Nauka i technologie, Opinie i komentarze, Rozwiązania dla przemysłu, Technika i przemysł, Technologie

Superkondensatory – przyszłość w zarządzaniu energią

Fot. freepik.com
Fot. freepik.com

Kondensator kojarzony jest przede wszystkim z podstawowym elementem układów elektronicznych, stanowiącym parę elektrod oddzielonych dielektrykiem. Czym są zatem kondensatory elektrochemiczne, zwane także superkondensatorami, oraz w jaki sposób różnią się od kondensatorów dielektrycznych? 

Zasadniczą rolą obu urządzeń jest gromadzenie ładunku elektrycznego, natomiast budowa, mechanizm i obszar ich zastosowań są inne. Standardowy kondensator elektrochemiczny jest zbudowany z dwóch elektrod (zazwyczaj z węgla aktywowanego), oddzielonych separatorem i zanurzonych w roztworze elektrolitu.

Najpowszechniej wykorzystywaną grupą materiałów elektrodowych są węgle aktywowane. Jest to związane z dostępnością materiałów węglowych, ich niską ceną, możliwościami modyfikacji oraz dobrym przewodnictwem elektrycznym. Surowcem do ich produkcji mogą być różnorodne materiały organiczne, w tym odpady pochodzące z różnych gałęzi przemysłu, np.: pestki owoców, torf, skorupy orzechów kokosowych czy substancje pochodzenia zwierzęcego.

W pierwszej kolejności surowiec poddaje się procesowi karbonizacji, lecz zdolności adsorpcyjne oraz stopień porowatości otrzymanego produktu są zwykle niewystarczające dla praktycznych zastosowań. Związane jest to z reguły z wypełnieniem porowatych przestrzeni zdezorganizowanymi pozostałościami węglowymi, które blokują wejście do wnętrza porów. Otwarcie porów oraz utworzenie dodatkowej powierzchni umożliwia tzw. proces aktywacji. Pozwala on rozszerzyć powierzchnię właściwą materiałów węglowych nawet do 3000 m2/g oraz kontrolować rozkład porów, co jest bardzo ważne w przypadku urządzeń gromadzących ładunek elektryczny. Ze względu na rozmiar wyróżnia się trzy klasy porów: makropory (> 50 nm), mezopory (2–50 nm) oraz mikropory (< 2 nm). Zaleca się, aby wielkość porów była jak najbardziej zbliżona do rozmiaru jonów elektrolitu.

W przemysłowej produkcji wykorzystuje się zazwyczaj roztwory organiczne. Jest to związane z ich dobrym napięciem pracy, które nie jest ograniczone napięciem rozkładu H2O, tak jak w przypadku elektrolitów wodnych.

Magazynowanie energii w superkondensatorach opiera się na odwracalnym, elektrostatycznym gromadzeniu się jonów na powierzchni elektrody i tworzeniu tzw. podwójnej warstwy elektrycznej. Zgodnie z podstawowym modelem Helmholza na skutek polaryzacji elektrod dochodzi do zjawiska separacji ładunków na granicy faz elektroda–elektrolit. Jony o przeciwnym znaku, które są rozproszone w elektrolicie, tworzą kilkunanometrową, skondensowaną warstwę w równoległej płaszczyźnie do powierzchni elektrody. Dzięki rozwiniętej powierzchni właściwej elektrod superkondensatory magazynują dużo większą ilość energii (rzędu kilku tysięcy faradów) niż tradycyjne kondensatory dielektryczne. Ponadto mają wysoką gęstość mocy i dłuższą żywotność w porównaniu z bateriami. Kolejnym niezaprzeczalnym atutem jest to, że są w stanie gromadzić/dostarczać energię w bardzo krótkim czasie, nawet poniżej minuty.

Dlaczego mimo tak wielu zalet superkondensatory nie zastąpiły do tej pory standardowych ogniw elektrochemicznych?

Podstawowym mankamentem superkondensatorów jest relatywnie niska gęstość energii w porównaniu z akumulatorami, co przekłada się na krótszy czas ich pracy. Kondensatory elektrochemiczne o stosunkowo małej pojemności stosuje się głównie do zasilania buforowego czy w tzw. pamięci zapasowej w telefonach, zegarkach, aparatach fotograficznych i kamerach. Popularne jest również wykorzystanie superkondensatorów w systemach awaryjnego zasilania (UPS) oraz w odnawialnych źródłach energii, tj. turbiny wiatrowe czy ogniwa fotowoltaiczne.

Możliwość bardzo szybkiego ładowania/wyładowania, brak wrażliwości na zmienne obciążenia, zdolność do pracy w szerokim zakresie temperatur oraz duża trwałość cykliczna pozwoliły na rozwój superkondensatorów w segmencie przemysłu transportowego.

Zazwyczaj jednak ich rola sprowadza się do wykorzystania jako krótkotrwałe urządzenie do magazynowania energii o dużej mocy, będące wsparciem dla akumulatorów czy ogniw paliwowych. W pojazdach hybrydowych stosowane są jako źródło mocy przy rozruchu i podczas pokonywania wzniesień oraz do odzysku energii z hamowania.

Ciekawym rozwiązaniem jest wykorzystanie superkondensatorów w żurawiach i dźwigach, gdzie dostarczają lub odzyskują moc odpowiednio podczas unoszenia bądź opuszczania ładunku. Znanym przykładem jest również wykorzystanie superkondensatorów jako źródła energii elektrycznej w pojazdach komunikacji miejskiej. Taka koncepcja została przetestowana w Chinach i polega na szybkim ładowaniu kondensatorów elektrochemicznych na specjalnych stacjach ładowania, umiejscowionych na przystankach oddalonych od siebie o kilka kilometrów.

Bardzo duży potencjał aplikacyjny superkondensatorów sprawił, że od wielu lat trwają intensywne badania nad udoskonaleniem tej technologii. Wielkie nadzieje wiąże się z możliwością wykorzystania kondensatorów elektrochemicznych jako źródła energii w urządzeniach mobilnych. Być może to kondensatory elektrochemiczne są brakującym ogniwem w miniaturyzacji urządzeń i wkrótce odmienią współczesną elektronikę.

Trochę historii

Podstawy rozwiązań wykorzystywanych w kondensatorach elektrochemicznych zostały opisane już w połowie XIX wieku. Wtedy to niemiecki fizyk Hermann von Helmholtz po raz pierwszy przedstawił koncepcję magazynowania energii w tzw. podwójnej warstwie elektrycznej, co jest punktem wyjścia do zrozumienia mechanizmów zachodzących w superkondensatorach.

W 1957 roku H.I. Becker opatentował pierwsze urządzenie magazynujące energię, które wykorzystywało porowaty węgiel jako materiał elektrodowy oraz wodny elektrolit w postaci kwasu siarkowego. Nie potrafił on jednak wyjaśnić sposobu gromadzenia się energii. Natomiast model kondensatora elektrochemicznego w formie podobnej do stosowanych obecnie zaprezentował Robert A. Rightmire z SOHIO w 1966 roku. Dziś wiodącymi producentami superkondensatorów są: Maxwell (USA), ESMA (Rosja), SAFT (Francja), NESS (Korea Południowa), PowerSystem Co. (Japonia).

Autor: Karolina Zahorska, GRUPA WOLFF

EXPRESS
Portal i czasopismo dla menadżerów i inżynierów branży przemysłowej

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *