"Los supercondensadores tienen un lugar especial en las aplicaciones"
"Los supercondensadores tienen un lugar especial en las aplicaciones"
¿Qué es un condensador?
Cendón Ione: El condensador es, en definitiva, un sistema de almacenamiento de energía formado por dos placas metálicas (electrodos) y un material dieléctrico entre ellas. Por ello, las características del condensador vienen dadas por dos factores principales: la cantidad de energía que almacena y su potencia, es decir, el tiempo que puede liberar la energía acumulada. Los condensadores convencionales no pueden almacenar mucha energía, pero su liberación es muy rápida, es decir, son de gran potencia.
Ritxar Aizpurua: Muchas aplicaciones eléctricas, aun teniendo un consumo básico, requieren en un momento dado una gran potencia. Entonces, para dar respuesta a esta demanda súbita, existen dos opciones: instalar una potente fuente primaria de alimentación, que durante la mayor parte del tiempo se pierde de forma inútil o utilizar un condensador. El condensador responde al pulso instantáneo y se carga entre los pulsos. Es, por tanto, un depósito de energía.
¿Y qué es el supercondensador? ¿A qué necesidades responde?
I. S: Como hemos dicho, en algunas aplicaciones se necesita una gran potencia instantánea, como por ejemplo en un coche eléctrico, al subir cuestas o adelantar otro coche. En este caso, tanto la capacidad de almacenamiento como la disponibilidad de grandes potencias resultarían de gran utilidad. Estas son las características del supercondensador: es capaz de almacenar mucha más energía que los condensadores convencionales y además tiene una potencia mucho mayor que la batería. Por tanto, el supercondensador suma las ventajas de las baterías y los condensadores convencionales.
¿Qué diferencia hay entre ambos?
I. S: Una batería tiene una potencia específica de 1000 W/kg, aproximadamente, el condensador convencional de 100.000 W/kg y el supercondensador de 10.000 W/kg. Hay que tener en cuenta que estos números son estándares y, por supuesto, de mayor potencia, pero sirven para tener una referencia. Energéticamente, la batería puede almacenar entre 10-100 Wh/kg, el supercondensador entre 5-10 Wh/kg y el condensador convencional 0,01-0,1 Wh/kg.
¿Cómo almacena el supercondensador tanta energía?
I. S: La carga acumulada por un condensador convencional puede aumentarse aumentando la superficie de los dos electrodos y reduciendo la distancia entre ambos. Pero no es un método muy práctico, ya que para algunas aplicaciones sería necesario un condensador gigante.
Para la fabricación del supercondensador se utilizan materiales porosos, generalmente carbono, en lugar de electrodos metálicos, obteniendo electrodos de gran superficie. Al poner en contacto estos electrodos con un electrolito se forma una doble capa de carga eléctrica, es decir, el carbono adquiere una carga positiva y el electrolito una carga negativa. Debido a la gran superficie de la doble capa, se acumula mucha energía en este sistema, aumentando la capacidad del supercondensador con la superficie del electrodo.
Por lo tanto, ¿la función de las placas metálicas en los condensadores convencionales la cumple el carbono en el supercondensador?
I. S: Sí, y la función del material interlaminar la cumple la doble capa que se forma al añadir el electrolito. Y con una superficie tan grande del electrodo, la capacidad aumenta enormemente; en los condensadores convencionales la capacidad se mide en picofaradas y en los supercondensadores en faradas, cientos de faradas o, como máximo, en miles de faradas.
En cuanto a la potencia, ¿durante cuánto tiempo los supercondensadores pueden liberar energía?
R. A. Los condensadores convencionales pueden alimentar el sistema en unos pocos milisegundos, y los supercondensadores en unas décimas de segundo o unos segundos y en unos minutos como máximo, mientras que las baterías pueden durar horas, días o semanas.
¿Todos los supercondensadores son iguales?
I. S: No, dependiendo de la naturaleza del electrodo, pueden ser de tres tipos: carbono, óxido de metales y polímeros. Sin embargo, los electrodos de carbono son los más utilizados, ya que todos los que se venden en el mercado utilizan los electrodos de carbono porque son mucho más estables que otros.
También se pueden utilizar electrolitos acuosos u orgánicos. Entre los acuosos, se utilizan generalmente potasa y ácido sulfúrico. Sin embargo, no se pueden utilizar con un potencial superior a 1,2 voltios, ya que a partir de ahí el agua se descompone. Esto es importante porque la energía que acumula es proporcional a la tensión. Por tanto, los electrólitos acuosos no pueden almacenar tanta energía como los orgánicos.
