Los supercondensadores se utilizan normalmente como dispositivos de almacenamiento de energía. Los supercondensadores almacenan una gran cantidad de carga eléctrica en comparación con los condensadores electrolíticos y todos los demás tipos de condensadores convencionales.
El supercondensador está formado por electrodos de gran superficie y un dieléctrico muy fino que permite conseguir una capacitancia muy grande. Los supercondensadores suelen almacenar entre 10 y 100 veces más carga por unidad de volumen que los condensadores electrolíticos.
¿Qué es un Supercondensador?
El supercondensador es un condensador electroquímico que tiene una alta densidad de energía y un mejor rendimiento que el condensador común, razón por la que lleva el prefijo «super». Almacena y libera energía mediante la desorción y adsorción reversibles de iones en la interfaz electrodo-electrolito.
Los condensadores convencionales tienen una densidad energética baja con una tensión de célula más amplia y una potencia específica más alta. En cambio, los supercondensadores tienen una alta capacitancia en un límite inferior de tensión de célula.
¿Cómo funciona un Supercondensador?
A primera vista, los supercondensadores se parecen a una batería, pero la diferencia radica en la forma en que almacenan y liberan su energía. Para entender cómo funciona un supercondensador, hay que tener en cuenta tres componentes clave. Echemos un vistazo al interior de un supercondensador.
Dentro de un supercondensador, hay tres componentes esenciales:
- Electrodos: Pueden visualizarse como láminas enfrentadas. Cada electrodo tiene una superficie especial con una capacidad única para retener cargas eléctricas. Estas superficies son como imanes para la energía eléctrica: crean una atracción para cargas eléctricas específicas, una hoja atraería las cargas positivas y la otra las negativas. La cantidad de carga eléctrica generada por un supercondensador, también conocida como capacitancia, es directamente proporcional al tamaño de las placas e inversamente proporcional a la distancia entre ellas.
- Electrolito: Se trata de un líquido en el que se sumergen las placas, como los platos en un fregadero lleno de agua. Este líquido actúa como un medio para ayudar a que las cargas eléctricas se muevan en el supercondensador. En concreto, el electrolito proporciona conductividad y facilita la transferencia y el equilibrio de cargas entre los dos electrodos, además de aislar y proteger el supercondensador contra fugas de cargas y cortocircuitos. El rendimiento del supercondensador depende en gran medida del tipo de electrolito utilizado.
- Aislante: En un supercondensador, los dos electrodos están separados físicamente por una capa llamada aislante, muy parecida a una hoja de papel de filtro. Esta capa impide que las dos superficies especiales entren en contacto, separando así las cargas para evitar que se mezclen prematuramente. Esta separación crea un campo eléctrico y facilita el almacenamiento de grandes cantidades de energía. Esta energía se genera electrostáticamente, como cuando se frota un globo contra la camisa y la fricción generada hace que se erice el vello al colocar el globo cerca de la piel. En otras palabras, no hay reacciones químicas implicadas para generar esta energía. La cantidad de energía almacenada en un supercondensador también se ve influida por la delgadez del aislante.
Al igual que cuando se llena una presa de agua, al pasar la electricidad por el supercondensador, los iones cargados positiva y negativamente se acumulan a ambos lados de los electrodos, creando una doble capa eléctrica y almacenando así grandes cantidades de energía. Cuando llega el momento de que un supercondensador funcione, por ejemplo durante una emergencia que provoque un corte de electricidad u otro caso en el que se cree una oleada repentina y rápida de energía, las cargas se mueven a través del condensador y alimentan el dispositivo al que está conectado con una rápida liberación de energía. Los supercondensadores pueden cargarse y descargarse rápidamente, entre 1 y 10 segundos, lo que los convierte en una tecnología deseable en caso de apagones de emergencia.
¿Cuál es la diferencia entre un supercondensador y un condensador?
