Ultracondensadores: mayor densidad de energía

Sistemas de almacenamiento de energía
Automática e Instrumentación
Marzo 2009 / n.º 405
Ultracondensadores:
mayor densidad de energía
Gracias a su alta densidad de energía, a la innovación en la tecnología
y a la evolución de la electrónica de potencia, estos elementos pueden
llegar a suponer una alternativa a las baterías en determinadas
aplicaciones.
os ultracondensadores o supercondensadores –también
conocidos en inglés como ultracapacitors, supercapacitors o
electrochemical double layer capacitors (EDLC)– son condensadores electroquímicos que presentan
una alta densidad de energía en comparación a los condensadores convencionales. Por ejemplo, los condensadores electrolíticos típicos
pueden llegar a capacidades del orden de centenares de µF, mientras
que los ultracondensadores presentan capacidades de centenares de F
incluso hasta 3.000 F o 5.000 F. Esto
supone un incremento de 6 órdenes
de magnitud en la capacidad, aunque
presentan el inconveniente de que su
tensión nominal es usualmente más
baja.
Con esta característica y la innovación en la tecnología de los ultracondensadores, junto con la evolución de la electrónica de potencia,
estos elementos pueden llegar a suponer una alternativa a las baterías
en determinadas aplicaciones.
Un ultracondensador, de la misma
manera que un condensador elec-
L
54
trolítico convencional, se puede pensar como dos electrodos sumergidos
en un electrolito a los cuales se aplica una diferencia de potencial. El
potencial aplicado al electrodo positivo atrae los iones negativos del electrolito, mientras que el electrodo negativo atrae a los iones positivos. La
energía total almacenada es proporcional al número de cargas acumuladas y el potencial entre ambos electrodos, tal como se recoge en la
expresión
E=1/2 Q.U = 1/2 C.U2
La capacidad de un condensador
(C = Q/V) es directamente proporcional al área de los electrodos y la
permisividad dieléctrica del medio, e
inversamente proporcional a la distancia que separa los electrodos.
En un ultracondensador, los electrodos están hechos de un material
poroso a escala nanométrica, típicamente el material utilizado es carbono activado. La estructura porosa
de este material permite aumentar la
superficie específica hasta 2000 m2/g,
mucho mayor que en los condensadores electrolíticos convencionales.
Gracias a esta tecnología, se consi-
■ Circuito eléctrico equivalente de un ultracondensador.
■ Constante de tiempo RC.
guen condensadores de capacidades
extraordinariamente altas en volúmenes muy compactos y ligeros en
comparación a los condensadores
electrolíticos convencionales. Sin embargo, esta tecnología sólo puede soportar un bajo voltaje entre ambas capas, lo cual significa que para alcanzar
mayores tensiones nominales es necesaria la asociación en serie de diversas celdas, de una manera similar
a como se hace con las baterías.
Propiedades
Las propiedades eléctricas de un ultracondensador se derivan de su circuito eléctrico equivalente. El modelo
más sencillo de circuito eléctrico
equivalente para un ultracondensador incorpora una resistencia equivalente en serie y una resistencia
equivalente en paralelo (ver figura inferior). La resistencia equivalente en
serie (ESR) representa las pérdidas
por conducción. Dado que las láminas de carbón activado tienen una
muy alta conductividad, esta resistencia serie suele ser muy pequeña
–del orden de unos 1-10 mΩ–. En
cuanto a la resistencia equivalente en
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■ Valores relativos de capacidad y resistencia, en el rango de temperaturas de -40ºC a 70ºC para un ultracondensador de Maxwell.
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■ Respuesta frecuencial de la capacidad para un BCAP0350 de Maxwell.
se observa el funcionaparalelo (EPR), ésta remiento de un ultraconpresenta las pérdidas por
densador BCAP0350 de
corriente de fuga, y estas
Maxwell a diferentes frecorrientes son usualmencuencias.
te muy pequeñas –del orden de unos 1-10 mA–, por
Ventajas
lo cual el valor de dicha recomparativas
sistencia equivalente es del
La principal ventaja de
orden de unos 100 kΩ.
