Energia Ibrida: Supercondensatori e Batterie lavorano congiuntamente

Già da tempo il mercato afferma che molto presto i supercondensatori annulleranno il mercato delle batterie, sostituendole del tutto. L’accantonamento di esse non è ancora avvenuto, benché ci si aspettasse tale sostituzione nei prodotti elettronici commerciali e nei veicoli elettrici. Gli odierni sviluppi accreditano maggiormente l’utilizzo ibrido delle soluzioni e probabilmente, in futuro, vedremo rafforzarsi ancora di più il lavoro congiunto delle tecnologie delle batterie e dei supercondensatori.

L’energia effettivamente disponibile

Batterie e supercondensatori costituiscono indubbiamente eccezionali fonti di energia, disponibili in qualsiasi luogo. Entrambi sono caratterizzati da pro e contro, per alcune applicazioni risultano più comode le prime, per altre tipologie di utilizzi le seconde (vedi tabella comparativa di cui in figura 1). Anziché annullare la presenza delle batterie a vantaggio della totale adozione delle super capacità, si sta vagliando la modalità di utilizzo promiscuo e contemporaneo delle due soluzioni, al fine di carpire i vantaggi di entrambe e disporre di un sistema energetico altamente efficiente.

Nei precedenti articoli abbiamo affrontato esaurientemente gli argomenti che focalizzavano lo sguardo sui singoli componenti. Esaminiamo, adesso, le possibili applicazioni in cui batterie e i super condensatori lavorano assieme, esprimendo al meglio le proprie caratteristiche più importanti. Per un’applicazione di esempio con il regolatore 7812 occorrerebbe un ingresso di almeno 15V, valore raggiungibile collegando almeno 5 batterie in serie oppure 3-4 supercondensatori da 5,5 V. Verrebbero, in questo caso, salvaguardati spazio e peso. In termini di efficacia, i supercondensatori hanno un’efficienza del 95% rispetto mentre le batterie risultano efficienti al 60-80%, a pieno carico. Le batterie dissipano del calore ed è opportuno monitorare diversi loro parametri durante la carica e la scarica utilizzando un sistema di gestione della batteria (BMS). Per i supercondensatori tali problematiche non sussistono. A ogni modo, le batterie dispongono di caratteristiche insostituibili che rendono ancora attuale il loro utilizzo, a discapito dei supercondensatori.

Figura 1: raffronto di alcune caratteristiche tra i supercondensatori e le batterie

Operatività congiunta

Oggi è facile vedere dispositivi e autoveicoli utilizzare, per il proprio funzionamento, sia batterie che supercondensatori. Grazie alla loro elevata densità di potenza, essi costituiscono una fonte di alimentazione utile dove è richiesta una grande corrente immediata. Non a caso, quasi tutti i moderni controller degli airbag nelle autovetture elettriche sono alimentati con i supercondensatori, per sfruttare la loro rapida e immediata risposta in caso di incidente, pur essendo alimentate con batterie al Litio. Contrariamente al lento processo chimico che le batterie utilizzano per generare energia, i supercondensatori hanno tempi di carica molto rapidi: da 1 a 10 secondi.

Essi sono caratterizzati da potenze e tempi di vita fino a 10 volte quelli delle batterie, non necessitano di manutenzione e operano in modo affidabile anche con temperature estreme. Inoltre non contengono composti chimici tossici, a differenza delle batterie al piombo o al NiCd. Utilizzando congiuntamente batterie e supercondensatori si migliora il loro controllo ottimale per speciali classi di veicoli elettrici (vedi applicazione motrice automobilistica in figura 2). L’energia viene utilizzata in modo intelligente: il supercondensatore, infatti, riesce a gestire le correnti di picco e riduce le perdite di energia delle batterie (per sotto sforzo e riscaldamento delle stesse) che, pertanto, durano di più nel tempo.

Figura 2: utilizzo congiunto delle batterie e dei supercondensatori per un’energia ottimale




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Supercondensatori ibridi

I supercondensatori ibridi (vedi struttura in figura 3) sono dispositivi per l’accumulo dell’energia che combinano la tecnologia agli ioni di litio con quella dei condensatori EDLC (electric double layer capacitor) per incrementare le performance. Il risultato è un dispositivo ottimo sotto tutti i punti di vista:

  • carica rapida;
  • lunga durata;
  • elevata stabilità termica;
  • alta efficienza;
  • affidabilità.

La necessità di alimentazione portatile e mobile, sia a livello industriale che casalingo, è sempre più crescente. Le batterie al Litio stanno rapidamente lasciando il posto alla tecnologia più affidabile, efficiente e duratura dei supercondensatori (chiamati anche “ultracondensatori”). Ricarica rapida, densità di potenza, stabilità della temperatura, flessibilità e longevità sono le chiavi del loro successo. I supercondensatori ibridi sono varianti dei supercondensatori standard che combinano la tecnologia degli ioni di litio e quella a doppio strato elettrico del condensatore (EDLC) per prestazioni migliorate.