Un supercondensador puede almacenar entre 10 y 100 veces más que los condensadores convencionales. Lo que diferencia a un supercondensador de un condensador convencional es su diseño. Hay dos formas fundamentales en las que se diferencian:
- Material de los electrodos. El primero es el material que se utiliza para los electrodos de un supercondensador. El carbón activado, un material poroso que cubre una superficie mucho mayor, permite almacenar más energía en los supercondensadores.
- Distancia entre electrodos. En segundo lugar, la distancia entre los dos electrodos es mucho menor en los supercondensadores que en los condensadores convencionales. En un condensador convencional, esta distancia oscila entre 10 y 100 micras, mientras que en un supercondensador esta distancia se reduce drásticamente a una milésima de micra (para contextualizar, un cabello humano mide aproximadamente 70 micras). La menor distancia crea un campo eléctrico mayor, lo que permite almacenar más energía.
En general, los supercondensadores tienen una densidad energética, o capacitancia, mucho mayor que los condensadores normales.
Dato curioso: el nivel de energía almacenada se mide en faradios, nombre del físico inglés Michael Faraday (1791-1867).
Tipos de Supercondensadores
En función de su mecanismo de almacenamiento de carga, los supercondensadores se clasifican en tres tipos:
- Condensadores de doble capa
- Pseudocondensadores
- Condensadores híbridos
Condensador electrostático de doble capa (EDLC)
Este tipo de condensador funciona mediante el mecanismo de almacenamiento de carga, en el que ésta se almacena físicamente en la superficie de los electrodos sin provocar reacciones químicas irreversibles mediante la formación de una doble capa eléctrica. Normalmente, en los supercondensadores se utilizan electrodos de carbono separados por una sustancia dieléctrica que actúa como aislante y posee propiedades eléctricas que acaban afectando al rendimiento del supercondensador.
Las cargas se almacenan electrostáticamente en los supercondensadores. En cada electrolito se genera un campo eléctrico en cuanto se aplica la tensión a través de los terminales, lo que provoca la polarización del electrolito. Como resultado, los iones se difunden a través del dieléctrico hasta los electrodos porosos de cargas opuestas. De este modo, se produce la formación de una doble capa eléctrica en cada electrodo. El resultado es el aumento de la superficie de cada electrodo y la disminución de la distancia entre los electrodos.
Pseudocondensadores
Los pseudocondensadores también se denominan supercondensadores faradaicos. Estos dispositivos utilizan electrodos formados por materiales redox activos, como óxidos metálicos (MnO2,RuO2,etc.) y polímeros conductores (polianilinas, polipirrolos y politiofenos). Estos electrodos almacenan carga a través de mecanismos reversibles de reacción faradáica, cerca del electrodo o en la superficie del electrodo, donde las cargas se transfieren a través de la interfase metal-electrolito.
Condensadores Híbridos
Estos condensadores han adoptado tanto los mecanismos de los EDLC como los de los pseudocondensadores. Los condensadores híbridos se componen de electrodos con características diferentes basadas en mecanismos químicos y eléctricos. Como resultado, un electrodo exhibe capacitancia electrostática y el otro proporciona capacitancia electroquímica. La ventaja es una mayor tensión de funcionamiento (3.8 V como máximo), mayor capacidad y densidad energética.
Aplicaciones industriales de los supercondensadores
Gracias a la capacidad de los supercondensadores para cargar y descargar rápidamente la energía eléctrica, y a su elevado número de ciclos de carga y descarga, los supercondensadores resultan beneficiosos en muchas aplicaciones industriales.
En operaciones de misión crítica, como las automáticas o las fábricas que utilizan múltiples máquinas de automatización, una fuente de energía como los generadores puede apoyarse en supercondensadores para proporcionar un uso eficiente y eficaz de la energía. La robustez de un supercondensador, comparada con la de una batería, lo convierte en la elección obvia cuando se consideran aplicaciones en entornos difíciles con temperaturas extremas.
