Applicazioni dei Supercondensatori

Dopo aver discusso in dettaglio, nei precedenti articoli, sulla composizione e sul funzionamento dei Supercondensatori, esaminiamo le possibili applicazioni di questa nuova tipologia di componente, aperto senza dubbio a future innovazioni della tecnologia. I supercondensatori stanno prendendo il posto di batterie e condensatori convenzionali in molte applicazioni. Possiedono una maggiore densità di potenza rispetto alle batterie e alle celle a combustibile e una maggiore densità di energia rispetto ai condensatori convenzionali.

Introduzione

I supercondensatori stanno attirando molta attenzione per la loro rapida capacità di carica e scarica, alta densità di potenza e lunga durata (vedi modello XL di Omega Fusibili in figura 1). La facilità di fabbricazione e la loro leggerezza li rendono adatti per un’ampia gamma di applicazioni come dispositivi di accumulo di energia elettrica. Sono utilizzati in dispositivi elettronici portatili, backup di memorie, alimentatori di backup, veicoli ibridi, trasporti e dispositivi indossabili. Vi sono sostanziali differenze tra i condensatori tradizionali e i supercondensatori. Questi ultimi sono dotati di armature molto grandi e il dielettrico è estremamente sottile (leggermente più spesso di una molecola) e composto da materiali speciali. Per questo motivo non possono essere utilizzati per tensioni molto elevate. L’area delle armature è maggiore in quanto le piastre sono realizzate in metallo e rivestite da una sostanza porosa che ne aumenta a dismisura la superficie e l’efficienza è quasi del 100%.

Il rilascio di energia avviene istantaneamente. La sua altissima capacità di accumulo si deve ad alcuni motivi principali, che determinano molti aspetti vantaggiosi:

  • le sue armature hanno un’area effettivamente molto più grande;
  • la distanza tra esse è molto ridotta, poiché il separatore funziona in modo alquanto diverso da un dielettrico convenzionale;
  • si caricano e scaricano in un tempo quasi immediato;
  • pesano poco e occupano uno spazio limitato;
  • hanno lunga durata nel tempo (quasi infinita, i limiti di vita non sono legati al supercap ma all’applicazione su cui sono usati);
  • la loro efficienza è molto alta;
  • il loro ciclo di vita è illimitato;
  • possono fornire ottime prestazioni a qualsiasi temperatura;
  • sono caratterizzati da un’elevata stabilità termica;
  • hanno un’affidabilità massima;
  • non prevedono reazioni chimiche e non risultano, quindi, pericolosi per la salute umana.
  • l’eventuale smaltimento non richiede particolari procedure, non è chimico. Sono contenitori di energia puliti rispetto alle batterie che hanno molti problemi di smaltimento.

Gli utilizzi dei supercondensatori sono praticamente infiniti. Sia nei settori di potenza che non, tali componenti forniscono il loro indispensabile contributo senza, praticamente, riportare effetti collaterali o negativi. Alcune applicazioni riguardano il loro uso nei contatori, nei misuratori, negli UPS e nei sistemi RTC.

Figura 1: un supercondensatore da ben 3000 Farad

Per i settori di potenza ricordiamo quello dei trasporti, dell’illuminazione, delle applicazioni industriali e del settore automobilistico. Anche la fusione dei metalli e la saldatura può trovare un utile sbocco con tali dirompenti dispositivi.

La possibilità di immagazzinare una grande quantità energia e di rilasciarla istantaneamente è una prerogativa non da poco. In futuro si vedrà, probabilmente, un utilizzo preponderante in modalità ibrida accanto alle batterie, per sfruttare al meglio i vantaggi di entrambe le fonti di energia. Andiamo, adesso, a esaminare alcuni tipi di applicazioni dei supercondensatori.

Il supercondensatore: un componente estremamente pulito

I supercondensatori sono componenti puliti e verdi, sia per l’efficienza energetica che essi forniscono che per le operazioni di smaltimento. I supercondensatori immagazzinano energia molto meglio di qualsiasi altro dispositivo.

La prossima generazione di ultracondensatori sarà caratterizzata da prestazioni ancora migliori, economicità e impatto ecologico molto importante. L’eventuale smaltimento non richiede particolari procedure e accorgimenti. Non vi sono componenti chimici inquinanti, al contrario delle batterie che incontrano molti problemi di smaltimento e di dismissione.

Attualmente vi sono, nel mondo, diversi progetti che prevedono lo sviluppo di supercondensatori ibridi e sostenibili, con una sicura ed elevata energia specifica e un ottimo grado di ciclabilità. Anche la riciclabilità dei componenti dei dispositivi è sotto l’attenzione dei progettisti, che valutano con successo l’impatto ambientale dei processi di produzione e di riciclaggio, nel pieno rispetto delle direttive mondiali.

