Sistemas de almacenamiento de energía Automática e Instrumentación Marzo 2009 / n.º 405 Ultracondensadores: mayor densidad de energía Gracias a su alta densidad de energía, a la innovación en la tecnología y a la evolución de la electrónica de potencia, estos elementos pueden llegar a suponer una alternativa a las baterías en determinadas aplicaciones. os ultracondensadores o supercondensadores –también conocidos en inglés como ultracapacitors, supercapacitors o electrochemical double layer capacitors (EDLC)– son condensadores electroquímicos que presentan una alta densidad de energía en comparación a los condensadores convencionales. Por ejemplo, los condensadores electrolíticos típicos pueden llegar a capacidades del orden de centenares de µF, mientras que los ultracondensadores presentan capacidades de centenares de F incluso hasta 3.000 F o 5.000 F. Esto supone un incremento de 6 órdenes de magnitud en la capacidad, aunque presentan el inconveniente de que su tensión nominal es usualmente más baja. Con esta característica y la innovación en la tecnología de los ultracondensadores, junto con la evolución de la electrónica de potencia, estos elementos pueden llegar a suponer una alternativa a las baterías en determinadas aplicaciones. Un ultracondensador, de la misma manera que un condensador elec- L 54 trolítico convencional, se puede pensar como dos electrodos sumergidos en un electrolito a los cuales se aplica una diferencia de potencial. El potencial aplicado al electrodo positivo atrae los iones negativos del electrolito, mientras que el electrodo negativo atrae a los iones positivos. La energía total almacenada es proporcional al número de cargas acumuladas y el potencial entre ambos electrodos, tal como se recoge en la expresión E=1/2 Q.U = 1/2 C.U2 La capacidad de un condensador (C = Q/V) es directamente proporcional al área de los electrodos y la permisividad dieléctrica del medio, e inversamente proporcional a la distancia que separa los electrodos. En un ultracondensador, los electrodos están hechos de un material poroso a escala nanométrica, típicamente el material utilizado es carbono activado. La estructura porosa de este material permite aumentar la superficie específica hasta 2000 m2/g, mucho mayor que en los condensadores electrolíticos convencionales. Gracias a esta tecnología, se consi- ■ Circuito eléctrico equivalente de un ultracondensador. ■ Constante de tiempo RC. guen condensadores de capacidades extraordinariamente altas en volúmenes muy compactos y ligeros en comparación a los condensadores electrolíticos convencionales. Sin embargo, esta tecnología sólo puede soportar un bajo voltaje entre ambas capas, lo cual significa que para alcanzar mayores tensiones nominales es necesaria la asociación en serie de diversas celdas, de una manera similar a como se hace con las baterías. Propiedades Las propiedades eléctricas de un ultracondensador se derivan de su circuito eléctrico equivalente. El modelo más sencillo de circuito eléctrico equivalente para un ultracondensador incorpora una resistencia equivalente en serie y una resistencia equivalente en paralelo (ver figura inferior). La resistencia equivalente en serie (ESR) representa las pérdidas por conducción. Dado que las láminas de carbón activado tienen una muy alta conductividad, esta resistencia serie suele ser muy pequeña –del orden de unos 1-10 mΩ–. En cuanto a la resistencia equivalente en Sistemas de almacenamiento de energía Marzo 2009 / n.º 405 ■ Valores relativos de capacidad y resistencia, en el rango de temperaturas de -40ºC a 70ºC para un ultracondensador de Maxwell. Automática e Instrumentación ■ Respuesta frecuencial de la capacidad para un BCAP0350 de Maxwell. se observa el funcionaparalelo (EPR), ésta remiento de un ultraconpresenta las pérdidas por densador BCAP0350 de corriente de fuga, y estas Maxwell a diferentes frecorrientes son usualmencuencias. te muy pequeñas –del orden de unos 1-10 mA–, por Ventajas lo cual el valor de dicha recomparativas sistencia equivalente es del La principal ventaja de orden de unos 100 kΩ. Como se ha visto, un ullos ultracondensadores tracondensador puede ser frente a los condensadopensado como un circuito res convencionales es su RC. De esta manera, el cimayor densidad de enerclo de carga (o descarga) gía, del orden de 1-10 de un ultracondensador es W·h/kg en los ultraconsimilar al de un condensadensadores frente a los dor convencional. Así, la apenas 0,1 W·h/kg de los ■ Respuesta frecuencial de la resistencia para un BCAP0350 de Maxcarga a tensión constante