Algunas industrias en las que pueden aplicarse los supercondensadores son:
Frenado regenerativo en vehículos híbridos
Los supercondensadores híbridos también se encuentran en los vehículos eléctricos. Cuando un vehículo eléctrico desacelera, la energía creada a partir del movimiento cinético de los vehículos se almacena utilizando supercondensadores híbridos para ser utilizada más tarde en una aceleración rápida. Los supercondensadores ayudan a la batería en los momentos en los que el vehículo eléctrico necesita un pico repentino de producción de energía, lo que mejora la eficiencia energética general del funcionamiento y el ciclo de vida del producto, tanto del vehículo eléctrico como de la batería. La aplicación de supercondensadores híbridos en vehículos eléctricos tiene el potencial de reducir las emisiones de carbono y el consumo de energía, uno de los principales retos a los que se enfrenta la industria del transporte.
Energía verde
La energía que se almacena a partir de fuentes de energía renovables debe almacenarse en grandes cantidades y durante largos periodos de tiempo. Al tener ciclos de vida más largos, implican menores costes de mantenimiento y sustitución. Además, equilibran y almacenan la energía de forma más eficiente que las baterías cuando se trata de almacenar energía renovable. Esto convierte al supercondensador en un sistema de almacenamiento de energía adecuado para adaptarse a las elevadas fluctuaciones de corriente de las energías renovables.
Energía eólica
Como la velocidad del viento varía constantemente, la fluctuación de la potencia suministrada por los aerogeneradores perturba la calidad de la tensión y la frecuencia de la red. Aquí es donde los supercondensadores pueden ayudar a absorber eficazmente grandes picos de energía durante periodos de viento repentino, en comparación con una batería. Los supercondensadores facilitan el ciclo de vida de los aerogeneradores y la estabilización de los voltajes en las redes de energía en momentos de grandes fluctuaciones de corriente gracias a su larga vida útil y su capacidad de carga y descarga de altas corrientes.
Energía solar
Las baterías se utilizan habitualmente para almacenar energía en la industria de la energía solar, pero la inconsistencia del suministro de energía de las células solares fotovoltaicas suele afectar negativamente a la vida útil de la batería. Debido a la imprevisibilidad de la luz solar, la batería experimenta un desgaste que reduce su ciclo de vida. Así pues, los supercondensadores pueden facilitar las baterías trabajando juntos en un sistema híbrido para mejorar la eficiencia operativa y los costes de mantenimiento en aplicaciones de energía solar.
Automatización de fábricas
En el panorama de la automatización industrial, donde las operaciones ininterrumpidas son de vital importancia, las interrupciones del negocio causadas por la pérdida de energía en los centros de fabricación pueden ser perjudiciales. Para hacer frente a este reto, los fabricantes pueden considerar los supercondensadores en sus sistemas UPS como una solución formidable. La capacidad de los supercondensadores para proporcionar rápidamente una reserva de energía instantánea y facilitar paradas seguras del sistema ante cortes de energía garantiza que los procesos críticos continúen sin problemas y evita costosas interrupciones. Además, los supercondensadores protegen la maquinaria y los equipos del desgaste provocado por las paradas bruscas. Con la instalación de sistemas de reserva de energía con supercondensadores, los fabricantes pueden cubrir sin problemas las carencias de energía, optimizar la eficiencia operativa y mantener la integridad de sus entornos de automatización industrial, garantizando un entorno de fabricación sólido y eficiente.
Sistemas inteligentes de transporte y ferrocarril
La rápida capacidad de descarga de los supercondensadores garantiza un funcionamiento fluido y fiable, lo que permite cumplir los horarios, garantizar la seguridad de los pasajeros y reducir las interrupciones. En el transporte ferroviario ligero (LRT), los supercondensadores destacan por la rapidez con que vuelven a arrancar los trolebuses, la mejora de la eficiencia y el refuerzo de los sistemas de recuperación de energía. Este tipo de tecnología de reserva de energía y energía redundante ofrece una solución para el transporte ferroviario de misión crítica en operaciones a bordo y en tierra. Además, los supercondensadores ofrecen alternativas fiables y de bajo mantenimiento a las baterías para el funcionamiento ininterrumpido de los sistemas ferroviarios. Un sistema de backup con supercondensadores puede regular las grandes fluctuaciones de tensión que suelen producirse en los despliegues ferroviarios, evitando cortocircuitos en los ordenadores. Cuando la tensión cae a 0 V, el sistema de reserva de supercondensadores proporciona energía instantánea de reserva al ordenador. El sistema de reserva de energía de supercondensadores de calidad industrial puede suministrar continuamente energía estable al sistema ferroviario conectado y a la infraestructura para la redundancia de datos; estas funciones polifacéticas subrayan el potencial de los supercondensadores para aumentar la seguridad, fiabilidad y eficiencia de los sistemas de transporte inteligentes y las aplicaciones ferroviarias.