Figura 3: i supercondensatori ibridi combinano i vantaggi EDLC e quelle agli ioni di litio in un’unica soluzione

I benefici del loro utilizzo sono importanti e di seguito ne elenchiamo alcuni:

  • la tensione di lavoro è del 25% superiore;
  • la capacità è da 6 a 9 volte superiore rispetto ai super condensatori;
  • la corrente di dispersione è molto più bassa.

Tali nuovi componenti permettono prestazioni prima inimmaginabili, oltre i limiti dell’energia. Essi utilizzano nuovi materiali che offrono fino a 10 volte la densità di energia dei supercondensatori standard delle stesse dimensioni. Uno degli elettrodi è composto da grafite drogata al Litio, mentre l’altro è un tipico elettrodo EDLC. Il risultato è simile alla tecnologia EDLC ma con minore autoscarica. I supercondensatori ibridi possono fornire una lunga alimentazione di backup in applicazioni come sistemi di archiviazione dati, server, contatori di utenze, sistemi di archiviazione RAID e controller per sistemi automatizzati. Risultano ideali per la gestione dei picchi, come illustrato nel grafico di figura 4. Essi forniscono, infatti, alte correnti anche dell’ordine di 5 Ampere per pochi millisecondi con frequenti cicli di carica e scarica.

Figura 4: i condensatori ibridi risultano ideali per la gestione dei picchi

Sebbene i supercondensatori ibridi contengano Litio, essi sono privi di ossidi metallici che causerebbero fughe termiche con possibili esplosioni. I supercondensatori ibridi HS di Eaton offrono capacità comprese tra 30 F e 220 F, in un intervallo di temperatura d’esercizio compreso tra -25° C e +70° C. Hanno tensioni di lavoro comprese tra 2.2 V e 3.8 V, consentendo anche 500000 cicli di carica e scarica. Le singole celle possono essere, ovviamente, collegate in serie o in parallelo (o entrambi) e utilizzate come unità di accumulo di energia.

Il lungo ciclo di vita e la bassa autoscarica li rendono ideali per fornire energia anche per i sistemi di comunicazione via radio. Essi possono fornire anche notevole potenza di transito nel processo industriale, per un breve periodo durante un calo di tensione o un’interruzione di corrente, evitando enormi perdite economiche anche per blackout di pochi secondi. In termini di costi, i supercondensatori ibridi sono anche più convenienti. La figura 5 mostra dei supecondensatori ibridi caratterizzati da valori estremamente interessanti:

  • capacità: compresa tra 30 F e 220 F;
  • tensione di lavoro: 3.8 V;
  • minima tensione di lavoro: 2.2 V;
  • sovratensione: 4.0 V;
  • tolleranza: da -20% a +20% (a +20° C);
  • temperatura operativa:
    • HSL: da -25° C a +60° C;
    • HS: da -15° C to +70° C;

Il modello con la più alta capacità (HS/HSL1625-3R8227-R) possiede le seguenti caratteristiche:

  • capacità: 220 Farad;
  • ESR iniziale: 100 milliOhm;
  • corrente 1.1 A;
  • corrente di picco: 15.3 A;
  • potenza di picco: 36 W;
  • energia immagazzinata: 293 mWh;
  • corrente di corto circuito: 38 A.

Ricordiamo che ripetute operazioni di cortocircuito danneggeranno permanentemente i cavi e le connessioni.

Figura 5: supercondensatori ibridi di alta capacità

Raccomandazioni nell’uso dei supercondensatori ibridi

Per la saldatura dei componenti si consiglia quella a mano. La temperatura di saldatura non deve eccedere i +350° C e non deve protrarsi per un tempo superiore a 5 secondi. Sebbene i supercondensatori ibridi siano estremamente sicuri, con qualsiasi tipologia di test effettuata in fabbrica, dovrebbero essere evitate le sovratensioni, le scariche eccessive, i cortocircuiti e le forature che potrebbero causare una degradazione accelerata o un danni permanenti al componente. Le temperature di esercizio sono estremamente importanti per un buon loro funzionamento e, come si evince dal grafico di cui in figura 6, essi temono il freddo. La spedizione di supercondensatori ibridi a base di litio è disciplinata dal regolamento 3508 sulle spedizioni di merci pericolose. I componenti devono essere imballati in modo da evitare cortocircuiti dei contatti.

Figura 6: il grafico della capacità di un super condensatore rispetto la temperatura

Conclusioni

I supercondensatori hanno molto più lati positivi rispetto alle batterie, ma anche diversi lati negativi, almeno nell’odierno periodo. Grazie alle loro densità energetiche più elevate, i cicli di vita lunghi e le tensioni di lavoro più elevate, i supercondensatori ibridi di Eaton e distribuiti da Omega Fusibili sono senz’altro da preferire alle batterie agli ioni di litio e ai supercondensatori standard. Sono particolarmente utili in campo energetico, industriale e informatico, laddove si cerca sempre più potenza all’interno di dispositivi elettronici, pur rispettando prestazioni, dimensioni e vincoli di sicurezza.




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Redazione Fare Elettronica