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En plena época donde las aplicaciones de la electrónica y la electricidad crecen exponencialmente y las reservas de combustible fósil escasean, se hacen necesarias nuevas soluciones verdes que nos permitan mantener este nivel de desarrollo, y los ultracondensadores podrían ser la llave.

Contexto energético

En plena época donde los combustibles fósiles están desapareciendo del campo de batalla energético, se hace más evidente la necesidad de incorporar nuevas formas de obtención de energía, en especial eléctrica (por su facilidad de transporte, seguridad, “calidad” en términos termodinámicos, etc.).

De esta forma las energías renovables surgen como una evidente forma de satisfacer estos requerimientos energéticos, además de solventar problemas colaterales asociados a la generación eléctrica como es el calentamiento global por emisiones de gases de efecto invernadero.

Todo muy bonito, pero aparece un problema tan grande como evidente: no hay sol por las noches (Fotovoltaica), no siempre hay viento (Eólica) y tampoco siempre hay mareas (Mareomotriz). Dicho de otra forma, no podemos controlar las producciones renovables de ninguna forma, cosa que es absolutamente imprescindible para satisfacer la curva de demanda energética de un país en cualquier momento del día (Fig. 1)

Fig. 1: Curva de demanda genérica. Comparación real y programada
Fuente: REE

¿Cómo ponemos solución a esta constante producción-consumo a tiempo real en la que se basa el sistema de electricidad? Almacenando la energía excedente producida en sistemas de almacenamiento energético (EES, en inglés) . La batería de ion-litio se ha impuesto, pero veremos que va a ser aquí donde aparece la importancia del supercondensador.

Las Baterías no lo son todo

Se ha visto la importancia de almacenar la energía generada en exceso por las renovables para poder abastecerla en cualquier momento del día gracias a los acumuladores energéticos EES (donde las baterías se han impuesto). En cambio, podría ser básico también para otro tipo de aplicaciones.

Por ejemplo, y con la crecida constante de los gadgets (smartphones, smartwatches, cascos inalámbricos…) así como de los vehículos eléctricos, la necesidad de almacenar energía en baterías cada vez más potentes y livianas se ha hecho más que evidente, pero existe un problema con ellas.

Las baterías tienen una gran capacidad de almacenamiento de energía en función de su tamaño (densidad de energía), rendimientos de carga/descarga elevados, así como un precio asequible que va reduciéndose cada año. En cambio, su capacidad para aportar energía es bastante reducida (densidad de potencia).

La densidad de potencia viene a ser algo como la capacidad que tiene una determinada batería de ceder una determinada cantidad de energía en un determinado instante de tiempo en relación a su peso. De esta forma, una mayor densidad de potencia le permite cargarse/descargarse en menos tiempo, aportando/recibiendo más cantidad de energía (¡Es más veloz!).

Cuando compañías de coches eléctricos como TESLA tratan de hacer que sus baterías carguen más rápidamente, no hacen otra cosa que aumentar su densidad de potencia, lo cual se consigue variando los materiales de los electrodos, el electrolito, optimizando la disposición interna de las celdas de la batería, mejorando la electrónica de potencia, etc.

Fig. 3: TESLA cargando

¿Por qué la densidad de potencia es tan “reducida”? Fácil, esto es debido a que las baterías son un tipo de almacenamiento de energía electroquímico. Existen muchos más: mecánicos, con volantes de inercia o presas hidroeléctricas; térmicos, son fundiciones de sales o geotermia….

El problema de las reacciones químicas es que estas son normalmente lentas. ¿Quién no se ha desesperado mientras estaba en la cocina esperando alguna vez? Y esto también afecta a las baterías, con lo que los tiempos de carga y descarga pueden hacerse a veces excesivamente largos.

¿Solución? Supercondensadores

De esta forma, vamos a quedarnos con lo bueno de las baterías, y es su gran capacidad para almacenar energía (densidad de energía) y su precio, que lo hace candidato para sin duda seguir victorioso en el mercado. En cambio, podemos probar a buscarle un compañero de equipo en las EES.

Si atendemos a una gráfica comparativa que nos permita ver la relación de densidad de potencia / densidad de energía de diferentes materiales, así como su precio y su flexibilidad, vemos que sin duda hay un claro vencedor: el supercondensador.

Observemos la (Fig. 4) y atendamos ahora al eje horizontal (densidad de potencia)

Fig. 4: Comparativa Baterías y Supercapacitores

Como vemos, la mayor densidad de potencia lo tiene un viejo conocido para cualquier estudiante de ingeniería: el condensador/capacitor convencional. Un condensador no deja de ser un elemento formado por dos placas de metal conectadas a diferentes potenciales y con un aislante en el medio (este puede ser un plástico, madera, o el propio aire).

