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Supercondensadores ¿un reemplazo para las baterías?

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Christian KasperArtículo técnico explicativo de los nuevos supercondensadores y las posibilidades de uso que conllevan como reemplazo para las baterías. Escrito por Christian Kasper, Responsable de Soporte Técnico de Rutronik Elektronische Bauelemente para el periódico técnico especializado online diarioelectronicohoy.com

Baterías y supercaps se basan en métodos de almacenamiento de energía completamente diferentes. Mirándolos con atención, queda claro que no se trata de un intercambio sencillo:

Batería: almacenamiento electroquímico

En la práctica, una batería es una fuente de tensión. El voltaje permanece muy estable durante la descarga sobre un amplio rango y sólo cae bruscamente al final del proceso de descarga (ver Gráfico).

Durante la carga, la energía eléctrica se convierte en energía química y se almacena como tal.

Supercondensadores ¿un reemplazo para las baterías?
Mientras que la tensión de la batería permanece constante al mismo nivel durante un largo periodo de tiempo, la del condensador desciende de modo lineal.

En la descarga, vuelve a convertirse en energía eléctrica. La energía acumulada se calcula mediante la siguiente fórmula: energía (Ws) = (capacidad (Ah) / 3600s) x tensión nominal (V). Dependiendo de la tecnología de batería, este principio alcanza una eficiencia del 50 al 90 por ciento, aproximadamente.

Ante sus competidores, las baterías ofrecen la ventaja de un contenido de energía mucho mayor y las desventajas de sensibilidad a picos de corriente, que deterioran permanentemente la propia batería, y de un rango limitado de temperatura operativa de 0 a +45 °C, aproximadamente. Los valores por encima o por debajo de estos límites acortan su duración, debido a su composición química.

Condensador: almacenamiento electrostático

Como los condensadores almacenan la energía de forma electrostática y la tensión cae (como la corriente) de manera lineal, se clasifican como una fuente de alimentación basada en corriente.

Tienen una eficiencia de alrededor del 98 por ciento y operan sin daños en el rango de temperatura de -40°C a +65 °C; a baja temperatura, su capacidad puede aumentar un poco más. Gracias a la ESR en el rango de mili-ohmios, soportan picos de corriente de varios cientos o miles de Amperios. Pero su talón de Aquiles se encuentra en su menor contenido de energía (con respecto a las baterías). El contenido de energía se calcula con la siguiente fórmula: Ws = 0.5 x capacidad (C) x oscilación de tensión (∆V²)

Dimensionamiento del condensador como reemplazo para las baterías

Para poder migrar la fuente de alimentación de baterías a EDLCs, se tiene que rediseñar el dimensionamiento del dispositivo de almacenamiento de energía como consecuencia de las diferentes tecnologías y características. Una orientación basada solamente en la ratio de batería no resulta útil, ya que suele estar sobredimensionada con el objetivo de resistir los picos de salida de corriente y potencia. Tal sobredimensionamiento no es necesario para los EDLCs por su elevada capacidad de resistencia a los picos de corriente.

Alguien que quiera cambiarse a los condensadores debería hacerse algunas preguntas como: cuánta potencia se requiere para la función deseada, es decir, qué momentos operativos y de reserva son deseables o necesarios y a qué corriente, oscilación de tensión potencial y salida de potencia.

Un condensador como reemplazo para las baterías se puede utilizar de forma óptima si el voltaje de carga se ha reducido a la mitad. Esto corresponde a una eficiencia del 75 por ciento. Con menores oscilaciones de tensión, se debe incrementar la capacidad para la misma salida de potencia o incorporar un convertidor DC/DC para ofrecer el rango requerido por la aplicación.

Una estimación basada en la relación entre la energía y el volumen de los EDLCs y sus costes de componentes suele mostrar que una solución sólo con condensadores tampoco es útil. Entonces, la respuesta a la pregunta de ¿batería o condensador? Es lógica: una combinación de los dos.

Con una solución híbrida de este tipo, la capacidad de batería se puede usar mejor y, por lo tanto, aumentar el tiempo operativo por carga. A la vez, gracias a la menor carga de corriente, la vida de la batería se amplía sustancialmente, de acuerdo a datos empíricos iniciales de hasta el cien por cien. Esto se puede implementar con varias topologías, desde una configuración paralela sencilla a sistemas controlados activamente y enlazados lógicamente.

Dimensionamiento del condensador como reemplazo para las baterías
Dimensionamiento del condensador como reemplazo para las baterías

Siga leyendo sobre esta solución en Ejemplos de aplicación para los supercondensadores

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