I supercondensatori apportano una serie di benefici al mercato dell'accumulo energetico. Pochi progettisti, però, sembrano coscienti della portata di questi piccoli componenti.
È probabilmente per questo motivo che alcuni analisti pensano che i supercondensatori siano ancora destinati a un piccolo mercato di nicchia, a causa di poca visibilità nel settore e alti costi che non ne facilitano la diffusione. Ma un numero sempre maggiore di analisti pensa che questi dispositivi costituiscano una tecnologia matura e adatta a un'ampia gamma di applicazioni. Ad esempio, Market Tech Research stima che i supercondensatori porteranno ricavi per 3,5 milioni di dollari nel settore dell'accumulo entro il 2020, arrivando a coprire il 5% del mercato dell'accumulo energetico entro lo stesso anno.
Secondo un recente report di Transparency Market Research (TMR), nel 2012 l'Asia Pacifica ha superato tutti gli altri mercati geografici per divenire il primo produttore di supercondensatori globali. I progressi nelle applicazioni come sistemi frenanti rigenerativi, HEV, sistemi micro ibridi stop/start, applicazioni militari e aerospaziali hanno trainato la crescita delle tecnologie legate ai supercondensatori. Si prevede che queste nuove e innovative applicazioni continueranno ad avere un ruolo fondamentale per la crescita del mercato globale dei supercondensatori anche nei prossimi anni.
Visualizza prodotti correlati
I supercondensatori, chiamati anche ultracondensatori o EDLC (Electric double-layer capacitors - condensatori a doppio strato elettrico), giocano un ruolo sempre più importante nei sistemi di accumulo energetico. Il CEO di Tesla Motors, Elon Musk, ha persino dichiarato che questi condensatori sostituiranno le batterie. Cosa rende i supercondensatori e gli ultracondensatori diversi rispetto agli altri prodotti della stessa famiglia? Sono migliori o peggiori delle batterie e delle celle a combustibile Quanto crescerà il loro mercato di riferimento e quanto si diffonderanno nelle applicazioni questi super e ultracondensatori? Il seguente articolo risponde a tutti questi quesiti.
Differenze dei supercondensatori
I supercondensatori cono condensatori elettrochimici con densità energetiche maggiori di ordini di magnitudine rispetto alle densità dei condensatori convenzionali. La quantità di energia che può essere accumulata in un condensatore, per volume del condensatore stesso, viene chiamata densità energetica. La densità energetica viene misurata volumetricamente (per unità di volume) in wattora per litro (Wh/l).
Rispetto alle batterie, i supercondensatori hanno una bassa resistenza interna, il che significa che possono raggiungere alte densità di potenza (Figura 1). La densità di potenza si riferisce alla velocità di assorbimento e invio di energia dal carico.
Figura 1: La potenza massima dei supercondensatori. (Fonte: dati forniti dall’autore)
Un altro vantaggio dei supercondensatori consiste nella velocità di carica e scaricamento. Questi dispositivi caricano e scaricano assorbendo e rilasciano ioni. Grazie alla bassa resistenza di serie interna dei supercondensatori, è possibile caricare e scaricare correnti elevate senza danneggiare le parti.
I due maggiori svantaggi dei supercondensatori sono la bassa tensione per cella e la non adattabilità a circuiti ad alta frequenza e AC. A seconda del materiale con il quale è composto il supercondensatore, il carico di tensione può variare da 2,1 a 4 V, mentre il valore tipico è 2,7 V. Se un'applicazione richiede maggiore tensione, è necessario collegare in serie diverse celle.
Questi dispositivi non sono adatti per i circuiti ad alta frequenza e AC, a causa di problemi di costante di tempo. Per i supercondensatori, la costante di tempo RC ha una connotazione diversa, rispetto al riferimento ai filtri dei comuni condensatori.
Visualizza prodotti correlati
Le costanti di tempo RC possono essere utilizzate come una misura del tempo necessario a un condensatore per caricarsi e scaricarsi. Questi periodi di tempo sono importanti per le applicazioni energetiche e di potenza che utilizzano condensatori per accumulare energia. I condensatori convenzionali presentano costanti di tempo RC dell'ordine di microsecondi o decine di microsecondi. Al contrario, i supercondensatori hanno una costante di tempo RC di circa un secondo. Questo ritardo nei tempi di risposta è dovuto alla maggiore capacità (Farad).