condensadores electrolíwell. responde a la expresión siticos. En comparación guiente: con las baterías, la difeu(t)=U0·(1-e-t/τ0) Las pérdidas en un ultracondenrencia resulta escasa, ya que las nuedonde τ0=RESR·C es la constante de sador vienen dadas por la corriente vas baterías de Ion-Litio pueden sutiempo del condensador. de fuga (parametrizada por la resisperar los 100 W·h/kg. No obstante, lo Hay que tener en cuenta que, a ditencia en paralelo (EPR)) así como compensan con una densidad de potencia mucho mayor, pues los ultraferencia de los condensadores típicos, las pérdidas por conducción (paracondensadores pueden llegar a 1-10 la constante de tiempo R·C puede metrizadas por la resistencia en serie (ESR)). Dado el orden de magkW/kg, mientras que las baterías no llegar a ser demasiado lenta (debido nitud de estos parámetros, los valores llegan a superar los 200 W/kg. Estos al elevado valor de C). (Ver figura de estas pérdidas son muy pequedatos se pueden ver de manera claen página anterior). ños, alcanzándose así rendimientos ra y sencilla en el diagrama de la fiLa energía que almacena un ultrasuperiores al 95% para los valores gura de la página siguiente. condensador es, igual que en los conde corriente nominales. Respecto a la eficiencia, los ultradensadores convencionales, según Los ultracondensadores pueden condensadores alcanzan rendimienla expresión: E=1/2 Q.U2 trabajar en un rango de temperatutos de carga/descarga de hasta el De la misma forma, la relación coras de -40ºC hasta 70ºC. Como se ob95%, mientras que las baterías, en el rriente-tensión sigue la expresió serva en la figura superior izquierda, mejor de los casos, alcanzan rendiq(t) 1 u(t)= –––– = –– i(t)dt; el valor de la capacidad apenas varía mientos del 70%. Esto supone, adeC C t con la temperatura. más del incremento de la eficiencia o bien, en su forma diferencial: Respecto a la respuesta frecuenenergética, un menor calentamiento dq(t) du(t) cial de los ultracondensadores, en de los componentes, que repercute i(t) = ––––– = C ––––– las figuras superior derecha y central dt dt en mayor seguridad para los equi- 55 Sistemas de almacenamiento de energía Automática e Instrumentación Marzo 2009 / n.º 405 tencia. Como se observa en la tabla inferior, el rango de capacidades disponible es muy amplio; no obstante, las tensiones nominales son muy bajas. De esta forma, resulta necesaria la asociación de diversos ultracondensadores formando bancadas. Para estos casos, los propios fabricantes montan módulos comerciales ya configurados, en la tabla de la página siguiente se recogen las características de algunos de ellos a modo de ejemplo. ■ Diagrama gráfico comparativo de diversos dispositivos para el almacenamiento de energía eléctrica. En el eje horizontal se representa la densidad de potencia [W/kg], en el eje vertical se representa la densidad de energía [W·h/kg], las líneas diagonales representan el tiempo de descarga (suponiendo una potencia constante de 1 W). Todos los ejes se representan en escala logarítmica. 56 pos. Durante su vida útil un ultracondensador puede llegar a realizar hasta 106 ciclos de carga/descarga, a diferencia de las baterías que apenas alcanzan los 1.000 ciclos. Los ultracondensadores pueden cargarse en tiempos muy rápidos y a cualquier tensión (mientras no superen la tensión máxima), y pueden guardarse cargados total o parcialmente o incluso descargados, sin llegar a deteriorarse. También pueden recibir pulsos de energía sin que ello afecte a su vida útil como ocurre en el caso de las baterías. Un último punto interesante es el rango de temperaturas. Los ultracondensadores pueden trabajar entre -40ºC y 70ºC, mientras que las baterías fallan a temperaturas inferiores a -10ºC. El principal inconveniente de los ultracondensadores frente a las baterías es su elevado precio. A pesar que actualmente están experimentando un cierto descenso en los precios, para una misma capacidad de almacenamiento de energía los ultracondensadores pueden llegar a ser 3 veces más caros que las baterías de Li-Ion, unas 10 veces más caros que las de Ni-MH, y hasta 20 veces más caros que las de Ácido-Pb. Disponibilidad en el mercado En el mercado existe una amplia oferta de ultracondensadores, desde los más pequeños de apenas 1F hasta los de 5000F, que se adaptan a la aplicación necesaria. También se encuentran módulos comerciales que, mediante la asociación de diversos ultracondensadores, permiten almacenar grandes cantidades de energía. Nos centraremos en aquellos ultracondensadores con mayor capacidad de almacenamiento, ya