I supercapacitor, un particolare tipo di condensatore caratterizzato da un valore di capacità estremamente elevato, sono componenti in grado di sopportare un numero di cicli di carica e scarica diversi ordini di grandezza superiori rispetto a quelli dei condensatori tradizionali. Come vedremo nell'articolo, queste ed altre proprietà li rendono ideali per implementare sistemi per l'accumulo e il riutilizzo dell'energia elettrica nei veicoli elettrici ed ibridi.
Introduzione
Negli ultimi anni abbiamo assistito a una crescente sensibilità, su scala globale, verso i temi legati alla questione ambientale. Il riscaldamento globale è diventato un problema di priorità elevata, che va affrontato riducendo il più possibile le emissioni gassose responsabili dell'effetto serra. L'introduzione sul mercato dei veicoli ibridi (HEV) ed elettrici (EV) ha rappresentato una delle innovazioni tecnologiche più avanzate, in grado di ridurre sia le emissioni inquinanti, sia il consumo di carburante. I veicoli ibridi, in termini di accelerazione e autonomia, presentano oggi prestazioni paragonabili a quelle di un veicolo tradizionale, ottenute però con consumi inferiori, soprattutto nel ciclo urbano. I mezzi di trasporto elettrici sono invece, per loro natura, a emissione zero, sono silenziosi e sono in grado di produrre energia (utilizzabile per la ricarica delle batterie o per alimentare altri dispositivi), tramite la frenata rigenerativa. Relativamente alla diffusione dei veicoli elettrici, è prevista nei prossimi anni una crescita sostanziale, accelerata dalla riduzione del prezzo di mercato, dalle possibilità offerte da differenti sistemi di ricarica (come il fast charging, che richiede poche decine di minuti per una ricarica completa o quasi) e dalla disponibilità sempre maggiore di stazioni di ricarica sul territorio.
I supercapacitor
I supercapacitor, noti anche con il termine ultracapacitor, rappresentano un particolare tipo di condensatore caratterizzato da un valore estremamente elevato di capacità per unità di area, diversi ordini di grandezza superiore rispetto a quella dei condensatori tradizionali. Come evidenziato dal diagramma di Figura 1, i supercapacitor si collocano a metà strada tra i normali condensatori e le batterie al piombo, sia in termini di energia specifica (energia accumulata per unità di massa o di volume) che di potenza specifica (potenza per unità di massa o di volume). Dall'esame di Figura 1 si deduce che le batterie al piombo e le celle a combustibile sono dispositivi con potenze specifiche molto ridotte (mediamente inferiori a 100 W/kg, o 100 W/dm3), mentre i condensatori offrono una potenza specifica anche superiore a 1 MW/dm3, alla quale però si contrappone una densità di energia molto bassa. L'area del diagramma occupata dai supercapacitor è molto ampia, dimostrando come questo componente innovativo sia in grado di migliorare sia le caratteristiche elettriche delle batterie (dal punto di vista dell'energia specifica) che dei condensatori (dal punto di vista dell'energia specifica).
Figura 1. Potenza specifica ed energia specifica per diversi sistemi di immagazzinamento dell'energia
I supercapacitor hanno capacità molto superiori rispetto ai normali condensatori, ma valori di tensione massima inferiori. Essi sono in grado di immagazzinare una quantità di energia per unità di volume o di massa decine o centinaia di volte superiore rispetto ai condensatori elettrolitici, possono essere caricati e scaricati più velocemente delle batterie e sopportano un numero di cicli di carica e scarica notevolmente superiore rispetto alle batterie ricaricabili. In Figura 2 è visibile un modello commerciale di supercapacitor: si noti il valore estremamente elevato di capacità, al quale corrisponde tuttavia un valore ridotto di tensione.
Figura 2. Un supercapacitor di tipo commerciale da 2,7 V 3000 F
La domanda di supercapacitor, soprattutto nel settore automotive, è in costante crescita. Il motivo principale è dovuto ai benefici che questa soluzione è in grado di fornire, tra cui:
- elevata durata, stimabile approssimativamente in un milione di cicli di ricarica
- ampio range di temperatura
- elevata densità di potenza
- bassa resistenza interna
- assenza di materiali tossici nel processo di fabbricazione del componente
- maggiore efficienza rispetto alle batterie convenzionali
- assenza di manutenzione (a differenza di molti tipi di batterie)
Costruzione di un supercapacitor
Dal punto di vista della fabbricazione, i supercapacitor sono molto simili ai condensatori tradizionali, dai quali differiscono per il tipo di materiale utilizzato e per alcune tecniche impiegate per aumentare la quantità di energia immagazzinata. I supercapacitor presentano delle armature conduttive poste su entrambi i lati di un elemento centrale separatore immerso in un elettrolita (si osservi la Figura 3). Il separatore è una membrana molto sottile realizzata con materiale plastico, carbone oppure carta. Lo spessore del materiale separatore è molto più piccolo rispetto ai condensatori tradizionali al fine di incrementare l’efficienza del trasferimento di ioni tra le armature. I supercapacitor sono spesso indicati con il termine EDLC, acronimo di Electric Double Layer Capacitor. Il motivo risiede proprio nella loro struttura interna: quando le armature su entrambi i lati si caricano, si producono delle cariche elettriche su entrambi i lati del separatore, come visualizzato in Figura 3.