I supercondensatori non più utilizzati devono essere riciclati secondo la direttiva UE 2002/96/CE (rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche). Una procedura generica prevede la loro triturazione con speciali mulini da taglio. La miscela finemente triturata viene sottoposta, poi, a un trattamento termico a 200° C per riciclare il solvente organico contenuto negli elettrodi di carbone attivo.

Dopo il trattamento termico, la miscela viene trattata per separare le particelle di alluminio e di carta dalle particelle di carbone attivo. Successivamente essa viene immersa in acqua per una triturazione a umido in particelle estremamente fini che possono essere riutilizzate. Il carbone attivo riciclato ha un’elevata purezza. Altri metodi di riciclo prevedono un sale elettrolitico (TEABF4) sciolto in un solvente organico (ACN), per il recupero del carbone attivo purificato per un ulteriore utilizzo.

Applicazioni per l’accumulo di energia

Per le applicazioni a basso consumo energetico, i supercondensatori risultano essere una scelta ideale. La loro longevità, rispetto a una batteria, ne rende l’utilizzo praticamente illimitato nel tempo, senza la necessità di sostituzioni. Ecco alcune soluzioni professionali e non, per le quali la scelta dei supercondensatori è un’opzione quasi obbligatoria:

  • sistemi di backup per dispositivi basati su RTC;
  • giocattoli elettronici: droni, automobili radiocomandate, modellini di elicotteri e simili possono operare per parecchi minuti e senza batterie. Basterà, poi, una breve ricarica di pochi secondi per fornire al motore la consueta brillantezza di funzionamento;
  • super torce elettriche, per uso militare o industriale;
  • accumulatori a energia solare.

Nel caso di giocattoli volanti (vedi figura 2), l’uso di supercondensatori risulta una scelta ottimale, poiché uniscono una lunga autonomia alla leggerezza dei componenti. Un oculato utilizzo di opportune capacità permette anche missioni dalla durata di 20 minuti e oltre. Non si può, infatti, guardare al solo valore massimo in Farad, ma trovare un bilanciamento tra esso e il peso del veicolo. Occorre, in altre parole, scegliere un giusto compromesso dei componenti, per ottimizzare la stabilità del velivolo, specialmente se esso è dotato di telecamera a bordo.

Gli ultimi modelli di supercondensatori sono stati notevolmente migliorati, soprattutto per quanto riguarda l’alta densità energetica (misurata in Wh/kg), caratteristica che li rende indispensabili per l’accumulo di energia a breve e lungo termine. La crescente domanda di sistemi di accumulo di energia, specialmente nei veicoli elettrici e dispositivi elettronici portatili ha stimolato, infatti, la ricerca sulle tecnologie per l’accumulo di energia ad alta densità, in grado di fornire alta potenza per lunghi periodi di tempo. I ricercatori hanno scoperto che si potevano aumentare radicalmente la densità di energia adattando le dimensioni dei pori delle armature e decuplicando, addirittura, i valori dei migliori modelli precedenti. La densità di potenza volumetrica (Pvol) e la densità di energia volumetrica (Evol) di un supercondensatore generico possono essere calcolate come segue:

P(vol)=P(gra) * p

E(vol)=E(gra) * p

Nei supercondensatori la velocità di ricarica è molto rapida. Il progetto di linee di ricarica e di scarica sono semplici.

Generalmente il loro volume fisico è piccolo ma la capacità energetica è grande. Tali componenti, dunque, sono particolarmente interessanti per la loro elevata densità di potenza e per la loro grande durata di vita. I supercondensatori permettono di risolvere molte problematiche. Sono caratterizzati da una densità di potenza molto maggiore di quella posseduta dalle batterie, ma da una densità di energia minore. In altre parole, a parità di dimensioni, una batteria può immagazzinare una quantità di energia maggiore di un supercondensatore ma quest’ultimo può erogarla in tempi molto più brevi.

Figura 2: un supercondensatore utilizzato per fornire autonomia a un drone

Applicazioni per l’energia portatile

La leggerezza, la ricarica breve e la grande quantità di energia accumulata (sia per scarica quasi immediata che per scarica lenta) rendono ideali i supercondensatori per le applicazioni portatili. Quello che segue è un esempio di alimentazione di una radio portatile esclusivamente a supercondensatori. I dati di targa della radiolina sono i seguenti:

  • tensione di funzionamento: 5 V;
  • corrente media assorbita: 140 mA;
  • stabilizzazione a 5 V tramite IC 7805;
  • resistenza di carico equivalente: 36 Ohm.

