1
1. Wiadomości ogólne
Reagując na zapotrzebowanie rynku na alternatywne i ekologiczne (bezołowiowość)
komponenty do gromadzenia energii elektrycznej, firmy produkujące kondensatory
wprowadziły nowy ich rodzaj – kondensatory dwuwarstwowe SuperCap (SuperCap C
obudowa cylindryczna oraz SuperCap R obudowa w kształcie sześcianu).
Superkondensator jest rodzajem kondensatora elektrolitycznego, który z uwagi na
sposób konstrukcji wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną w porównaniu do
klasycznych kondensatorów elektrolitycznych dużej pojemności.
Największą zaletą superkondensatorów jest bardzo krótki czas ładowania w
porównaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np. akumulatorami). Dlatego
też, superkondensatory są coraz częściej stosowane równolegle z innymi źródłami energii, np.
ogniwami paliwowymi, w celu krótkotrwałego dostarczania mocy szczytowej, co pozwala na
znaczne zmniejszenie rozmiarów całego układu. Próby z takimi rozwiązania są
przeprowadzane m.in. w prototypach samochodów hybrydowych lub do wspomagania
zasilania robotów.
2
2. Technologia
Technologia superkondensatorów jest oparta na wykorzystaniu węgli aktywnych lub
węglowych aerożeli. Węgle aktywne wykazują dobre własności porowate, nawet do 2500
m²/g i wykorzystane są do konstrukcji elektrod o dużej powierzchni właściwej.
Kondensator SuperCap jest czymś pomiędzy kondensatorem i baterią elektryczną. W
przeciwieństwie do innych typów kondensatorów nie posiada dielektryka. Zbudowany jest z
wielu pojedynczych elementów połączonych szeregowo, z których każdy składa się z dwóch
warstw węgla aktywnego, zwilżonych elektrolitem. Warstwy węgla są oddzielone
separatorami, przepuszczającymi jony i zamknięte w hermetycznej osłonie gumowej.
Gdy do kondensatora przyłożone zostanie napięcie, to cząstki węgla w warstwie
anodowej zostają naładowane dodatnio, a katodowej ujemnie, wówczas jony ujemne
elektrolitu wędrują przez separator i zbierają się wokół dodatnich cząstek węgla. Podobnie
zbierają się dodatnie jony w warstwie katody.
W ten sposób można gromadzić duże ładunki elektryczne. 1 gram proszku węglowego
może teoretycznie dać pojemność od 200 do 400 faradów.
Ponieważ elektrolit komórek zawiera wodę, to maksymalna wytrzymałość elektryczna
wynosi 1,2V na komórkę. Powyżej tego napięcia woda ulega hydrolizie na tlen i wodór.
Kondensatory te mają wysokie ESR (Equivalent Series Resistance tj. zastępcza rezystancja
szeregowa) od 1 do 300Ω, które w znaczny sposób ogranicza prąd rozładowania. Można je
naładować w ciągu 1min i mają czas życia dłuższy niż 10000 cyklów naładowania i
rozładowania lub 10 lat pracy z doładowaniem. Prąd upływu (samorozładowania) wynosi ok.
1µA, co powoduje, że po upływie jednego miesiąca na kondensatorze jest w dalszym ciągu
ok. 50% napięcia. Duża zależność od temperatury powoduje, że w zakresie od -25 do +70ºC,
pojemność zmienia się od -50 do +150%. ESR przy -25ºC jest 3 razy wyższe, niż w
temperaturze pokojowej. Kondensatory te są niepolaryzowane, ale to doprowadzenie, które
połączone jest z obudową, zaleca się jako biegun ujemny.
3
3. Zastosowanie superkondensatorów
Superkondensatory mogą służyć do oszczędzania energii w pojazdach, pozwalając
wyłączać silnik po zatrzymaniu samochodu i błyskawicznie go następnie uruchamiać
zaledwie „dotknięciem” pedału. Pozwalają także hamować regeneracyjnie, odbierając do
przechowania energię hamowania, co znacznie zwiększa sprawność energetyczną pojazdu i
redukuje zanieczyszczanie powietrza. Ocenia się, że zatrzymywanie silnika i hamowanie
regeneracyjne zmniejsza zużycie paliwa o 7-15%, a zmniejszenie emisji zanieczyszczeń
powietrza przekracza 90%, w tym tlenków azotu 50%.
Użycie superkondensatorów w pojazdach napędzanych ogniwami paliwowymi jest
również bardzo korzystne. Ogniwa te, o ile są wystarczająco duże (a więc kosztowne),
dynamicznie radzą sobie z obciążeniami impulsowymi. W hybrydowym połączeniu ogniw
paliwowych z superkondensatorami, dzięki zdolności do szybkiego rozruchu i odzysku
energii hamowania, system staje się znacznie bardziej opłacalny.
