Superkondensatory coraz bardziej… niezastąpione

Superkondensatory coraz bardziej… niezastąpione
("Energia Gigawat" - 4/2017)
Jednym z bardziej spektakularnych osiągnięć elektrotechniki ostatnich dekad są
superkondensatory. Jest to skrócona nazwa elektrochemicznych kondensatorów o wielkiej
pojemności. Elementy te, przeznaczone m.in. do gromadzenia ładunku elektrycznego,
wypełniają lukę między kondensatorami elektrolitycznymi i ogniwami wielokrotnego
ładowania. Mogą gromadzić do 100 razy więcej energii na jednostkę masy od kondensatorów
elektrolitycznych, a dodatkowo mogą być znacznie częściej ładowane od wszelkich
akumulatorów. Zalety te utorowały im drogę do licznych aplikacji w rozmaitych układach i
urządzeniach.
Rozwój technologii
Historia rozwoju superkondensatorów sięga lat 50-tych XX wieku. Wtedy to General Electric
rozpoczął badania nad zastosowaniami porowatego węgla do konstrukcji kondensatorów
elektrolitycznych. Pierwsze rozwiązania tych aparatów obejmowały układ dwóch folii
aluminiowych pokrytych aktywowanym węglem, rozdzielonych cienkim porowatym
izolatorem i zanurzonych w elektrolicie. Produkcję superkondensatorów rozpoczęto w USA z
początkiem lat 70-tych, a ich pierwszym przeznaczeniem było podtrzymywanie zasilania
pamięci komputerów. Z końcem lat 80-tych ulepszone materiały elektrod umożliwiły
podnoszenie dostępnych pojemności, a elektrolity o większej przewodności obniżyły
rezystancję szeregową tych kondensatorów. W latach 90-tych dalszy rozwój był
ukierunkowany głównie na gromadzenie coraz większych zasobów energii. Kluczem do
osiągnięcia tego celu było podnoszenie napięcia roboczego (energia zgromadzona w polu
elektrycznym jest proporcjonalna do kwadratu napięcia między elektrodami, a
współczynnikiem proporcjonalności jest pojemność elektryczna). Wkrótce uzyskano napięcie
pracy 200 V w tzw. hybrydowych superkondensatorach łączących cechy aparatów
elektrolitycznych i elektrochemicznych. Najnowsze konstrukcje to m.in. kondensatory litowojonowe, w których współpracują elektrostatyczna elektroda węglowa i elektrochemiczna
elektroda litowa. Typowy elektrochemiczny superkondensator obejmuje dwie elektrody
oddzielone membraną przepuszczającą jony (separator), przy czym całość zanurzona jest w
elektrolicie. Po przyłożeniu napięcia o stałej biegunowości jony w elektrolicie wytwarzają
podwójne warstwy elektryczne o przeciwnej polaryzacji względem potencjału
poszczególnych elektrod. Dla przykładu przy elektrodzie dodatniej powstaje warstwa jonów
ujemnych na styku elektrody i elektrolitu oraz warstwa jonów dodatnich przenikających do
wspomnianej warstwy ujemnej. W efekcie kondensator taki stanowi układ dwóch szeregowo
połączonych kondensatorów, a każdy z nich jest utworzony przez opisaną warstwę podwójną.
Największe obecnie wytwarzane superkondensatory osiągają pojemność około 6000 F
(faradów) przy napięciu pracy 2.7-3.0 V. Cena jednostkowa tych elementów nie przekracza
jednego centa/Farad i stale maleje.
Aplikacje w elektronice …
Podobnie jak kondensatory elektrolityczne, superkondensatory nie nadają się do
wykorzystania w obwodach napięcia przemiennego. Szczególnie przydatne okazują się tam,
gdzie przez krótki czas konieczne jest dostarczanie dużych ilości energii, wykonywanie
wielkiej liczby cykli ładowania i rozładowania lub wymagana jest długa żywotność. Typowe
aplikacje obejmują wydawanie prądu od miliamperów przez kilka minut do kilku amperów
przez pojedyncze sekundy. Liczne zastosowania superkondensatory znalazły w elektronice
użytkowej. Oto kilka przykładów. W komputerach, GPS-ach, podręcznych aparatach mogą z
powodzeniem stabilizować napięcie zasilania. W kamerach cyfrowych, głośnikach, lampach
LED-owych itp. dostarczają krótkotrwale dużej mocy. Podobnie w bezprzewodowych
elektronarzędziach takich jak elektryczny wkrętak stanowią pojemne źródło energii, którego
pełne naładowanie wykonywane okresowo zajmuje zaledwie 90 sek.