Su forma de almacenamiento de energía es en forma de cargas eléctricas, que debido a la aplicación de una diferencia de tensión, las cargas positivas de colocan en una placa, y las negativas en la contraria. De esta forma, tenemos energía almacenada en forma electrostática

El problema que tienen es que su capacidad de almacenamiento de energía (justo donde ganaba la batería) es rídicula, al no ser capaz de almacenar más que unos pequeños Culomb de carga, algo que ni de lejos serviría para alimentar una batería y qué decir de un EV convencional.

Pero… ¿Y si consiguiéramos que estos condensadores almacenasen más cantidad de carga? Si lo lográsemos, podrían captar una no tan modesta cantidad de carga (energía al fin y al cabo) mientras que su capacidad de carga/descarga seguiría siendo casi instantánea, al ser de tipo electrostático y no electroquímico (como pasaba con las baterías). Pues señoras y señores, esto es precisamente un supercondensador.

Mejoras frente a un condensador convencional

En concreto, mientras que un condensador común anda en el orden de los microfaradios, un supercondensador podría llegar a almacenar en un espacio similar incluso miles de faradios… ¡1,000,000,000 de veces más!

Aumentando la superficie útil de las placas, que se consigue a través de utilizar materiales diferentes (como carbono o nanotubos de grafeno) y aumentando la porosidad a nivel atómico (microporosidad), así como empleando varias capas de metales, obtenemos una considerable mayor cantidad de carga almacenada.

De esta forma, aunque un supercondensador no llegaría a sobrepasar en densidad de energía a una batería de ion litio (densidad de energía), sí que nos permitiría mantener un nivel mínimo de energía mientras que mantendría su fuerte indiscutible: su velocidad para cargarse/descargarse (densidad de potencia).

Además, dada la simplicidad de su fabricación (dos placas de metal y un aislante en medio), hace que su tiempo de vida medio sea enorme (más de 20 años).

Fig. 5: supercondensador (arriba) y
nanotubos de grafeno (abajo)

Baterías y Supercondensadores, ¿Sistema EES Definitivo?

Et voilà! Si unimos a los dos mejores dispositivos que cumplen todos los requisitos que nos interesan en cada uno de sus ámbitos, obtenemos un sistema híbrido formado por baterías y supercondenadores.

De hecho, esta idea no es nueva, y ya ha estado rondando la cabeza de los científicos e ingenieros desde hace tiempo (el Trabajo Final de Elon Musk fue sobre ultracondensadores), y no sorprende que compañías como Lamborghini, Tesla y Toyota hayan adquirido patentes y comprado empresas productoras de ultracondensadores, como Maxwell Technologies por TESLA en 2019.

¿Qué podríamos conseguir con este sistema híbrido? Muy sencillo, aprovechar lo mejor de cada casa. Mientras tendríamos una cantidad de energía almacenada grande gracias a la batería, el ultracondensador podría ser el dispositivo que proveyera de energía durante los picos de consumo, optimizando al máximo el aprovechamiento energético.

El sistema ha ganado tanta fama en los últimos años que ha recibido un nombre propio: Supercapattery (la mezcla de Supercapacitor y Battery, del inglés)

Aplicaciones inmediatas

Entre las principales aplicaciones donde destacaría este sistema híbrido sería:

  • Frenado regenerativo en vehículos eléctricos, permitiendo maximizar la energía recuperada.
  • Fuente de energía para arranque de grandes motores, como de tanques de guerra o submarinos
  • Estabilización de la tensión en generación fotovoltaica por paneles solares
  • Apoyo energético general, cubriendo los picos de demanda de la Red.

Fig. 6: Aplicaciones en EV’s como Lamborghini

Para terminar solo decir que el campo está todavía más que abierto y caben muchas posibilidades, así como dificultades aún por solventar:

¿Cómo disminuir el precio de los supercondensadores, que todavía es más de 10 veces superior a las baterías?, ¿Cómo gestionar automática y coordinadamente sus operaciones?, ¿Cómo conectar estos dos dispositivos de forma óptima?

Te invito a que investigues más por tu cuenta y que, ante todo, hayas disfrutado descubriendo estos dispositivos que pueden ser el futuro, y el presente, del almacenamiento energético.

Bibliografía

  • Classical and fractional-order modeling of equivalent electrical circuits for supercapacitors and batteries, energy management strategies for hybrid systems and methods for the state of charge estimation: A state of the art review, de J.I. Hidalgo-Reyes
  • Advances in Supercapacitor & Supercapattery. Innovations in Energy Storage Devices, de Numan Arshid.

Manuel Ferreira Lorenzo

Estudio Ingeniería en Tecnologías Industriales (ETRON) en 4° curso, Universidad de Málaga

Me encanta poder formar parte de QUANTUM SOCIETY para llevar la divulgación y la forma de ver la Ciencia a un nuevo nivel, ya desde la Universidad, y poder conocer a gente tan brillante con similares ambiciones que yo.

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