Silnik elektryczny charakteryzuje się wielkim momentem przy niskich obrotach – to
jest jego główną zaletą w zastosowaniach trakcyjnych – idealnie więc nadaje się do silnego
przyspieszania przy rozruchu. Ale przy wyższych obrotach, gdy pojazd już przyspieszył,
silnik spalinowy doskonale wypełnia swoje zadanie. Taka hybryda w optymalny sposób
wykorzystuje charakterystyki obu silników. A superkondensatory doskonale nadają się do
zastosowań, wymagających krótkich impulsów dużej mocy, przedzielanych dłuższymi
okresami małej mocy. Często używa się dwóch napędów optymalnie zespolonych z punktu
widzenia mocy i energii. Takim modelem jest „magazynowanie mocy”, w którym
superkondensator jest dobierany do maksymalnej mocy szczytowej, a podstawowe źródło
energii do maksymalnej mocy ciągłej. Źródłem tym może być silnik spalinowy, akumulatory
o dużej pojemności, lub ogniwa paliwowe. Przy optymalnym wykorzystaniu obu składników
superkondensator ma dostarczać różnicę mocy szczytowej i mocy ciągłej.
4
4. Zalety superkondensatorów
bardzo duża szybkość ładowania/rozładowania (w porównaniu do baterii i
akumulatorów),
niewielka degradacja własności przy wielokrotnym rozładowaniu i ładowaniu (nawet
do miliona cykli),
duża sprawność cyklu (95% i więcej),
wysoką żywotnością, przeciętnie do 1 miliona cykli,
czas ich technicznego życia jest dłuższy niż pojazdu/urządzenia, w którym są
zainstalowane,
są bezobsługowymi komponentami typu „zainstaluj i zapomnij”, o niskich kosztach
eksploatacji,
mają znacznie mniejszą ESR niż akumulatory, dobrze działają w niskiej temperaturze,
nawet do –40ºC,
mają wysoką sprawność (84-95% wobec 70% sprawności akumulatorów w takich
samych warunkach),
mogą impulsowo wspomagać przyspieszenie pojazdu z mocą do dziesięciu razy
wyższą niż akumulatory,
ułatwiają tworzenie rozproszonych systemów zasilania, które upraszczają
okablowanie i są tańsze,
są przyjazne środowisku, bowiem w 70% podlegają recyklingowi i nie zawierają
metali ciężkich.
5
5. Wady superkondensatorów
ilość zgromadzonej energii na jednostkę masy urządzenia jest ciągle o rząd wielkości
niższa (5 Wh/kg) niż dla źródeł chemicznych (40 Wh/kg),
zmienna wartość napięcia na zaciskach superkondensatora (napięcie spada
wykładniczo przy rozładowaniu). W celu efektywnego wykorzystania energii niezbędne są
skomplikowane układy elektroenergetyczne.
6
6. Fakty o superkondensatorach
Kondensatory te produkuje się o pojemnościach od 10mF do 22F, ale prace
rozwojowe wskazują na możliwość wytwarzania jeszcze większych pojemności. Stosowane
są niemal wyłącznie jako rezerwa napięcia m.in. w układach pamięciowych i
mikroprocesorowych. Używa się ich również do przechowywania energii w krótkich okresach
czasu np. jako dodatkowa energia, żeby uruchomić silnik, przyciągnąć przekaźnik albo
wygenerować impuls zapłonowy.
są stosowane w module hamulcowym hybrydowego samochodu Toyota Prius,
użyto ich w hybrydowym samochodzie VW z ogniwami paliwowymi,
zastosowane są także w opracowywanych od lat samochodach Honda Civic IMA i FCX-
V3,
znajdują się we wprowadzonej przez firmę Nissan do sprzedaży w Japonii hybrydowej
ciężarówce elektryczno-dieslowskiej z hamowaniem regeneracyjnym i wspomaganiem
rozruchu,
zostały zastosowane w lansowanym przez firmę Man elektryczno-dieslowskim autobusie
miejskim z regeneracyjnym systemem hamulcowym,
w wersji na napięcie 200V zostały użyte w hybrydowym BMW X5 do hamowania
regeneracyjnego.
7
7. Zakończenie
Superkondensatory w zastosowaniach samochodowych są długowieczne i odporne i
mogą dostarczać dużej mocy w szerokim zakresie temperatury przy małych wymaganiach
serwisowych, zarówno w systemie napędowym jak i w systemie zasilania rozłożonego. Z
uwagi na ich małą dostępność i wysoki koszt superkondensatory nie były dotychczas
używane w przemyśle motoryzacyjnym. Dzięki ich coraz szerszemu zastosowaniu w
elektronice i przemyśle ich dostępność wzrasta. Są obecnie produkowane przez wielu
producentów z Azji, Europy i USA.