energetyce …
Dalsze zastosowania dotyczą pokrywania szczytowych poborów prądu ładowania
rozmaitych baterii np. pojazdów elektrycznych z sieci zewnętrznej. Impulsowe przepływy
znacznych prądów ładowania powodują chwilowe spadki napięcia źródła, niedopuszczalne
dla wielu wrażliwych odbiorów. Skutecznym rozwiązaniem okazuje się użycie
superkondensatorów jako swoistych „buforów” włączanych awaryjnie dla „podparcia”
niezbyt sztywnej sieci. Superkondensatory z powodzeniem zastępują baterie kondensatorów
elektrolitycznych w układach bezprzerwowego zasilania (UPS). Inne zastosowanie to
stabilizacja napięcia w liniach zasilanych przez OZE; przy nieuniknionych wahaniach
generacji źródeł wiatrowych lub słonecznych przy zmianach pogody superkondensatory mogą
skutecznie podtrzymywać przez pewien czas napięcie sieci. Znakomicie nadają się też do
gromadzenia energii elektrycznej. Oryginalnym wynalazkiem w tym zakresie okazała się tzw.
ultrabateria stanowiąca zintegrowany układ baterii ołowiowo-kwasowej i superkondensatora.
Na ujemnej węglowej elektrodzie tego klasycznego ogniwa tworzy się podwójna warstwa o
dużej pojemności. Jej obecność chroni baterię od zasiarczenia i zmienia charakterystyki
urządzenia, które odbiegają zarówno od własności akumulatora jak i superkondensatora.
Dzięki temu ultrabaterie o mocach kilowatów znalazły już zastosowanie w Australii, Japonii i
USA do regulacji pracy sieci elektrycznych zasilanych z OZE. Popularność w tych krajach
zyskują też układy oświetlenia ulicznego, w których energooszczędne lampy LED są zasilane
z superkondensatorów magazynujących elektryczność wytwarzaną w porze dziennej przez
ogniwa fotowoltaiczne. W medycynie zastosowano je w defibrylatorach, gdzie dostarczają
energii rzędu 500 J do pobudzenia serca do pracy.
i transporcie
Szczególnie duży i stale rosnący jest zakres aplikacji superkondensatorów w różnych
dziedzinach transportu. W samolotach mogą zasilać awaryjnie siłowniki drzwi, zsuwni
ewakuacyjnych i okien. W wojsku zastosowano je już do rozruchu silników diesla ze stanu
zimnego, wyręczając tradycyjne akumulatory. Również w samochodach takich firm jak
Toyota czy Peugeot dostarczają dużej mocy dla osiągania większych przyspieszeń. Czołowy
wytwórca superkondensatorów Maxwell Technologies zaopatrzył w nie już ponad 20 000
hybrydowych autobusów jeżdżących głównie w Chinach. Tam też zastosowano je również w
tramwajach elektrycznych – superkondensatory są doładowywane okresowo przez urządzenie
umieszczone między szynami torowiska. Zgromadzona energia pozwala na pokonanie przez
tramwaj około 4 km. Na następnym przystanku odbywa się kolejne doładowanie tego
zasobnika, co zajmuje zaledwie 30 sek. Superkondensatory wspomagają baterie w układach
rozruchu w lokomotywach diesla. Ładowane są energią elektryczną odzyskiwaną przy
hamowaniu, po czym uwalniają ją w trakcie rozruchu i przyspieszania pociągu. Innym
obszarem zastosowania są mobilne żurawie o hybrydowym napędzie spalinowoelektrycznym, które używa się m.in. do przenoszenia kontenerów w terminalach
przeładunkowych. Podnoszenie ładunków wymaga zwiększonej mocy, lecz przy ich
opuszczaniu możliwy jest jej częściowy odzysk. Wykorzystuje się ją dla doładowania
superkondensatorów, aby wspomagały silnik diesla podczas podnoszenia towaru. W
niektórych wózkach widłowych i ciągnikach spalinowych stosuje się już potrójne zasobniki
energii elektrycznej: podstawowymi magazynami są baterie i ogniwa elektryczne
wspomagane przez superkondensatory. Ich łączne użycie zapewnia moc szczytową rzędu 30
kW i znaczne oszczędności paliwa dla silnika diesla. Użycie superkondensatorów w
transporcie elektrycznym przynosi nie tylko ekonomię energii, lecz także pozwala na
rezygnację z sieci przewodów napowietrznych, co jest nie bez znaczenia w zabytkowych
dzielnicach starych miast. W 2003r. w Mannheim wdrożono prototypowy tramwaj na bazie
systemu odzysku energii MITRAC dostarczonego przez firmę Bombardier Transportation.