que son los que resultarán interesantes en aplicaciones de electrónica de po- Aplicaciones de los ultracondensadores Los ultracondensadores tienen múltiples aplicaciones, desde la alimentación de memorias en sistemas críticos hasta el suministro de breves pulsos de energía en sistemas de alta potencia. La tendencia general no es sustituir completamente las baterías, si no más bien complementarlas. Los ultracondensadores no pueden llegar a almacenar tanta energía como las baterías, pero sí que pueden suministrar o absorber los pulsos de energía, ayudando así a disminuir los pi- Fabricante U nom C (F) (V) RESRDC R·C (mOhm) (seg) Emax Pmax (Wh/kg) (W/kg) Peso (g) Volumen (ml) Cap-XX Cap-XX Cap-XX Maxwell Maxwell Maxwell Maxwell Maxwell Maxwell Maxwell Nesscap Nesscap Nesscap Nesscap Nesscap Nesscap WIMA WIMA WIMA WIMA Vina Vina 210 110 140 400 180 42 7,2 3,2 0,8 0,29 120 70 18 3,2 0,83 0,33 11 6 0,9 0,7 25 6 1,13 2,06 1,55 0,87 1,38 3,62 4,19 5,10 3,29 5,52 1,47 2,34 4,51 5,45 2,9 5,44 2,4 3 4,6 4,7 8,68 5,79 1,49 1,84 1,63 4 6,3 7 29 60 200 550 1,5 2,2 11,3 67 210 930 40 90 235 615 12 90 1,4 2,2 1,6 1,5 3,0 5,0 27,0 50,0 211,0 475,0 1,0 1,5 1,5 60,0 151,0 713,0 34,0 75,0 180,0 450,0 10,2 86,5 5,5 5,5 5,5 2,5 2,5 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,3 2,3 2,7 2,7 2,7 2,7 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 0,4 0,9 0,6 4 10 25 140 350 650 3000 3 7 50 360 600 5000 110 300 1200 3000 120 600 0,08 0,10 0,08 1,60 1,80 1,05 1,01 1,12 0,52 0,87 0,36 0,49 0,90 1,15 0,50 1,65 1,21 1,80 1,08 2,10 3,00 3,60 9668 14946 13256 3906 5511 8600 14900 16275 15100 13800 2939 3435 8400 9100 7000 7400 13750 11000 12750 12000 8333 4630 ■ Resumen de características de diversos ultracondensadores. Fuente: elaboración propia a partir de datos obtenidos de catálogos. Sistemas de almacenamiento de energía Marzo 2009 / n.º 405 Automática e Instrumentación Fabricante U nom C (F) (V) RESRDC R·C (mOhm) (seg) Emax Pmax (Wh/kg) (W/kg) Peso (g) Volumen (ml) Maxwell Maxwell Maxwell Maxwell Nesscap Nesscap Nesscap Nesscap WIMA WIMA WIMA 19 7,1 12,5 18 21 9 320 19 7 14 14 3,63 3,81 3,00 2,53 1,62 2,40 1,85 2,13 1,5 1,5 2,5 0,566 14,2 24,5 59,5 1,5 11 1,7 384 1,7 3,4 2,2 0,566 12,6 28,6 85,8 1,30 8,22 3,05 415,5 1,5 3 2,2 15 48,6 75 125 17,5 45 90 340 14 28 14 58 165 94 63 57 94 2,8 51 110 55 200 1,10 1,17 1,18 1,13 1,20 0,85 0,90 0,97 0,77 0,77 2,80 11200 7900 4592 4700 2431 5114 3722 3961 4118 4118 1591 ■ Resumen de características de diversos ultracondensadores. Fuente: elaboración propia a partir de datos obtenidos de catálogos. ■ Diversos ultracondensadores del fabricante Maxwell. En la imagen: módulo BMOD0165 (165F y 48V), módulo BMOD0500 (500F y 16V), módulo BPAK0058 (58F y 15V), BCAP3000 (3000F), BCAP0350 (350F). cos de corriente que experimentan las baterías. De esta manera, se consigue reducir el tamaño de las baterías y se alarga su vida útil. Buffer de energía en ascensores Los ascensores presentan en general unos perfiles de consumo bastante equilibrados entre el movimiento de subida y el de bajada, gracias al uso de los contrapesos. No obstante, presentan una elevada demanda de potencia para la aceleración de subida, así como unos elevados pulsos de regeneración eléctrica al frenar, especialmente en la desaceleración de bajada. Esto supone, en primer lugar, un elevado requerimiento de disponibilidad en la red de suministro, y en un segundo lugar, conlleva el uso de resistencias de frenado en el convertidor de frecuencia que controla el motor, lo cual supone un elevado gasto energético. En el entorno actual en que la eficiencia energética es un valor a considerar, se están desarrollando los sistemas de control del motor que aprovechen la regeneración eléctrica. Dadas las dificultades que presentan las comercializadoras frente a la re-inyección a la red eléctrica, la solución más viable es el almacenamiento de energía en el propio sistema. En este sentido, gracias a la superior densidad de potencia frente a las baterías, los ultracondensadores son los dispositivos más adecuados para esta aplicación. Sistemas de transporte pesado De manera similar a los ascensores, los ultracondensadores se utilizan en sistemas de mayor potencia como los ferrocarriles, tranvías, o incluso autobuses o vehículos eléctricos Existen numerosos ejemplos de proyectos en este sentido, en que los ultracondensadores han sido testados y han demostrado su validez. Como ejemplo, en la ciudad de Heidelberg (Alemania), los trenes ligeros con la tecnología Mitrac Energy Saver de Bombardier, llevan funcionando en