esempi di supercapacitor e supercap cos è come funziona teoria e pratica

Il supercondensatore è una nuova tipologia di componente elettronico che ha lo scopo di accumulare un’enorme quantità di energia. Esso risulta decisamente diverso tra un condensatore tradizionale e differisce anche da una batteria ricaricabile. La sua caratteristica principale è quella di essere a doppio strato, attributo che ne permette una impressionante capienza di carica elettrica. Esso è l’unico tipo di condensatore che utilizza un doppio strato elettrochimico (EDL) per fornire una capacità mille volte maggiore dei normali componenti.

Supercondensatore: definizione e caratteristiche principali

Il condensatore elettrochimico a doppio strato (electrochemical double-layer capacitor, EDLC), meglio conosciuto come supercondensatore o ultracondensatore, è prevalentemente utilizzato come accumulatore di energia elettrica.

Ha una densità di energia straordinariamente alta, se confrontato con i condensatori convenzionali, tipicamente nell’ordine delle migliaia di volte superiore rispetto a un elettrolitico ad alta capacità. Per esempio, un comune condensatore elettrolitico possiede una capacità nell’ordine delle migliaia di microFarad, mentre un supercondensatore delle stesse dimensioni può presentare una capacità di alcune centinaia di Farad.

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. Esso sono caratterizzati da potenze e tempi di vita fino a 10 volte quelli delle batterie, non necessitano di alcuna manutenzione e operano in modo affidabile anche con temperature estreme.

Oltre a questo, gli ultracondensatori non contengono composti chimici tossici come le batterie al piombo o al NiCd.

Figura 1: alcuni supercondensatori.

Come funzionano i supercaps

Al fine d’immagazzinare tanta energia elettrica, il supercondensatore o supercap basa il suo funzionamento sul suo doppio strato elettrico (vedi struttura in figura 2). Non c’è reazione chimica, pertanto la sua durata utile è, praticamente, illimitata.

Proprio per questo, il processo di accumulo di energia è reversibile, e può essere caricato e scaricato ripetutamente milioni di volte, senza alcuna conseguenza. Oltre che gestire una enorme quantità di energia, essi sono caratterizzati da una grande densità di quest’ultima, il che consente piccoli ingombri a parità di carica rispetto ad altri componenti. Inoltre, non c’è assolutamente bisogno di manutenzione e durano, praticamente, per sempre.

Figura 2: la struttura base di un supercondensatore

Un supercondensatore ha un’altissima capacità di accumulo per due motivi sostanziali:

  • le sue armature hanno un’area effettiva estremamente grande;
  • la distanza tra esse è molto ridotta, poiché il separatore funziona in modo alquanto diverso da un dielettrico convenzionale.

La capacità di un condensatore, lo ricordiamo, è direttamente proporzionale all’aumentare dell’area delle piastre e inversamente proporzionale alla distanza tra le piastre stesse. Da queste grandezze la formula generale per il calcolo della capacità è quella mostrata in figura 3.

Figura 3: la formula per il calcolo della capacità elettrica, conoscendo la superficie delle armature e la loro distanza

La carica e la scarica in un condensatore avviene quasi istantaneamente, in quanto la resistenza interna è quasi nulla e non si instaurano reazioni chimiche lente. L’unità di misura della capacità elettrica è chiamata Farad (F) e i suoi sottomultipli sono i seguenti:

  • picofarad (pF) = 0.000000000001 F;
  • nanofarad (nF) = 0.000000001 F;
  • microfarad (uF) = 0.000001 F;
  • millifarad (mF) = 0.001 F;
  • farad (F) = 1 F.

Le armature dei supercondensatori

Anche i materiali utilizzati sono diversi e strutturati in modalità differenti. Le armature sono costituite da un metallo rivestito da una sostanza porosa, solitamente il carbone attivo in polvere. Esso mette a disposizione un’area molto più ampia dove immagazzinare molta più carica. Si può paragonare il sistema a una spugna, molto porosa, che riesce ad assorbire molta più acqua rispetto a un normale panno lineare.

I supercondensatori immagazzinano più energia disponendo di un doppio strato di carica molto sottile tra due piastre, costituite da materiali porosi. In questo modo la superficie è maggiore e la separazione è molto minore, consentendo di ottenere grandi capacità.