Como se ha visto, un ullos ultracondensadores
tracondensador puede ser
frente a los condensadopensado como un circuito
res convencionales es su
RC. De esta manera, el cimayor densidad de enerclo de carga (o descarga)
gía, del orden de 1-10
de un ultracondensador es
W·h/kg en los ultraconsimilar al de un condensadensadores frente a los
dor convencional. Así, la
apenas 0,1 W·h/kg de los
■ Respuesta frecuencial de la resistencia para un BCAP0350 de Maxcarga a tensión constante
condensadores electrolíwell.
responde a la expresión siticos. En comparación
guiente:
con las baterías, la difeu(t)=U0·(1-e-t/τ0)
Las pérdidas en un ultracondenrencia resulta escasa, ya que las nuedonde τ0=RESR·C es la constante de
sador vienen dadas por la corriente
vas baterías de Ion-Litio pueden sutiempo del condensador.
de fuga (parametrizada por la resisperar los 100 W·h/kg. No obstante, lo
Hay que tener en cuenta que, a ditencia en paralelo (EPR)) así como
compensan con una densidad de potencia mucho mayor, pues los ultraferencia de los condensadores típicos,
las pérdidas por conducción (paracondensadores pueden llegar a 1-10
la constante de tiempo R·C puede
metrizadas por la resistencia en serie (ESR)). Dado el orden de magkW/kg, mientras que las baterías no
llegar a ser demasiado lenta (debido
nitud de estos parámetros, los valores
llegan a superar los 200 W/kg. Estos
al elevado valor de C). (Ver figura
de estas pérdidas son muy pequedatos se pueden ver de manera claen página anterior).
ños, alcanzándose así rendimientos
ra y sencilla en el diagrama de la fiLa energía que almacena un ultrasuperiores al 95% para los valores
gura de la página siguiente.
condensador es, igual que en los conde corriente nominales.
Respecto a la eficiencia, los ultradensadores convencionales, según
Los ultracondensadores pueden
condensadores alcanzan rendimienla expresión: E=1/2 Q.U2
trabajar en un rango de temperatutos de carga/descarga de hasta el
De la misma forma, la relación coras de -40ºC hasta 70ºC. Como se ob95%, mientras que las baterías, en el
rriente-tensión sigue la expresió
serva en la figura superior izquierda,
mejor de los casos, alcanzan rendiq(t)
1
u(t)= –––– = –– i(t)dt;
el valor de la capacidad apenas varía
mientos del 70%. Esto supone, adeC
C t
con la temperatura.
más del incremento de la eficiencia
o bien, en su forma diferencial:
Respecto a la respuesta frecuenenergética, un menor calentamiento
dq(t)
du(t)
cial
de
los
ultracondensadores,
en
de los componentes, que repercute
i(t) = ––––– = C –––––
las figuras superior derecha y central
dt
dt
en mayor seguridad para los equi-
55
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tencia.
Como se observa en la tabla inferior, el rango de capacidades disponible es muy amplio; no obstante, las
tensiones nominales son muy bajas.
De esta forma, resulta necesaria la
asociación de diversos ultracondensadores formando bancadas. Para estos casos, los propios fabricantes
montan módulos comerciales ya configurados, en la tabla de la página siguiente se recogen las características
de algunos de ellos a modo de ejemplo.
■ Diagrama gráfico comparativo de diversos dispositivos para el almacenamiento de energía eléctrica. En el eje horizontal se representa la densidad de potencia [W/kg], en el eje
vertical se representa la densidad de energía [W·h/kg], las líneas diagonales representan
el tiempo de descarga (suponiendo una potencia constante de 1 W). Todos los ejes se representan en escala logarítmica.
56
pos.