Diferencia entre supercondensador y batería
He aquí una comparación tabular entre supercondensadores y baterías:
| Parámetros | Supercondensador | Batería |
|---|---|---|
| Mecanismo de almacenamiento de energía | Electrones almacenados por adsorción de iones en la interfaz electrodo-electrolito | Electrones almacenados mediante reacciones electroquímicas redox |
| Tiempo de carga/descarga | Carga/descarga en segundos | Tarda horas en cargarse/descargarse por completo |
| Ciclo de vida | 500.000 ciclos | 500-1000 ciclos |
| Densidad de potencia | Muy alta, 10 kW/kg | Moderada, 1 kW/kg |
| Densidad energética | Baja, 5 Wh/kg | Alta, 30-250 Wh/kg |
| Autodescarga | 20-30% al día | Baja, 5-20% al mes |
| Temperatura de funcionamiento | -40°C a 65°C | 0°C a 50°C |
| Coste | Alto | Elevado, pero los precios bajan |
| Aplicaciones | Cargas breves de alta potencia, p. ej., láseres, autobuses | Dispositivos portátiles, vehículos eléctricos |
Diferencia entre condensador y supercondensador
He aquí una comparación tabular entre condensadores y supercondensadores:
| Parámetros | Condensador | Supercondensador |
|---|---|---|
| Principio de funcionamiento | Almacena la carga eléctricamente mediante la separación de la carga en dos placas conductoras separadas por un aislante | Almacena carga electrostáticamente en la interfase electrodo-electrolito |
| Material dieléctrico | Cerámica, película de plástico, aire | Carbón activado, aerogel de carbono, grafeno, óxidos metálicos |
| Capacitancia | Pocos Faradios (F) | Mil Faradios (F) |
| Densidad de potencia | ~100 W/kg | ~10 kW/kg |
| Densidad energética | <1 Wh/kg | 5-10 Wh/kg |
| Tiempo de carga | De segundos a horas | Minutos |
| Tiempo de descarga | De segundos a horas | Minutos |
| Ejemplos | Aluminio electrolítico, Tántalo, Cerámica | Carbón activado, Grafeno, Pseudocondensadores |
| Aplicaciones | Filtros, circuitos de temporización | Copias de seguridad de memoria, cámaras, impresoras láser |
Ventajas y desventajas de los Supercondensadores
En estas indicaciones hemos tratado las ventajas y desventajas de los supercondensadores:
Ventajas
- Alto rendimiento
- Alta densidad de energía y potencia ya que utiliza material de carbón activado que aumenta el valor de capacitancia
- Fiabilidad de alto rendimiento con mayores velocidades de carga
- Los supercondensadores pueden conectarse fácilmente en serie, como las baterías, para suministrar tensiones más elevadas a los equipos más exigentes.
- Los supercondensadores tienen una alta potencia específica y una baja resistencia, lo que les permite producir altas corrientes de carga.
- Los supercondensadores se desarrollan en tamaños pequeños y ligeros, lo que facilita su instalación en espacios reducidos.
- Los supercondensadores tienen un tiempo de ciclo más largo que el de las baterías y una vida útil más larga.
Desventajas
- Los supercondensadores tienen altas tasas de autodescarga.
- Los supercondensadores tienen límites de tensión bajos que exigen conexiones en serie para producir alta tensión.
- Los supercondensadores tienen la mayor absorción dieléctrica de cualquier tipo de condensador.
- No se puede utilizar todo el espectro de energía debido a la descarga lineal de la tensión.