La più ampia capacità, tuttavia, fa dei supercondensatori la scelta ideale per l'accumulo energetico. Rispetto ad altri dispositivi di accumulo dell'energia, come le batterie, i supercondensatori sono considerati molto veloci. Ciò li rende ottimi per un'applicazione che necessiti di immagazzinare e rispondere a veloci richieste di energia, come le caso dei sistemi frenanti rigenerativi.
"Storicamente, la capacità dei condensatori di fungere da "magazzino di energia" era talmente bassa, rispetto alle batterie, che non si pensava potessero costituire un'alternativa," dichiara Jamil Kawa, Synopsys Scientist. . "I supercondensatori e gli ultracondensatori hanno aumentato incredibilmente la capacità volumetrica per l'accumulo di energia. Non è stato ancora raggiunto il livello delle batterie o delle celle a combustibile, ma siamo tanto vicini da considerarli competitivi, anche perché questi dispositivi presentano delle caratteristiche migliori rispetto alle batterie."
Le batterie sono state per molto tempo lo standard, in tema di accumulo energetico. Come possono essere superate da un condensatore, seppure "super"? In primo luogo, le batterie perdono la capacità di essere ricaricate in seguito a diverse centinaia di migliaia di cicli. Utilizzati per tutti i fini pratici, invece, i condensatori offrono infiniti cicli di carica e scaricamento.
In secondo luogo, i condensatori hanno una resistenza interna molto bassa, rispetto alle batterie. Sono in grado di fornire maggiore potenza istantanea (unità di energia per unità di tempo) rispetto alle batterie. "Ciò è molto importante," spiega Kawa. "Mentre una batteria può presentare un contenuto energetico maggiore, rispetto a un supercondensatore, quest'ultimo può fornire maggiore potenza istantanea".
Per le applicazioni dell'Internet delle cose (IoT) con un meccanismo di approvvigionamento energetico, infine, la capacità di incorporare tali potenti dispositivi di accumulo energetico in un chip rappresenta un requisito di estrema importanza. I supercondensatori e le micro-batterie sono due strumenti che potrebbero assolvere a tali necessità.
Supercondensatori versus altre tecnologie di accumulo energetico
I supercondensatori sono migliori o peggiori, rispetto agli altri dispositivi di accumulo, come le batterie e le celle a combustibile? La Figura 2 offre una comparazione, dove ogni categoria di batterie e supercondensatori trova una collocazione all'interno della matrice densità di potenza / densità energetica. Le celle a combustibile offrono alti valori di densità energetica e bassi valori di densità di potenza. In generale, le batterie presentano ancora una maggiore densità energetica, rispetto ai supercondensatori, ma questi ultimi non sono troppo lontani e, in alcuni casi, offrono maggiori densità di potenza.
Figura 2: Batterie ricaricabili versus supercondensatori per soluzioni di accumulo on-chip. (Fonte: gentile concessione di Synopsys)
Applicazioni
Oggi giorno, i supercondensatori e gli ultracondensatori sono utilizzati per stabilizzare i carichi fluttuanti e fornire una carica veloce ai dispositivi elettronici mobili. Questi dispositivi capacitivi, inoltre, fungono da buffer di potenza per mitigare gli sbalzi di tensione e molto altro.
I grandi supercondensatori e ultracondensatori si stanno imponendo nell'ambito delle applicazioni industriali, dove è necessaria una coppia iniziale elevata. I supercondensatori di minori dimensioni, specialmente quelli che possono essere integrati in moduli di forma ridotta, alimenteranno le applicazioni dove non è possibile sostituire la batteria, ad esempio nell'approvvigionamento energetico.
Visualizza prodotti correlati
FYL0H103ZF
KEMET Corporation Doppio strato elettrico del condensatore - Supercondensatori VisualizzaNella maggior parte delle applicazioni, i supercondensatori non sostituiranno le batterie, ma molto probabilmente le affiancheranno. Secondo Kawa, i supercondensatori saranno utilizzati laddove sono necessari alti livelli di potenza istantanea e per ricaricare velocemente, ad esempio nelle tecnologie di approvvigionamento energetico. Le batterie saranno necessarie per i "periodi bui", quando le fonti di energia rinnovabile sono intermittenti.