Il dielettrico e i componenti di accumulo dell’energia

In un supercap, non c’è dielettrico come siamo abituati a pensare per i tradizionali componenti di accumulo. Le armature, infatti sono immerse in un elettrolita e separate da un isolante molto sottile. Quando esse vengono caricate, una carica opposta si forma su entrambi i lati del separatore, creando un doppio strato elettrico. In questo modo, la distanza effettiva tra le piastre potrebbe essere addirittura quanto una molecola di spessore.

Nei condensatori tradizionali, invece, tale distanza è nell’ordine dei millimetri o centesimi di millimetro. Purtroppo, per questa minima distanza, la tensione di funzionamento di un super condensatore può essere molto limitata, diciamo sui 3 V, ma collegando in serie e in parallelo più elementi, tale limitazione viene brillantemente superata. Guardando, dunque, la formula sopraesposta, ci si rende conto come la capacità sia enormemente più elevata.

Questa enorme capacità, dunque, è ottenuta grazie alla combinazione dei due fattori principali, ossia una distanza minore tra le armature e una superficie grandissima di queste.

La scarica di un supercondensatore: un’enorme potenza

Per comprendere la potenza di un supercondensatore (e anche la sua relativa pericolosità) proviamo a effettuare una simulazione di una scarica rapida del modello ZPXL60-2R7308W-R (vedi in figura 4) commercializzato da Omega Fusibili S.p.A, con le seguenti caratteristiche:

  • tensione nominale: 2.7 V;
  • materiale: Acetonitrile;
  • capacità nominale: 3000 Farad;
  • ESR: 0.0023 Ohm;
  • corrente: 140 A;
  • temperatura di esercizio: da -40° C a +65° C.
Figura 4: il supercondensatore ZPXL60-2R7308W-R

La figura 5 mostra uno schema tipico di prova di scarica di un condensatore. Si tratta di valori di potenza estrema, che in pochi istanti utilizzano una enorme quantità di potenza e che potrebbero distruggere i componenti e i cablaggi stessi. Ma a livello di simulazione elettronica tutto è possibile. Lo schema applicativo è caratterizzato dai seguenti elementi:

  • C1, C2: supercondensatori ZPXL60-2R7308W-R da 3000 Farad cadauno, per un totale di ben 6000 Farad (sono collegati in parallelo);
  • ESR1, ESR2: resistenze ESR dei supercondensatori di 0.0023 Ohm;
  • R1: carico rappresentato da un conduttore in Rame di un metro e dalla sezione di 1 millimetro quadrato, per cui tale conduttore ha una resistenza totale di 0.0176 Ohm (sapendo che tale elemento chimico è caratterizzato da una resistività pari a 0.0176 Ohm x mm^2 / m. In pratica ne risulta un corto circuito.
Figura 5: schema elettrico applicativo di scarica dei condensatori

Si supponga, adesso, di caricare i due condensatori in parallelo alla tensione di 2.7 V. Tale differenza di potenziale sembrerebbe, in effetti, un valore minimo e per nulla pericoloso. Ma quando essa è riversata in un istante su un carico, per via della bassissima impedenza del circuito, gli effetti della corrente in transito sono devastanti e la potenza dissipata è enorme. Non appena il conduttore di rame di un metro si pone ai capi dei condensatori, per cortocircuitarli, l’enorme quantità di corrente sviluppa tanto calore, che probabilmente fonderebbe il conduttore stesso. In pochi istanti il lavoro dei supercondensatori è immane, come mostrato in figura 6.

Figura 6: il grafico della potenza, della corrente e della tensione sul carico durante la scarica veloce del condensatore

La simulazione prende in esame il transitorio della durante di 60 secondi, durante il quale avvengono fenomeni a potenza realmente alta. Anche la chimica dei materiali viene totalmente sconvolta. Per questo motivo non è mai conveniente porre un supercondensatore in corto circuito. Basti pensare che l’energia prodotta durante il transitorio è pari a circa 13466 Joule, un lavoro molto grande. Basti anche pensare che dall’istante dell’inizio del contatto del conduttore di rame, e per la durata di un solo secondo, la temperatura raggiunta da quest’ultimo (sempre che non si bruci prima) è di circa 2000° C, come si può osservare in figura 7. Anche con una tensione estremamente bassa di 2.7 V possono essere prodotte energie immense.

