Los beneficios que aportan los supercapacitores al mercado de almacenamiento de energía son considerables. Sin embargo, pocos diseñadores parecen estar conscientes de estos pequeños, pero potentes componentes.
Quizás esa es la razón de por qué algunos analistas creen que los supercapacitores son todavía un mercado de nicho pequeño que no está siendo adoptado al máximo debido a su alto nivel de precio y falta de visibilidad en el sector. No obstante un número creciente de analistas ve estos dispositivos como una tecnología madura con una variedad creciente de aplicaciones. Por ejemplo, Market Tech Research predice que lo supercapacitores generarán USD 3500 millones en ingresos de almacenamiento de energía en 2020, con una representación del 5 % del mercado de almacenamiento de energía de baterías en 2020.
En un reciente informe de Transparency Market Research (TMR), se señaló que Asia y el Pacífico ha prevalecido sobre todos los demás mercados regionales para convertirse en un importante fabricante en el mercado mundial de los supercapacitores en 2012. Los avances en aplicaciones como frenos, HEV, sistemas de inicio y detención/microhíbridos, y aplicaciones aeroespaciales/militares han estimulado el crecimiento de las tecnologías de supercapacitores. Se espera que estas nuevas e innovadoras aplicaciones impulsen el mercado global de los supercapacitores en un grado considerable en los próximos años.
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Los supercapacitores, también conocidos como ultracapacitores o capacitores electrónicos de doble capa (EDLC), tienen un papel cada vez más importante en los sistemas de almacenamiento de energía. A Elon Musk, Director general de Tesla Motors, se le acredita haber afirmado que estos capacitores incluso "reemplazaran" la tecnología de las baterías. ¿Qué hace que los supercapacitores y ultracapacitores se diferencien de sus hermanos más comunes? ¿Cómo se comparan con las baterías y las células de combustible? ¿Cuál es el mercado de crecimiento y espacio de aplicación para estos potentes capacitores? Este artículo responderá a estas preguntas.
Diferencias de los superconductores
Los supercapacitores son capacitores electroquímicos con densidades de energía con un orden de magnitud mayor que las densidades de los capacitores convencionales. La cantidad de energía que se puede almacenar en un capacitor por volumen de dicho capacitor se denomina su densidad de energía. La densidad de energía se mide volumétricamente (por unidad de volumen) en vatios-hora por litro (Wh/l).
En comparación con las baterías, los supercapacitores tienen una baja resistencia interna, lo que significa que pueden alcanzar altas densidades de potencia (Figura 1). La densidad de potencia se refiere a la velocidad a la que la energía se puede entregar hacia o ser absorbida desde la carga.
Figura 1: la potencia máxima de los supercapacitores. (Fuente: proporcionado por el autor)
Otra ventaja de supercapacitores es su rápida velocidad de carga y descarga. Estos dispositivos logran la carga y descarga a través de la absorción y liberación de iones. Gracias a la baja resistencia en serie interna de los supercapacitores, la carga y descarga de alta corriente se logra sin dañar las piezas.
Las dos desventajas principales de los supercapacitores son la baja tensión por celda y la inadecuación para circuitos de alta frecuencia y CA. Dependiendo de la composición del material de los supercapacitores, la carga de tensión de la celda puede oscilar entre 2,1 V a 4 V, pero el valor típico es de 2,7 V. Si una aplicación requiere una tensión mayor, entonces se deben conectar varias celdas en serie.
Los dispositivos supercapacitivos no se adaptan bien a la CA y los circuitos de alta frecuencia debido a problemas con la constante de tiempo. Para los supercapacitores, la constante de tiempo RC tiene una connotación diferente de la referencia habitual para los filtros para los capacitores comunes.
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Una forma de utilizar las constantes de tiempo RC es como una medida del tiempo que el capacitor tarda en cargarse y descargarse. Estos períodos de tiempo son importantes para las aplicaciones de energía y potencia que utilizan los capacitores para el almacenamiento de energía. Los capacitores convencionales tendrán constantes de tiempo RC del orden de microsegundos a decenas de microsegundos. Por el contrario, los supercapacitores tienen constantes de tiempo RC de aproximadamente un segundo. Este tiempo de respuesta más lento se debe a la mayor capacitancia (faradios).