Durante su vida útil un ultracondensador puede llegar a realizar hasta 106 ciclos de carga/descarga, a diferencia de las baterías que apenas
alcanzan los 1.000 ciclos. Los ultracondensadores pueden cargarse en
tiempos muy rápidos y a cualquier
tensión (mientras no superen la tensión máxima), y pueden guardarse
cargados total o parcialmente o incluso descargados, sin llegar a deteriorarse. También pueden recibir pulsos de energía sin que ello afecte a
su vida útil como ocurre en el caso
de las baterías.
Un último punto interesante es el
rango de temperaturas. Los ultracondensadores pueden trabajar entre -40ºC y 70ºC, mientras que las
baterías fallan a temperaturas inferiores a -10ºC.
El principal inconveniente de los ultracondensadores frente a las baterías es su elevado precio. A pesar
que actualmente están experimentando un cierto descenso en los precios, para una misma capacidad de almacenamiento de energía los
ultracondensadores pueden llegar a
ser 3 veces más caros que las baterías de Li-Ion, unas 10 veces más caros que las de Ni-MH, y hasta 20 veces más caros que las de Ácido-Pb.
Disponibilidad en el mercado
En el mercado existe una amplia oferta de ultracondensadores, desde los
más pequeños de apenas 1F hasta los
de 5000F, que se adaptan a la aplicación necesaria. También se encuentran módulos comerciales que,
mediante la asociación de diversos ultracondensadores, permiten almacenar grandes cantidades de energía.
Nos centraremos en aquellos ultracondensadores con mayor capacidad de almacenamiento, ya que son
los que resultarán interesantes en
aplicaciones de electrónica de po-
Aplicaciones de los
ultracondensadores
Los ultracondensadores tienen múltiples aplicaciones, desde la alimentación de memorias en sistemas críticos hasta el suministro de breves
pulsos de energía en sistemas de alta
potencia.
La tendencia general no es sustituir completamente las baterías, si no
más bien complementarlas. Los ultracondensadores no pueden llegar
a almacenar tanta energía como las
baterías, pero sí que pueden suministrar o absorber los pulsos de energía, ayudando así a disminuir los pi-
Fabricante U nom C (F)
(V)
RESRDC R·C
(mOhm) (seg)
Emax
Pmax
(Wh/kg) (W/kg)
Peso
(g)
Volumen
(ml)
Cap-XX
Cap-XX
Cap-XX
Maxwell
Maxwell
Maxwell
Maxwell
Maxwell
Maxwell
Maxwell
Nesscap
Nesscap
Nesscap
Nesscap
Nesscap
Nesscap
WIMA
WIMA
WIMA
WIMA
Vina
Vina
210
110
140
400
180
42
7,2
3,2
0,8
0,29
120
70
18
3,2
0,83
0,33
11
6
0,9
0,7
25
6
1,13
2,06
1,55
0,87
1,38
3,62
4,19
5,10
3,29
5,52
1,47
2,34
4,51
5,45
2,9
5,44
2,4
3
4,6
4,7
8,68
5,79
1,49
1,84
1,63
4
6,3
7
29
60
200
550
1,5
2,2
11,3
67
210
930
40
90
235
615
12
90
1,4
2,2
1,6
1,5
3,0
5,0
27,0
50,0
211,0
475,0
1,0
1,5
1,5
60,0
151,0
713,0
34,0
75,0
180,0
450,0
10,2
86,5
5,5
5,5
5,5
2,5
2,5
2,7
2,7
2,7
2,7
2,7
2,3
2,3
2,7
2,7
2,7
2,7
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
0,4
0,9
0,6
4
10
25
140
350
650
3000
3
7
50
360
600
5000
110
300
1200
3000
120
600
0,08
0,10
0,08
1,60
1,80
1,05
1,01
1,12
0,52
0,87
0,36
0,49
0,90
1,15
0,50
1,65
1,21
1,80
1,08
2,10
3,00
3,60
9668
14946
13256
3906
5511
8600
14900
16275
15100
13800
2939
3435
8400
9100
7000
7400
13750
11000
12750
12000
8333
4630
■ Resumen de características de diversos ultracondensadores. Fuente: elaboración propia a partir de datos obtenidos de catálogos.
