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Los Supercondensadores y sus beneficios de diseño en aplicaciones esenciales

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Bernd Heim, de Avnet Abacus, presenta una tecnología que encuentra nuevas áreas de aplicación en almacenamiento de energía y backup de potencia.

Introducción

Los supercondensadores son dispositivos, que en el ámbito de almacenamiento de energía, tienden un puente entre las baterías recargables y las tecnologías de condensadores más tradicionales, como los modelos electrolíticos. La forma más común de un supercondensador es el condensador eléctrico de doble capa (EDLC), que almacena energía electrostática a través de la separación de carga en un interface de doble capa entre un electrodo conductor y un electrólito.

El carbono activo suele ser el material elegido como electrodo, ya que su gran área de superficie añade eficiencia volumétrica y, por consiguiente, incrementa la capacitancia y permite la creación de dispositivos más compactos.

Los supercondensadores también muestran baja resistencia serie equivalente (ESR) para ofrecer rapidez de carga / descarga y así diferenciarse de las baterías recargables.

Los dispositivos EDLC, por su parte, proporcionan larga duración y mínimo deterioro tras cientos de miles de ciclos de carga para mejorar las prestaciones de las baterías recargables, que se degradan en unos pocos años o tras unos cuantos miles ciclos de carga.

Diagrama de Ragone
Diagrama de Ragone que muestra la densidad de energía vs la densidad eléctrica para varios dispositivos de almacenamiento energético.

Aunque los primeros supercondensadores llegaron al mercado al final de la década de los 70 y los efectos de EDLC se observaron un poco antes, ha sido durante los últimos años, con la creciente demanda de ofrecer backup de potencia a numerosos equipos electrónicos y la mayor concienciación de gestión energética, cuando estos dispositivos han estado verdaderamente disponibles para su uso en múltiples aplicaciones, como medición inteligente, acumulación de energía, energías renovables y un gran abanico de sectores industriales.

Fuente de la fotografía: wikipedia

Este artículo revisará de forma detallada la tecnología EDLC para aumentar el conocimiento de sus características y beneficios en un gran número de productos comerciales. Para ello, nos centraremos en algunos productos de los principales fabricantes de la industria, como Panasonic, Murata, Nichicon, Cooper Bussmann y AVX.

Qué son los supercondensadores y cómo funcionan

El condensador eléctrico de doble capa (EDLC) es un tipo de condensador electroquímico que almacena energía electrostática sin emplear una reacción química. Estos supercondensadores carecen de un dieléctrico sólido convencional, en su lugar utilizan un electrólito y electrodos conductores. La descripción de EDLC hace referencia a la separación de carga que tiene lugar en una capa doble de Helmholtz en el interface entre el electrodo y el electrólito. Esta capa doble es muy delgada (menos de 1 nanómetro) y, por lo tanto, los electrodos con una gran área de superficie, como los realizados en carbono activo, dan valores de gran capacitancia en relación con su volumen.

Almacenamiento de carga en un supercondensador
Almacenamiento de carga en un supercondensador

Los principios básicos de los supercondensadores han sido redefinidos con el paso del tiempo como consecuencia de la “competencia” entre fabricantes por producir los dispositivos con el mejor rendimiento. Por ejemplo, la optimización del tamaño de poro del carbón vegetal activo y del grosor de los electrodos puede reducir la resistencia serie equivalente (ESR), posibilitando ratios de carga / descarga más rápidos y mejoras operativas a baja temperatura.

De manera similar, el uso de un disolvente basado en carbonato de propileno para el electrólito, en lugar del electrólito de acetonitrilo más usual, ofrece diversos beneficios. Su menor viscosidad contribuye a disminuir la resistencia y lograr una solución más segura y ecológica, ya que el acetonitrilo puede emitir gases tóxicos en caso de incendio.

Como actúan los supercondensadores para diferenciarse de otros dispositivos de almacenamiento de energía

Las características eléctricas de los supercondensadores proporcionan un rendimiento que se sitúa entre las capacidades de almacenamiento de condensadores tradicionales y baterías recargables. Estos dispositivos se benefician de la rapidez de carga de condensadores estándares, pero con el incremento de capacidad de almacenamiento asociado a las baterías.

En comparación con otras tecnologías, los supercondensadores tienen la máxima densidad de energía (volumen de capacitancia / unidad), alcanzando valores hasta 10.000 veces superiores a los de los condensadores electrolíticos. Sin embargo, esta densidad sólo es el 10 por ciento de una batería convencional y hay otras baterías que pueden dotar de capacidades totales mucho más mayores.

Donde los supercondensadores vencen a las baterías es en la densidad eléctrica, que se identifica con la velocidad a la que puede llegar la energía en la carga. La baja ESR de los supercondensadores (medida en miliohmios) hace posible una carga rápida sin necesidad de circuitería de protección, mientras que su capacidad de descarga igualmente rápida permite responder a la demanda de aplicaciones de potencia de pulso y asistencia de batería.

Además, los supercondensadores carecen de limitación de ciclo de carga / descarga (sin efecto de memoria), con el consecuente ahorro de coste de una “larga vida” sin tareas de mantenimiento.

Los supercondensadores también tienen mayor atractivo que las baterías en cuanto a su impacto medioambiental, ya que no contienen plomo ni otras sustancias potencialmente nocivas y, por lo tanto, cumplen las directivas de las Unión Europea, como RoHS.

Características de descarga eléctrica EVerCAP (fuente Nichicon)
Características de descarga eléctrica EVerCAP (fuente Nichicon)

Qué aplicaciones se pueden beneficiar del uso de supercondensadores

Los supercondensadores son idóneos en un gran número de aplicaciones y, en consecuencia, el mercado cuenta con productos que amplían los valores de capacitancia, como se demuestra en este artículo.

En un extremo de la balanza se encuentran dispositivos que ofrecen reemplazos fiables de larga duración para las pilas de botón, que realizan un backup de los relojes en tiempo real (RTC) en sistemas con un microcontrolador. En el otro lado, están unidades de mayor capacidad que pueden alimentar servomotores y otros actuadores de equipos de control industrial en entornos adversos o con temperaturas extremas.

Como se mencionaba con anterioridad, las ventajas de los supercondensadores son idóneas en aplicaciones de almacenamiento energético y reemplazo de batería, donde sus características de larga duración, fiabilidad, mínimo mantenimiento, mayor rango de temperatura operativa, bajo impacto ambiental y circuitos de carga sencilla son muy pertinentes. Las aplicaciones abarcan contadores inteligentes, acumulación de energía, energías renovables y un gran número de soluciones de backup.

Además, la función de carga / descarga ofrece la capacidad de resistir subidas breves de tensión en arranque de motor industrial, como ascensores y montacargas, y regeneración de energía en vehículos eléctricos, como sucede con los sistemas de recuperación de energía cinética (KERS), popularizados por las carreras de Fórmula 1.

Conclusión

Los supercondensadores proporcionan a los diseñadores de equipos una alternativa flexible a condensadores convencionales o baterías recargables a la hora de almacenar energía, en términos de potencia de backup y protección ante subidas de tensión. Ausencia de mantenimiento, larga duración y credenciales medioambientales contribuyen a que los supercondensadores sean la elección natural en múltiples soluciones de proyectos de “energía verde”.

Ahora lea desde este enlace las características más importantes de los principales Supercondensadores que se fabrican hoy en día.