Sin embargo, esta mayor capacitancia vuelve a los supercapacitores ideales para el almacenamiento de energía. Cuando se comparan con otros dispositivos de almacenamiento de energía, como las baterías, los superconductores se consideran extremadamente rápidos. Esto los vuelve ideales para una aplicación que necesita almacenar y restituir sobrecargas rápidas de energía, como es el caso del frenado regenerativo.
"Históricamente la capacidad de los capacitores para actuar como un "almacenamiento de energía" era tan minúscula en comparación con las baterías que nunca se consideraron seriamente como una alternativa", señaló Jamil Kawa, científico de Synopsys. . "Los supercapacitores y ultracapacitores han aumentado drásticamente la capacidad volumétrica para el almacenamiento de energía. Todavía no están a la par con las pilas o células de combustible, pero están lo suficientemente cerca para competir con ellas, dado que tienen algunas cualidades que son superiores a las baterías".
Las baterías han sido durante mucho tiempo el estándar para el almacenamiento de energía. ¿Cómo pueden ser superadas por un capacitor, incluso uno "super"? Para empezar, las baterías pierden la capacidad para recargarse después de varios cientos o miles de ciclos. Sin embargo, para todos los fines prácticos, los capacitores tienen una duración infinita de ciclos de carga y descarga.
En segundo lugar, los capacitores tienen una resistencia interna muy baja en comparación con las baterías. Son capaces de ofrecer mayor potencia instantánea (energía por unidad de tiempo) que las baterías. "Esto es muy importante", explica Kawa. "Mientras que una batería puede tener un mayor contenido de energía que un supercapacitor competidor, este último puede ofrecer una mayor potencia instantánea".
Por último, para las aplicaciones del Internet de las cosas (IoT) con un mecanismo de cosecha de energía, la capacidad de incorporar estos potentes dispositivos de almacenamiento de energía en un chip es un requisito fundamental. Los supercapacitores y micro-baterías son buenos candidatos para estas necesidades.
Los supercapacitores frente a otras tecnologías de almacenamiento de energía
¿Cómo se comparan los supercapacitores a otros dispositivos de almacenamiento como las baterías e incluso las células de combustible? La Figura 2 proporciona una buena comparación de dónde encaja cada categoría de baterías y supercapacitores en la matriz de densidad de potencia/densidad de energía. Las células de combustible están a la cabeza en la densidad de energía, pero tienen una densidad de potencia más bien baja. En general, las baterías todavía tienen una mayor densidad de energía que los supercapacitores, pero estos últimos no se quedan atrás y algunos superan a las baterías en densidades de potencia.
Figura 2: las baterías recargables frente a los supercapacitores para soluciones de almacenamiento en chip. (Fuente: cortesía de Synopsys)
Aplicaciones
Actualmente, los supercapacitores y ultracapacitores se usan para estabilizar las cargas variantes y para proporcionar una carga rápida para los productos electrónicos móviles. Además, estos dispositivos capacitivos sirven como un búfer de energía para mitigar los cambios de tensión y mucho más.
Los supercapacitores y ultracapacitores grandes se están utilizando cada vez más para aplicaciones industriales donde se requiere un alto par inicial. Los supercapacitores más pequeños, especialmente aquellos que se pueden integrar en módulos de forma pequeña, alimentarán a las aplicaciones donde una batería de repuesto no es una opción, por ejemplo, la cosecha de energía.
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En la mayoría de las aplicaciones, los supercapacitores no reemplazarán a las baterías, pero es probable que co-existan con ellas. Según Kawa, los dispositivos supercapacitores se utilizarán donde se requieran altos niveles de potencia instantánea y para la recarga rápida, como las tecnologías de cosecha de energía. Las baterías serán necesarias para los "períodos oscuros" cuando las fuentes de energía renovable sean intermitentes.