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Kondensator

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Definition: ein elektrischer Energiespeicher oder eine Vorrichtung für die Kondensation

Englisch: capacitor, condenser

Kategorien: elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 29.11.2012; letzte Änderung: 02.01.2015

Der Begriff Kondensator wird für gänzlich unterschiedliche Dinge verwendet:

Kondensator als elektrischer Energiespeicher

Grundprinzip

Ein elektrischer Kondensator besteht im Wesentlichen aus zwei elektrischen Leitern, zwischen denen ein elektrisch isolierendes Medium (ein Dielektrikum) angebracht ist. Beispielsweise kann eine Kunststofffolie zwischen zwei Metallfolien angebracht sein. Zwei elektrische Anschlüsse, die mit den beiden Leitern verbunden sind, werden nach außen geführt. Wenn eine elektrische Spannung an diese Anschlüsse angelegt wird, wird der Kondensator aufgeladen, d. h. es fließt eine elektrische Ladung auf einen der Leiter, und die gleiche Ladungsmenge fließt vom anderen Leiter ab.

Die gespeicherte Ladungsmenge Q ist proportional zur angelegten Spannung U:

Ladung auf Kondensator mit Kapazität C

wobei C die Kapazität des Kondensators ist (gemessen in Einheiten von F = Farad). Die Kapazität ist umso höher, je größer die Leiter sind und je dichter sie beisammen liegen.

Das Zufügen weiterer Ladungen braucht immer mehr Energie, da dies gegen die dabei zunehmende Spannung geschehen muss. Die gespeicherte Energie steigt deswegen mit dem Quadrat der Spannung bzw. der Ladungsmenge:

gespeicherte Energie im Kondensator

Die Energie wird nicht etwa in den Leitern, sondern vielmehr im Isolator dazwischen gespeichert: Sie ist im elektrischen Feld enthalten. Die maximale Energiedichte im Isolator ist begrenzt durch die elektrische Feldstärke, die der Isolator aushalten kann. (Bei zu großer angelegter Spannung, d. h. zu großer Feldstärke, erfolgt ein elektrischer Durchschlag, der meist zur Zerstörung des Kondensators führt.) Die Energiedichte des gesamten Kondensators ist natürlich geringer als die im Isolator, weil auch die Leiter und die äußere Hülle Platz brauchen bzw. Masse einbringen.

Bauformen

Die einfachste Form eines Kondensators besteht aus zwei ebenen Metallplatten mit einem Luftspalt dazwischen. Solche Anordnungen weisen aber recht niedrige Kapazitäten auf, da die Fläche der Platten begrenzt ist und der Luftspalt nicht allzu klein sein kann.

Größere Kapazitäten mit kompakten Bauformen erhält man durch Aufwickeln von Folien: Dünne Isolatorfolien z. B. aus einem Kunststoff trennen metallische Folien. Möglichst dünne Isolatorfolien erlauben eine hohe Kapazität, führen aber zu einer geringeren Spannungs-Belastbarkeit.

Bei Elektrolytkondensatoren ist das Dielektrikum eine sehr dünne Oxidschicht, die auf einer Seite durch einen Elektrolyten (eine leitfähige Flüssigkeit) kontaktiert wird. Diese Bauart erlaubt relativ hohe Kapazitäten und Energiedichten in der Größenordnung von 50 J/kg. Solche Energiedichten sind aber sehr gering im Vergleich zu Batterien (grob geschätzt 1000 mal geringer), wohingegen die Leistungsdichte von einigen kW/kg rund 10 bis 100 mal höher ist.

Sogenannte Superkondensatoren (auch Ultrakondensatoren, Doppelschichtkondensatoren, Pseudokondensatoren, Hybridkondensatoren) speichern die Energie nur zum Teil als elektrostatische Energie wie bei anderen Kondensatoren, und zum Teil auch in elektrochemischer Form. Ihre Energiedichte liegt wesentlich oberhalb der von anderen Kondensatoren, ist andererseits aber deutlich niedriger als die von Batterien. Ihre Leistungsdichte ist sehr hoch (ähnlich wie bei Elektrolytkondensatoren), und sie können sehr viele Lade-/Entladezyklen überstehen. Bei Verwendung innerhalb der erlaubten Grenzen bzgl. Spannung und Lade-Entlade-Stromstärke ist ihre Lebensdauer sehr lang, wohingegen selbst eine kurzzeitige Überspannung zur sofortigen Zerstörung führen kann.

Die Energieverluste bei der Speicherung in Kondensatoren sind meist sehr gering. Am ehesten treten Energieverluste in der Elektronik auf, die einen Kondensator auflädt oder entlädt. Da sich die Spannung beim Aufladen erhöht bzw. beim Entladen absinkt und sich dabei in einem weiten Bereich bewegen kann, wird meist eine entsprechende Elektronik zur Anpassung der Spannung an die Ladequelle bzw. den Verbraucher benötigt. Bei einer Batterie ändert sich die Klemmenspannung beim Laden oder Entladen erheblich weniger.

Ein wichtiger Unterschied zwischen Kondensatoren (gleich welcher Bauart) und Batterien ist, dass die elektrische Spannung eines Kondensators beim Auf- und Entladen einen weiten Bereich durchläuft, während sie bei Batterien in einem nicht allzu großen Bereich variiert. Dies ist ein Problem bei der Speisung von Verbrauchern, die eine bestimmte Spannung benötigen. Man muss dann in der Regel eine geeignete Elektronik zur Anpassung der Spannung (z. B. einen DC-DC-Spannungswandler) einsetzen.

Anwendungen von Kondensatoren

Kondensatoren sind die einzigen Energiespeicher, die direkt elektrische Energie speichern (ohne Umwandlung in eine andere Energieform, mit Ausnahme der teilweise elektrochemischen Speicherung bei Superkondensatoren). Obwohl sie nur relativ geringe Energiemengen speichern können, sind sie für diverse Anwendungen geeignet:

  • Ein Superkondensator kann in einem Hochleistungs-Elektroauto oder in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb als Ergänzung zur Batterie dienen. Seine hohe Leistungsdichte erlaubt die schnelle Aufnahme von Energie beim Bremsen (Rekuperation) oder die schnelle Abgabe beim Beschleunigen. Batterien sind diesbezüglich stärker begrenzt, und ihre Lebensdauer kann bei starker Belastung leiden. Andererseits kann ein Superkondensator die Batterie nicht ersetzen, sondern nur ergänzen, da seine Energiedichte zu niedrig ist.
  • Ein mit einer Wechselspannung betriebener Gleichrichter ohne einen Energiespeicher erzeugt eine pulsierende Gleichspannung. Diese kann zeitlich geglättet werden mit Hilfe eines Kondensators. (Hierfür kommen meist Elektrolytkondensatoren zum Einsatz.) Die Energiespeicherung erfolgt hier nur über sehr kurze Zeiten, etwa entsprechend dem zeitlichen Abstand der Halbwellen der Wechselspannung. Bei der normalen Netzfrequenz von 50 Hz geht es um ca. 10 Millisekunden.
  • Beim Anschluss an eine Wechselspannung wird ein Kondensator ständig geladen und entladen. Der Stromfluss eilt der Spannung zeitlich voraus, da die Spannung durch Zufügen von elektrischer Ladung anwächst. Die ständig zwischen Kondensator und Spannungsquelle hin- und herlaufende Energie entspricht einer kapazitiven Blindleistung, die zur Kompensation induktiver Blindleistung (z. B. von Elektromotoren) genutzt werden kann.

Kondensator als eine Vorrichtung für die Kondensation

Kältemaschinen und Wärmepumpen

Bei einer Kältemaschine oder einer Wärmepumpe ist der Kondensator das Bauteil, in dem das Kältemittel kondensiert (verflüssigt) wird. Der Kondensator (auch als Verflüssiger bezeichnet) ist als Wärmeübertrager ausgeführt: Er dient bei der Kältemaschine zum Abführen von Abwärme, bei der Wärmepumpe zum Abnehmen der Nutzwärme. Auf der Rückseite eines handelsüblichen Kühlschranks findet man den Kondensator in Form einer Leitung, die schlangenförmig hin- und her geführt wird und mit metallischen Teilen zur Verbesserung der Wärmeabfuhr verbunden ist. Bei manchen luftgekühlten Kondensatoren wird die Wärmeabfuhr mit einem daran angebrachten Ventilator verstärkt.

Dampfturbinen

Bei Dampfturbinen dient der Kondensator (ein Wärmeübertrager) der Niederschlagung des Dampfes nach Durchströmen der Turbine. Das dann flüssige Wasser wird zum Dampferzeuger gepumpt. Da es ein viel kleineres Volumen aufweist als der Dampf, ist hierfür nur ein kleiner Teil der mechanischen Energie nötig, die die Turbine liefert.

Die im Kondensator entstehende Kondensationswärme wird meist über Kühlwasser abgeführt und über einen Kühlturm ungenutzt in die Umwelt abgegeben. Es ist aber auch eine Nutzung z. B. für Fernwärme möglich, wenn die Kondensatortemperatur erhöht wird, was allerdings die Ausbeute an elektrischer Energie etwas vermindert.

Wärmerohre

In einem Wärmerohr (Heat Pipe) ist der Kondensator das Ende, an dem das verdampfte Wärmeübertragungsmedium kondensiert und die Wärme abgibt.

Luftentfeuchter und Lufttrockner

Manche Geräte wie beispielsweise Luftentfeuchter und Wäschetrockner enthalten eine Vorrichtung, in der feuchte Luft getrocknet wird, indem man sie abkühlt und damit den Wasserdampf zumindest teilweise zur Kondensation zwingt. Häufig handelt es sich um eine Art von Wärmeübertrager, der beispielsweise mithilfe kalten Wassers oder kalter Luft gekühlt wird.

Siehe auch: Energiespeicher, Batterie, Wärmerohr, Verdampfungswärme und Kondensationswärme, Luftentfeuchter, Wäschetrockner, Wärmeübertrager
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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