Zasobnik superkondensatorów umieszczono na dachu wagonu. Układ liczy 192 elementy o
parametrach 2700 F /2.7 V połączonych w trzy równoległe gałęzie, co daje napięcie
wyjściowe 518 V i maksymalną magazynowaną energię 1.5 kWh. Przy rozruchu tramwaju
dostarcza chwilowej mocy 600 kW i umożliwia pokonanie drogi blisko 1 km bez
zewnętrznego zasilania. Oszczędność zużywanej energii sięga 30% , zaś szczytowy pobór
mocy zmniejsza się aż o 50 % ! Podobne energooszczędne rozwiązania wdrożono również w
niektórych paryskich tramwajach. Dzięki temu na niektórych odcinkach zdemontowano w
ogóle napowietrzne przewody trakcyjne ! Taką modernizację wykonano także w niemieckim
Heidelbergu, gdzie w historycznej części miasta również znikły tramwajowe przewody.
Poniesiony koszt 270 000 EUR (!) na jeden tramwaj ma zwrócić się w ciągu 15 lat pracy.
Tutaj superkondensatory są ładowane na wybranych przystankach. Oprócz tramwajów
superkondensatory sprawdziły się też w liniach metro, m.in. w Chinach i Hong Kongu.
Prototypowe składy wagonów przejeżdżają tam bez doładowania blisko 2 km ! Świetlane, jak
się wydaje, perspektywy ma nowa technologia także w samochodach elektrycznych. Pierwszy
hybrydowy autobus wspomagany superkondensatorami w Europie wyprodukowano w 2001r.
w Norymberdze. Testowy pojazd "Ultracapbus" firmy MAN wyposażono w napęd diesela i
elektryczny. System zawiera ponadto 8 modułów Ultracap, każdy złożony z 36
superkondensatorów. Układ dostarcza napięcie 640 V, a przy ładowaniu energią odzyskiwaną
przy hamowaniu i rozładowaniu pobiera/wydaje prąd 400 A. Dzięki temu zużycie paliwa
maleje o 10 do 15 % . Dalsze korzyści z tej technologii to mniejsza emisja zanieczyszczeń,
niższe wibracje i powolniejsze zużycie pojazdu. Z kolei w Walii przetestowano hybrydowy
autobus elektryczny „Tribrid” napędzany wodorem lub ogniwami fotowoltaicznymi,
akumulatorami i superkondensatorami. Walory nowej technologii potwierdzają się też w
przypadku hybrydowych samochodów osobowych, w tym także wyścigowych. Dla przykładu
Toyota TS030 Hybrid wyposażona w superkondensatory dorównała w wyścigu 24godzinnym prototypów na torze Le Mans najszybszemu w tej kategorii prototypowi Audi
posiłkującemu się … kołem zamachowym. Inną i na pewno nie ostatnią aplikacją
kondensatorów wielkiej pojemności są górskie kolejki elektryczne. W Zell am See kursuje
codziennie całą dobę gondolowy wyciąg z miasta na szczyt Schmittenhohe, używając
elektryczności do oświetlenia, otwierania drzwi i łączności. Jedyna możliwość doładowania
baterii akumulatorów występuje podczas krótkich postojów na stacjach, co jest stanowczo
niewystarczające. I tutaj pomocne okazały się superkondensatory z ich nieporównanie
szybszym ładowaniem, wielką dopuszczalną liczbą cykli pracy i wyższą trwałością.