Figura 3. Struttura interna di un supercapacitor
Il separatore, nella versione più comune realizzato con una membrana porosa di carta, ha il compito di separare elettricamente i due elettrodi ed è quindi collocato in posizione centrale, equidistante dagli elettrodi. La membrana e le due armature determinano il valore di capacità (espressa in Farad), dato dalla seguente formula:
C=ε x (A / D)
dove ε è la permittività del materiale, A l'area delle armature e D lo spessore del separatore. Per incrementare la capacità, occorre dunque aumentare la superficie di contatto, limitata però dalle dimensioni fisiche del componente. Per superare questo limite, si utilizzano particolari tipi di elettrolita in grado di aumentare la conduttività tra le armature. Lo svantaggio offerto da questa tecnica costruttiva è che la tensione nominale del supercapacitor non può raggiungere valori elevati a causa della tensione di decomposizione dell'elettrolita. La tensione nominale del condensatore dipende dalle caratteristiche chimico-fisiche dell'elettrolita, il quale limita la capacità di immagazzinamento dell'energia nel supercapacitor.
Per sopperire al valore di tensione non particolarmente elevato, i supercapacitor sono spesso collegati in serie, immagazzinando così una carica elettrica ad un livello di tensione maggiormente significativo a livello pratico. Più in generale, si utilizza il collegamento in serie di più supercapacitor per innalzare il valore di tensione nominale, mentre si utilizza il collegamento in parallelo per aumentare la capacità risultante. Questi principi sono alla base della tecnica utilizzata per realizzare i cosiddetti supercapacitor array. Si consideri ora la Figura 4, in cui è schematizzato un supercapacitor array (matrice di supercapacitor). La tensione applicata ad ogni singola cella [...]
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Il problema grosso di questi stupendi componenti e’ purtroppo il costo troppo elevato .
Mi ricordo parecchi anni fa quando realizzai un condensatore elettrolitico da 24V – 1 F
parallelizzando decine di condensatori da 33000 uF.
Una volta caricato il pacco di condensatori con l’alimentatore da banco li facevo scaricare su delle superfici metalliche tipo lamiere ecc e l’elevatissima corrente di scarica istantanea provocava dei veri e propri solchi nel ferro , come una saldatrice a elettrodo , ma ovviamente di brevissima durata.
Sarebbe interessante usare supercondensatori a costo accessibile e ridotte dimensioni, caricandoli ad ex con celle fotovoltaiche per un periodo necessariamente lungo ed utilizzandoli poi per alimentare circuiti che devono ad ex effettuare trasmission, attuazioni i o controlli periodici nell’arco di alcuni minuti ed utilizzano ovviamente una corrente superiore a quella fornita dalle celle usate per la ricarica, attivando il circuito solo quando il condensatore e’ carico.
Saluti
Come ha scritto Maurizio, il limite dei supercapacitor sta nel costo ancora eccessivo. Sarebbe opportuno fare un’analisi costi-benefici comparando diverse tecnologie e valutare quale sia la migliore sul mercato.
Grazie Stefano per questo articolo. Io sto già proponendo ai miei clienti i Supercapacitor per applicazioni industriali, non automotive; e la capacità di storage raggiunta è circa la metà di una batteria al litio, con scarica del 2% al mese. Il costo scenderà presto e ad oggi i maggiori produttori sono americani e giapponesi. Confermo che la maggior efficacia si ha combinando un pacco batterie con i supercap, ma ricordiamoci che le batterie comportano sempre una trasformazione chimica con una certa efficienza e che la loro profondità di scarica può essere nell’ordine dell’80%, mentre i supercap, con oltre un milione di cicli, hanno profondità di scarica pari a 100%.
Bisogna anche fare i conti con la “qualità” della tensione erogata dai supercapacitors. Avevo letto, tempo fa, da qualche parte, che la tensione fornita è meno stabile di quella fornita dalle batterie e soprattutto decresce linearmente con la graduale perdita di carica. Non so se sia vero ancora oggi
Molto interessante; credo di non dire nulla di nuovo affermando che quello degli accumulatori di energia in generale è un campo dove siamo fermi a tecnologie non sempre soddisfacenti e comunque con molti aspetti negativi (anche di impatto ambiantale). Se si riuscisse a spingere la ricerca e l’ingegnerizzazione su questi dispositivi, così da abbassarne anche il prezzo, i campi di applicazione che ne trarrebbero beneficio sarebbero molti: penso ad esempio all’accumulo di energia da celle fotovoltaiche per uso domestico. Saluti.