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Fabricante U nom C (F)
(V)
RESRDC R·C
(mOhm) (seg)
Emax
Pmax
(Wh/kg) (W/kg)
Peso
(g)
Volumen
(ml)
Maxwell
Maxwell
Maxwell
Maxwell
Nesscap
Nesscap
Nesscap
Nesscap
WIMA
WIMA
WIMA
19
7,1
12,5
18
21
9
320
19
7
14
14
3,63
3,81
3,00
2,53
1,62
2,40
1,85
2,13
1,5
1,5
2,5
0,566
14,2
24,5
59,5
1,5
11
1,7
384
1,7
3,4
2,2
0,566
12,6
28,6
85,8
1,30
8,22
3,05
415,5
1,5
3
2,2
15
48,6
75
125
17,5
45
90
340
14
28
14
58
165
94
63
57
94
2,8
51
110
55
200
1,10
1,17
1,18
1,13
1,20
0,85
0,90
0,97
0,77
0,77
2,80
11200
7900
4592
4700
2431
5114
3722
3961
4118
4118
1591
■ Resumen de características de diversos ultracondensadores. Fuente: elaboración propia a partir de datos obtenidos de catálogos.
■ Diversos ultracondensadores del fabricante Maxwell. En la imagen: módulo BMOD0165
(165F y 48V), módulo BMOD0500 (500F y 16V), módulo BPAK0058 (58F y 15V), BCAP3000
(3000F), BCAP0350 (350F).
cos de corriente que experimentan
las baterías. De esta manera, se consigue reducir el tamaño de las baterías y se alarga su vida útil.
Buffer de energía en
ascensores
Los ascensores presentan en general
unos perfiles de consumo bastante
equilibrados entre el movimiento de
subida y el de bajada, gracias al uso
de los contrapesos. No obstante, presentan una elevada demanda de potencia para la aceleración de subida,
así como unos elevados pulsos de regeneración eléctrica al frenar, especialmente en la desaceleración de
bajada. Esto supone, en primer lugar,
un elevado requerimiento de disponibilidad en la red de suministro, y en
un segundo lugar, conlleva el uso de
resistencias de frenado en el convertidor de frecuencia que controla
el motor, lo cual supone un elevado
gasto energético.
En el entorno actual en que la eficiencia energética es un valor a considerar, se están desarrollando los
sistemas de control del motor que
aprovechen la regeneración eléctrica. Dadas las dificultades que presentan las comercializadoras frente
a la re-inyección a la red eléctrica, la
solución más viable es el almacenamiento de energía en el propio sistema. En este sentido, gracias a la superior densidad de potencia frente a
las baterías, los ultracondensadores
son los dispositivos más adecuados
para esta aplicación.
Sistemas de transporte pesado
De manera similar a los ascensores,
los ultracondensadores se utilizan
en sistemas de mayor potencia como
los ferrocarriles, tranvías, o incluso
autobuses o vehículos eléctricos
Existen numerosos ejemplos de
proyectos en este sentido, en que
los ultracondensadores han sido testados y han demostrado su validez.
Como ejemplo, en la ciudad de Heidelberg (Alemania), los trenes ligeros con la tecnología Mitrac Energy
Saver de Bombardier, llevan funcionando en régimen normal de
transporte de pasajeros desde el año
2003, y han experimentado un ahorro en el consumo eléctrico de hasta un 30%.
En otras muchas ciudades se desarrollan proyectos parecidos con
autobuses o tranvías, obteniendo resultados satisfactorios. Una consecuencia interesante del uso de esta
tecnología es que permite suministrar
energía a un tranvía para recorrer
un tramo del trayecto sin necesidad
de catenaria, como por ejemplo al
cruzar una plaza o pasar por delante de monumentos o edificios históricos.
Al nivel de vehículos de transporte privado, existen algunos proyectos de desarrollo de vehículos eléctricos o eléctricos híbridos que
combinan las baterías con los ultracondensadores. Los ultracondensadores permiten suministrar grandes
pulsos de energía en cortos intervalos de tiempo, actuando como buffer
de energía, mientras que las baterías almacenan mayor cantidad de
energía. De esta forma, se puede reducir el volumen (y peso) de las baterías, además de aumentar su vida
útil y reducir el tiempo de carga de
las baterías.
Compensación de caída
de tensión en redes de
distribución débiles
Las redes de distribución en corriente continua (como pueden ser
las líneas ferroviarias del ejemplo
anterior) son especialmente sensibles a las caídas de tensión que se
pueden producir en ciertos casos
(por ejemplo, cuando dos trenes
arrancan a la vez desde un mismo
punto). Estos fallos se pueden compensar mediante la instalación de
subestaciones de compensación,
formadas por bancos de ultracondensadores y su correspondiente
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■ Tren ligero de Bombardier que incorpora el sistema Mitrac Energy Saver, el cual utiliza
ultracondensadores para el almacenamiento de energía.
convertidor encargado de regular
los flujos de energía, en los finales
de línea de las redes débiles.
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Sistemas de alimentación
ininterrumpida
Aun a pesar de su baja densidad de
energía comparados con las baterías,
los ultracondensadores pueden ser
aplicados en sistemas de alimentación
ininterrumpida (SAI). La idea no es
alcanzar grandes periodos de autonomía, sino más bien proporcionar
energía durante un corto periodo de
tiempo, suficiente para detener un
proceso crítico de manera segura.
Por ejemplo, en sistemas informáticos, redes de suministro críticas, etc.
Energías renovables
La combinación de los ultracondensadores con las fuentes de energía
renovables o limpias supone un inte-
resante campo de aplicación, especialmente en la situación actual de crisis energética y medioambiental.
Un ejemplo es la combinación de
los ultracondensadores con las pilas
de combustible. Las pilas de combustible producen energía eléctrica
a partir del hidrógeno, de una manera
limpia y bastante eficiente. Por este
motivo pueden suponer una opción
de futuro, tanto en la generación
eléctrica de pequeña potencia (microgeneración o generación distribuida), como aplicadas a los vehículos eléctricos o eléctricos híbridos. No
obstante, uno de los problemas que
presentan las pilas de combustible
como fuente de energía eléctrica es
la lenta respuesta dinámica de éstas, que hace necesario un sistema capaz de proporcionar pulsos de energía para mantener la estabilidad del
suministro. En ese punto es donde los
ultracondensadores, con su característica de actuar como buffer de energía, y junto con la electrónica de potencia, pueden ser la solución.
Otro caso, aunque con una finalidad diferente, es el uso de ultracondensadores como fuente de alimentación para los sistemas de control de
ángulo de pitch en aerogeneradores. Los aerogeneradores con esta
tecnología incorporan un servomotor
en cada aspa encargado de controlar el ángulo de incidencia de la pala
con el viento (o ángulo de pitch).
Comúnmente, se utilizan baterías
como fuente de energía de emergencia para estos sistemas. Debido al
consumo requerido, las baterías han
de ser sobredimensionadas para poder suministrar los elevados pulsos
de energía, aunque éstos se produzcan durante un corto intervalo de
tiempo. Además de este hecho, el limitado ciclo de vida de las baterías
combinado con la inaccesibilidad de
los aerogeneradores, eleva los costes
de mantenimiento. Por estos motivos,
actualmente se desarrollan los sistemas de ultracondensadores como
sustituto a las baterías como fuente
de alimentación de emergencia para
los sistemas de control de pitch en
los nuevos aerogeneradores.
Ricardo Riazor
(CITCEA-UPC)
www.citcea.upc.edu
Josep Rafecas
(CINERGIA)
www.cinergia.coop
Antoni Sudrià
(IREC-UPC)
www.irec.cat