Per realizzare tale tipologia di alimentatore occorre prevedere, ovviamente, una tensione iniziale molto maggiore di 5 V, il che comporterà una peggiore efficienza, almeno quando la differenza di potenziale sulle capacità sarà più alta. Man mano che i condensatori si scaricano, la potenza dissipata inutilmente sarà sempre più bassa. Il circuito equivalente è quello visibile in figura 3.

Esso è composto da quattro supercondensatori ZPXB3585-2R5607-R di Omaga Fusibili da 600 Farad collegati in serie, in modo da raggiungere una tensione iniziale massima di 10 V. Ogni supercondensatore di questa tipologia è caratterizzato da una VL di 2.5 V. Si ricordi che quattro condensatori da 600 Farad, collegati in serie, equivalgono a un unico condensatore da 150 Farad.

Figura 3: un esempio di alimentazione portatile

Il sistema può essere caricato istantaneamente attraverso un alimentatore che fornisca 10 V. I supercondensatori riforniscono l’energia alla radio per circa 53 minuti (3215 secondi), come evidenziato nel grafico di cui in figura 4, dopodiché la tensione comincerà a scendere sotto i 5 V. A ogni modo il supercondensatore continuerà ad erogare energia per molte ore, sebbene non sufficiente per il funzionamento della radio.

Figura 4: il grafico dell’erogazione del super condensatore e quello della tensione all’uscita del 7805

L’efficienza di tale soluzione, tuttavia, non è delle migliori in quanto la differenza di potenziale tra l’ingresso e l’uscita del 7805 contribuisce a mantenere alta la dissipazione, come si può evincere dal grafico di figura 5.

Figura 5: la massima efficienza si verifica quando Vout-Vdropout=5 V

Applicazioni nel settore dei trasporti

Le attuali batterie per auto hanno delle limitazioni riguardo l’erogazione della potenza, la durata e inquinamento ambientale. I supercondensatori risolvono i limiti dettati dalle batterie al piombo-acido e agli ioni di litio, offrendo prestazioni di gran lunga superiori. Essi permettono soluzioni per avviamenti a caldo e a freddo. Catturano, inoltre, l’energia rigenerativa durante la frenata consentendo la riduzione di dimensioni, peso e costi del cablaggio.

Applicazioni nell’energia rinnovabile

Il supercondensatore, come detto prima, è in grado di offrire una maggiore densità di potenza rispetto alle batterie e una maggiore densità di energia rispetto ai condensatori tradizionali. Esso potrebbe essere considerato una nuova soluzione per l’immagazzinamento dell’elettricità proveniente da fonti rinnovabili. L’energia eolica e solare è soggetta ad ampie variazioni di produzione durante il giorno.

Risulta, dunque, essenziale raccoglierne quanta più possibile durante il periodo di non immediato utilizzo in modo da poter assicurare una buona erogazione nei momenti di maggiore richiesta. La figura 6 mostra il pacco di supercondensatori della serie XLM rivolto a diverse applicazioni con caratteristiche estremamente interessanti:

  • materiale: Acetonitrile;
  • tensione di lavoro: 62.1 V;
  • capacità: 130 Farad;
  • temperatura d’esercizio: da -40° C a +65° C;
  • ciclo di carica e scarica: 1000000 di volte;
  • codice Omologazione: Eaton SERIE XLM.
Figura 6: il supercondensatore ZPXLM-62R1137A-R commercializzato da Omega Fusibili

Applicazioni con Supercondensatori al grafene

Attuali studi prevedono l’adozione di supercondensatori al grafene, al fine di ottenere componenti altamente capacitivi ma dai costi più ridotti. I ricercatori hanno dimostrato l’utilità dei nuovi micro supercondensatori al grafene in forma solida, incisi al laser. Essi consentirebbero di essere incorporati in qualsiasi dispositivo, anche flessibile, morbido e dalle dimensioni minime. I micro supercondensatori possono essere fabbricati direttamente su un chip con la stessa tecnica per i sistemi MEMS. Per questo risultano particolarmente utili per ricevere energia da fonti solari, meccaniche e termiche. Potrebbero anche essere fabbricati sul retro delle celle solari, contribuendo a rifornire elettricità 24 ore su 24.

Conclusioni

In commercio vi sono gruppi di supercondensatori collegati tra loro che occupano uno spazio molto ridotto, si caricano rapidamente anche migliaia di volte, senza alcun degrado. Il futuro è decisamente rivolto verso il massivo utilizzo dei supercondensatori. Nei prossimi decenni, la maggior parte dei dispositivi adotterà un sistema di energia basata su tali componenti. La durata del ciclo di vita supera di cento volte quello delle batterie agli ioni di litio.

in collaborazione con

Link

https://omegafusibili.it/

Redazione Fare Elettronica