Figura 7: il passaggio della corrente dei supercondensatori produce una temperatura di 2000° C sul conduttore di rame di 1 metro, per un secondo

Solo per la cronaca, un carico di 1000 Ohm scaricherebbe tali supercondensatori in un tempo pari a più di 400 giorni, ossia circa 1 anno e 2 mesi. Inoltre l’efficienza di questo sistema è di circa il 93.9%

Supercondensatori ibridi

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.

I supercondensatori al posto delle batterie?

Le aziende stanno mettendo in commercio, giorno dopo giorno, modelli di supercondensatori sempre più efficienti. Allo stato attuale i supercondensatori, per certe tipologie di applicazioni, possono essere utilizzati come sostituti delle batterie. Piccole attrezzature industriali, strumentazioni elettriche anche di potenza possono essere alimentate dai supercondensatori.

Essi, grazie all’utilizzo dei supercondensatori, possono essere ricaricati in pochi secondi anziché delle ore, consentendo un grande risparmio di tempo e tanta comodità operativa.

Poiché i supercondensatori funzionano elettrostaticamente, piuttosto che attraverso reazioni chimiche reversibili, possono essere caricati e scaricati un numero qualsiasi di volte, anche un milione di volte. Hanno una resistenza interna molto bassa, il che significa che immagazzinano e rilasciano energia in tempi bassissimi e lavorano con un’efficienza molto vicina al 100%.

I supercondensatori si utilizzano specialmente quando occorre immagazzinare una quantità elevata di energia in un periodo abbastanza breve (da pochi secondi a pochi minuti). Essi possono anche essere connessi alle batterie per filtrare e livellare la tensione in uscita.

Nei veicoli elettrici e ibridi, sono utilizzati come accumulatori temporanei di energia per la frenata rigenerativa. Ad esempio, i supercondensatori negli autobus in Cina si caricano in soli dieci secondi, non devono essere smaltiti poiché non risultano inquinanti, funzionano sia con il freddo che con il caldo e possono essere scaricati anche completamente senza rovinarsi. Dal momento che i veicoli elettrici funzionano con tensioni dell’ordine di centinaia di volt, sono necessari tantissimisupercondensatori collegati in serie per raggiungere i corretti valori di tensione.

Ultracondensatori, una potente risorsa di energia

Come potente risorsa energetica alternativa, gli ultracondensatori sono ampiamente utilizzati in diversi campi industriali, come contatori intelligenti, elettronica, rete elettrica e così via. Le future applicazioni del supercondensatore sembrano brillanti. A ogni modo, visto le enormi potenze in gioco, anche a tensioni basse, non si deve scherzare con tali componenti. Possono risultare alquanto pericolosi, se posti in corto circuito. Perché, dunque, è conveniente scegliere un supercondensatore?
Per diversi motivi:

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

Nei prossimi decenni, anche le nostre auto a combustibili fossili e il riscaldamento domestico dovranno passare all’energia elettrica, se vogliamo avere una speranza di scongiurare il cambiamento climatico catastrofico. L’elettricità è una energia estremamente versatile, ma risulta difficile da immagazzinare in tempi accettabili.

Le batterie possono contenere grandi quantità di energia, ma richiedono ore per caricarsi. I condensatori, al contrario, si caricano quasi istantaneamente ma immagazzinano solo piccole quantità di energia. In futuro sarà necessaria la duplice caratteristica d’immagazzinare e rilasciare grandi quantità di elettricità molto rapidamente. I supercondensatori, allo stato attuale, sono la soluzione al problema e combinano al meglio entrambe le modalità. La durata del ciclo è cento volte superiore alle batterie agli ioni di litio e consumano il 14% in meno di elettricità.

L’energia verde è ormai una realtà che il nostro pianeta apprezzerà senza dubbio. Il futuro sembra roseo per i supercondensatori. Si prevede che nell’arco di sette anni (2020-2027) il mercato possa quintuplicare il fatturato di questi straordinari componenti.

Redazione Fare Elettronica