régimen normal de transporte de pasajeros desde el año 2003, y han experimentado un ahorro en el consumo eléctrico de hasta un 30%. En otras muchas ciudades se desarrollan proyectos parecidos con autobuses o tranvías, obteniendo resultados satisfactorios. Una consecuencia interesante del uso de esta tecnología es que permite suministrar energía a un tranvía para recorrer un tramo del trayecto sin necesidad de catenaria, como por ejemplo al cruzar una plaza o pasar por delante de monumentos o edificios históricos. Al nivel de vehículos de transporte privado, existen algunos proyectos de desarrollo de vehículos eléctricos o eléctricos híbridos que combinan las baterías con los ultracondensadores. Los ultracondensadores permiten suministrar grandes pulsos de energía en cortos intervalos de tiempo, actuando como buffer de energía, mientras que las baterías almacenan mayor cantidad de energía. De esta forma, se puede reducir el volumen (y peso) de las baterías, además de aumentar su vida útil y reducir el tiempo de carga de las baterías. Compensación de caída de tensión en redes de distribución débiles Las redes de distribución en corriente continua (como pueden ser las líneas ferroviarias del ejemplo anterior) son especialmente sensibles a las caídas de tensión que se pueden producir en ciertos casos (por ejemplo, cuando dos trenes arrancan a la vez desde un mismo punto). Estos fallos se pueden compensar mediante la instalación de subestaciones de compensación, formadas por bancos de ultracondensadores y su correspondiente 57 Sistemas de almacenamiento de energía Automática e Instrumentación Marzo 2009 / n.º 405 ■ Tren ligero de Bombardier que incorpora el sistema Mitrac Energy Saver, el cual utiliza ultracondensadores para el almacenamiento de energía. convertidor encargado de regular los flujos de energía, en los finales de línea de las redes débiles. 58 Sistemas de alimentación ininterrumpida Aun a pesar de su baja densidad de energía comparados con las baterías, los ultracondensadores pueden ser aplicados en sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI). La idea no es alcanzar grandes periodos de autonomía, sino más bien proporcionar energía durante un corto periodo de tiempo, suficiente para detener un proceso crítico de manera segura. Por ejemplo, en sistemas informáticos, redes de suministro críticas, etc. Energías renovables La combinación de los ultracondensadores con las fuentes de energía renovables o limpias supone un inte- resante campo de aplicación, especialmente en la situación actual de crisis energética y medioambiental. Un ejemplo es la combinación de los ultracondensadores con las pilas de combustible. Las pilas de combustible producen energía eléctrica a partir del hidrógeno, de una manera limpia y bastante eficiente. Por este motivo pueden suponer una opción de futuro, tanto en la generación eléctrica de pequeña potencia (microgeneración o generación distribuida), como aplicadas a los vehículos eléctricos o eléctricos híbridos. No obstante, uno de los problemas que presentan las pilas de combustible como fuente de energía eléctrica es la lenta respuesta dinámica de éstas, que hace necesario un sistema capaz de proporcionar pulsos de energía para mantener la estabilidad del suministro. En ese punto es donde los ultracondensadores, con su característica de actuar como buffer de energía, y junto con la electrónica de potencia, pueden ser la solución. Otro caso, aunque con una finalidad diferente, es el uso de ultracondensadores como fuente de alimentación para los sistemas de control de ángulo de pitch en aerogeneradores. Los aerogeneradores con esta tecnología incorporan un servomotor en cada aspa encargado de controlar el ángulo de incidencia de la pala con el viento (o ángulo de pitch). Comúnmente, se utilizan baterías como fuente de energía de emergencia para estos sistemas. Debido al consumo requerido, las baterías han de ser sobredimensionadas para poder suministrar los elevados pulsos de energía, aunque éstos se produzcan durante un corto intervalo de tiempo. Además de este hecho, el limitado ciclo de vida de las baterías combinado con la inaccesibilidad de los aerogeneradores, eleva los costes de mantenimiento. Por estos motivos, actualmente se desarrollan los sistemas de ultracondensadores como sustituto a las baterías como fuente de alimentación de emergencia para los sistemas de control de pitch en los nuevos aerogeneradores. Ricardo Riazor (CITCEA-UPC) www.citcea.upc.edu Josep Rafecas (CINERGIA) www.cinergia.coop Antoni Sudrià (IREC-UPC) www.irec.cat