Con electrólitos orgánicos la tensión puede elevarse hasta 2,3 voltios. En este caso, nosotros utilizamos el tetraetilamonioa-tetrafluoroborato en el acetonitrilo. La resistencia generada por estas moléculas es mayor que la generada por los electrolitos acuosos, por lo que los orgánicos tienen menor potencia (requieren más tiempo para liberar energía).
En teoría, deberíamos elegir en función de la aplicación si requiere electrolito, potencia o alta energía, pero en la práctica todos los supercondensadores que hay en el mercado tienen electrolitos orgánicos, ya que la diferencia de tensión es muy elevada respecto a los acuosos.
¿Este carbono está en forma de grafito?
I. S: No, porque el grafito tiene una superficie específica muy baja, inferior a 20 m 2 /g. Los electrodos fabrican carbono activo, con una superficie aproximada de 2.000 m 2 /g. Sin esta superficie mínima no trabajan correctamente. Además, es importante que el tamaño de los poros sea el adecuado, ya que los iones del electrolito deben poder penetrar en los poros.
Finalmente, la calidad viene dada por la gran superficie y por la adecuación del diámetro del poro al tamaño del ion. Por ello, desde CIDETEC se están investigando diferentes materiales de carbono (nanotubos, nanofibras, aerogeles, etc.) y sus tratamientos de activación.
¿Cuál es la fuente primaria de energía más adecuada para los supercondensadores?
R. A. En la actualidad existen numerosas tecnologías que pueden utilizarse como fuentes primarias de energía: generadores de aire, paneles fotovoltaicos, pilas de combustible, etc., pero quizá las más utilizadas por el momento son las baterías. Cada día hay mejores baterías en el mercado, capaces de almacenar mucha energía y ofrecer grandes potencias. Por ejemplo, las de litio iónico/polímero ya han mejorado las baterías de Ni/Cd o NiMH que hasta ahora han sido referentes. Sin embargo, cada vez son más caros.
Por tanto, los supercondensadores se pueden utilizar con baterías más baratas, que acumulan gran cantidad de energía, y aunque no pueden responder a los pulsos de energía, para ello se pueden utilizar sistemas de supercondensador de baterías.
¿En qué sistemas se pueden aplicar este tipo de soluciones?
R. A. En los teléfonos móviles, por ejemplo, las baterías de Ni/Cd son muy utilizadas, ya que son adecuadas para dar pulsos. Los móviles requieren dos amperios de pulsos muy cortos pero muy frecuentes. Sin embargo, también podrían utilizarse baterías de baja potencia si son capaces de cargar el supercondensador entre pulsos. El condensador liberaría pulsos de energía, sobre todo al conectarse o llamar al repetidor.
I. S: De esta forma, además, se facilita el trabajo de las baterías y se puede alargar su vida útil entre un 10 y un 20%.
¿Estáis probando este tipo de sistemas en CIDETEC?
R. A. Sí, ese es uno de nuestros objetivos. Ya hemos conseguido alimentar un teléfono móvil con una pila de combustible, pero con la ayuda del supercondensador, ya que la densidad de potencia de las pilas de combustible es bastante reducida. Por otro lado, estamos trabajando en un sistema que une supercondensadores y baterías para alimentar sistemas de pulsos de alta potencia alejados de la red eléctrica. Sin embargo, estamos constantemente buscando nuevas aplicaciones para el uso de supercondensadores.
¿Destacaríais otras aplicaciones llamativas?
R. A. El ejemplo de los coches eléctricos es muy ilustrativo para comprender el uso de supercondensadores: para adelantar a otro coche, subir una pendiente o acelerar bruscamente, se puede utilizar la energía acumulada por el supercondensador. Así, la fuente primaria de energía no debe ser muy grande, por lo que el sistema es barato y ligero. Además, este sistema puede ayudar a reducir el consumo si utiliza la energía de frenado para cargar el condensador.
¿Qué problemas tienen estos sistemas?
R. A. Por ejemplo, la descarga espontánea es un gran problema. Los condensadores son válidos cuando se usan pero no son adecuados para almacenar energía, si no liberan energía pierden con el tiempo. Por lo tanto, hay que buscarles las aplicaciones adecuadas, de lo contrario, sólo dan problemas. Si están en el circuito se deben utilizar.
Por otra parte, el nivel de tensión de los supercondensadores es bajo (1V-2,5 V) y deben conectarse en serie para obtener tensiones más altas y útiles.
Se inventarán aplicaciones; en muchos artículos se ha escrito que los supercondensadores son una nueva solución y ahora hay que buscar problemas con esas soluciones. Son útiles en teléfonos móviles, coches, cámaras de fotos y otros muchos dispositivos. También pueden utilizarse para hacer frente a interrupciones de corriente en ordenadores, ya que pueden proporcionar tiempo para almacenar la información contenida en la memoria.
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