El término supercondensador o ultracondensador se emplea para dar nombre a unos nuevos dispositivos que llevan las capacidades de almacenamiento de energía de los condensadores tradicionales a una nueva escala. Esto ha permitido que los condensadores se estén abriendo a múltiples campos de aplicación que hasta hace poco eran impensables.
Para entender qué tiene de especial un supercondensador es necesario dejar claro qué es un condensador convencional. En pocas palabras, se trata de unos dispositivos electrónicos capaces de almacenar en su interior cargas eléctricas y liberarlas con extraordinaria rapidez generando corrientes eléctricas muy intensas durante décimas o centésimas de segundo. Esto no parece gran cosa, pero resulta ser una propiedad extremadamente útil, ya que convierte a los condensadores en pequeños almacenes de energía. De hecho, hoy en día cualquier dispositivo electrónico contiene un número considerable de condensadores de distintos tamaños y capacidades.
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El principio en el que se fundamentan estos dispositivos es que al aplicar una diferencia de potencial entre dos conductores metálicos, separados por un material aislante se produce una acumulación de cargas de distinto signo en cada conductor.
La cantidad de carga acumulada depende de la diferencia de potencial aplicada y de las características específicas del dispositivo, que se cuantifican por medio del concepto de capacitancia.
La capacitancia aumenta si lo hace la constante dieléctrica del material no conductor, es decir, su permeabilidad frente un campo eléctrico, si aumenta la superficie de los conductores metálicos y si disminuye la separación entre ellos, en otras palabras, si disminuye la separación entre cargas de distinto signo.
Sabiendo esto, resulta que el salto tecnológico de los supercondensadores proviene de algo tan sencillo como aumentar la superficie efectiva de los conductores y aproximar las cargas de signo contrario hasta distancias próximas al tamaño molecular. |
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Celda unitaria construida en IMDEA Energía 2,5 Voltios - 6 Faradios |
El efecto combinado de estos dos cambios es simplemente espectacular ya que ha permitido que los supercondensadores alcancen capacitancias unos cien millones de veces mayores que los condensadores convencionales. No obstante, los fenómenos fisicoquímicos que rigen el funcionamiento de los supercondensadores son en esencia los mismos que en un condensador convencional, por lo tanto tampoco cambian sus propiedades básicas como por ejemplo su rapidez de respuesta y su estabilidad frente a los ciclos de carga y descarga.
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| Hoy en día cualquier dispositivo electrónico contiene un número considerable de condensadores de distintos tamaños y capacidades |
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Este aumento radical en la capacidad para almacenar energía ha permitido ampliar también los campos de aplicación de estos dispositivos, que desde el nicho de los circuitos impresos se están extendiendo a otras aplicaciones en las que se necesita más capacidad de almacenamiento de energía.
En concreto, muchos tecnólogos se plantean actualmente el uso de módulos supercondensadores como sustitutos de las baterías. Es cierto que los supercondensadores compiten con ventaja con las baterías en velocidad de respuesta y en número de ciclos de carga y descarga, pero su capacidad para almacenar energía es sensiblemente menor. En términos cuantitativos la potencia disponible en un kilogramo de supercondensadores es diez veces mayor que en una batería de ión-Litio, mientras que la energía almacenada es de veinte a treinta veces menor. Por otra parte, los supercondensadores puede admitir durante su vida útil pueden ampliar esa cifra por encima de los 500.000 ciclos profundos de carga y descarga, mientras que una batería de ión-litio difícilmente podría alcanzar los 5.000 ciclos. Por lo tanto la posibilidad de sustituir a las baterías se limita a algunas aplicaciones específicas para las que se necesiten potencias elevadas durante periodos breves y en las que sean necesarios frecuentes ciclos de carga y descarga.
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| El salto tecnológico de los supercondensadores proviene de aumentar la superficie efectiva de los conductores y aproximar las cargas de signo contrario hasta distancias próximas al tamaño molecular |
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Con unas propiedades tan distintas y complementarias, en lugar de buscar la sustitución de las baterías por los supercondensadores resulta mucho más atractivo buscar aplicaciones donde ambas tecnologías se combinen. Un ejemplo de ello es el uso de supercondensadores en los vehículos eléctricos. Las baterías proporcionarían la mayor parte de la energía que necesita el vehículo en condiciones de circulación normales, mientras que los supercondensadores se encargarían de suministrar las puntas de potencia necesarias en pendientes o adelantamientos; de absorber los picos de energía cinética en las frenadas; o de alimentar el motor de arranque en las puestas en marcha. De ese modo las baterías podrían dimensionarse para potencias menores y operarían en ciclos de carga y descarga menos profundos, lo que prolongaría notablemente su tiempo de vida.
También se plantea utilizar los supercondensadores como apoyo a la red eléctrica para compensar fluctuaciones de corta duración, como los huecos de tensión asociados a la generación de origen eólico. La forma habitual de compensar esas fluctuaciones es absorbiendo o inyectando una gran potencia a la red durante periodos muy breves, normalmente inferiores a 2 segundos. Esto supone que la energía total implicada en cada evento no sea demasiado elevada, aunque se estén manejando potencias en el rango de los megavatios.
Se han sugerido muchas otras aplicaciones en las que no está tan claro si los supercondensadores son verdaderamente adecuados o competitivos frente a otras tecnologías de almacenamiento. Su forma de almacenar energía conlleva unas limitaciones técnicas que restringe su rango de aplicación, éste sólo podrá expandirse a medida que los investigadores y tecnólogos progresen en la mejora de sus puntos débiles.
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Módulo comercial fabricado por Maxwell Technologies 125 Voltios - 63 Faradios |
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La principal debilidad es su baja capacidad de almacenamiento de energía que sólo permite tiempos de utilización cortos, normalmente unos pocos segundos. Otro problema es que su baja tensión de trabajo, similar a la de una pila, hace que sea necesario interconectar un gran número de unidades para construir dispositivos de tensiones moderadas.
La gestión de estos módulos no es sencilla ni tan fiable como sería de desear en usos comerciales. Para compensar parcialmente este problema, se utilizan disolventes orgánicos que permiten alcanzar tensiones mayores, pero llevan asociados riesgos para la salud en caso de mal funcionamiento. En conclusión, aún queda un gran camino por recorrer. |
Actualmente los esfuerzos se orientan en dos líneas de actuación principales. Por una parte, se investiga en nuevos materiales con mayor capacitancia y menor resistencia eléctrica que permitan elevar más la tensión de trabajo. Por otra parte, se están buscan diseños más compactos y fiables que permitan elevar la densidad de energía almacenada, una mejor gestión del calor desprendido cuando se emplean intensidades de corriente elevadas, y una mejor protección del dispositivo frente a sobretensiones o cortocircuitos.
Si los resultados de estas investigaciones tienen éxito, a medio plazo se dispondría de supercondensadores fiables capaces de entregar potencias elevadas durante periodos bastante más prolongados. Por lo tanto estaríamos ante un nuevo avance tecnológico que ampliaría considerablemente los campos de aplicación y los nichos de mercado. Parece oportuno mencionar aquí el comentario de una persona que recientemente intentaba comercializar supercondensadores en España; decía estar convencido de que disponía de un producto excepcional, pero no tenía claro a quién debía ofrecérselo. En los próximos años será necesario hacer un esfuerzo de imaginación para explotar todo el potencial de esta tecnología emergente para el almacenamiento de energía.
