenschaften auf (begrenzte Lebensdauer, ökologisch nicht unbedenklich, Erwärmung, begrenzter Temperatureinsatz).
Im Gegensatz zu Akkus, lassen sich Kondensatoren sehr schnell Laden und Entladen und haben eine höhere Lebensdauer. Der große Nachteil bisher ist aber, dass die speicherbaren Energiedichten noch deutlich geringer sind.
Zurzeit werden hauptsächlich keramische Vielschichtkondensatoren, Folienkondensatoren und Doppelschichtkondensatoren verwendet.
3.2 Das Ziel
Das Ziel des ganzen Projekts besteht daraus, einen neuen Kondensator zu entwickel, der wesentlich höhere Energiedichten speichern kann.
4. Goldcaps
Goldcaps sind eine interessante Alternative zu den bisherigen Kondensatoren, da sie sich Blitzschnell laden lassen und mit hohem Strom entladen werden können.
Der einzige große Nachteil bei Goldcaps ist allerdings, dass man sie nur bei geringen Spannungen einsetzen lassen.
4.1 Beispiel
Schütteltaschenlampe
Ein Dauermagnet erzeugt beim schütteln der Taschenlampe eine Induktionsspannung in einer Spule.
Dadurch wird das Goldcap geladen, welches die Lampe mit Energie versorgt.
Für mehrere Minuten Licht muss man nur 30 Sekunden schütteln.
5. Fazit
Um elektrische Energie in Kondensatoren direkt und wirtschaftlich zu speichern muss noch viel erforscht und verbessert werden (max. Leistung & speicherbare Energiedichten erhöhen).
Wenn man es aber schafft diese Punkte zu erreichen, können Kondensatoren die neuen, besseren Batterien der Zukunft werden.
6. Quellen
Bilder (passend zum Thema):
http://www.energieroute.de/images/psw.gif
Informationen:
https://www.tu-braunschweig.de/Medien-DB/imab/09-Jahresberichte/2006/09_guet_2006.pdf
http://www.super-kon.uni-halle.de/projekt_super_kon.pdf
http://de.wikipedia.org/wiki/Energiespeicher
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