I supercondensatori costituiscono un nuovo sistema di accumulo di energia ad alta densità di potenza. Tradizionalmente, le scelte del mezzo di accumulo per attività di backup dell’alimentazione sono sempre ricadute su condensatori e batterie ed è lecito affermare che la tecnologia del condensatore abbia giocato un ruolo fondamentale nelle applicazioni di trasmissione e fornitura di potenza per molti decenni.
Tuttavia, negli ultimi anni ricerche e sviluppi sostanziali hanno portato a progressi significativi nella progettazione e nelle possibilità d’uso dei condensatori. Questi sono stati chiamati supercondensatori (conosciuti anche come ultracondensatori) e vengono usati in sistemi di energy storage e di backup di alimentazione a batteria.
I supercondensatori rappresentano una tecnologia di accumulo innovativa e green, caratterizzata da una densità di energia relativamente bassa (minore dello stoccaggio con batterie elettrochimiche) e da una densità di potenza estremamente elevata. Poiché l’accumulo di energia elettrica si basa su processi elettrostatici quasi reversibili, essi presentano, inoltre, un rendimento elevato ed una lunga durata di vita (stimati un 1.000.000 di cicli di vita a 25 °C). Per le loro caratteristiche operative, i supercondensatori possono essere impiegati efficacemente in sistemi di accumulo e per alimentare picchi di potenza di breve durata.
Struttura interna e funzionamento
I supercondensatori accumulano energia elettrica attraverso campi elettrostatici: una cella elementare è costituita essenzialmente da due elettrodi porosi, caratterizzati da un elevato rapporto tra superficie delle piastre e peso, immersi in una soluzione elettrolitica.
Un condensatore è caratterizzato dalla sua capacità (misurata in Farad) che è l’indice della quantità di carica, o meglio, di elettroni, che è in grado di accumulare. La capacità aumenta all’aumentare dell’area delle piastre e al diminuire della distanza tra loro. I supercondensatori si differenziano dai condensatori standard perché sono in grado di accumulare milioni di volte il numero di elettroni dei comuni condensatori.
I supercondensatori, come già accennato, non necessitano di processi chimici per rendere disponibile l’energia accumulata, perciò il tempo di cui necessitano per accumulare gli elettroni su una piastra, e quindi a caricare il condensatore, è molto breve, così come lo è il tempo necessario per scaricarlo completamente. Per questo motivo i supercondensatori sono molto utilizzati in applicazioni in cui sono richieste gradi quantità di energia in brevi tempi, o per dispositivi in grado di caricarsi in pochi minuti.
Campi di applicazione
Grazie ai loro livelli di capacità e correnti elevate, possono essere sfruttati per soluzioni di stoccaggio dell’energia installabili in spazi ridotti. Quando vengono utilizzati come fonti di alimentazione ausiliarie nelle correnti di picco, consentono di ridurre le dimensioni degli alimentatori e forniscono una corrente superiore e migliorare le prestazioni complessive.
Frenatura con recupero di convogli metropolitani: l’energia cinetica dei convogli in frenata può essere immessa direttamente nella linea motrice principale per alimentare i convogli in accelerazione e l’eventuale parte eccedente può essere, invece che dissipata, accumulata in batterie di supercondensatori disposte nelle stazioni elettriche di alimentazione dell’impianto per alimentare altri carichi critici.
Apparecchiature di diagnostica ospedaliere: molte apparecchiature di tipo radiologico sono caratterizzate da grossi assorbimenti di potenza di breve durata – il tempo di effettuazione dell’esame – intervallati da periodi di assorbimento modesto. L’introduzione di batterie di supercondensatori permette di contenere i picchi di potenza prelevati dalla rete evitando sovradimensionamenti degli impianti di alimentazione.
Miglioramento della qualità della fornitura di energia elettrica: l’introduzione di banchi di supercondensatori nei gruppi di continuità permette, in presenza di carichi critici con prelievi di potenza intermittenti e caratterizzati da picchi di potenza di breve durata, di ottimizzare l’utilizzo degli UPS. In questo modo non si è costretti al sovradimensionamento delle batterie per far fronte all’erogazione delle potenze richieste anche se per brevi intervalli di tempo.
Applicazioni per l’energia rinnovabile: nelle applicazioni solari fotovoltaiche è necessario sostituire le batterie ogni 3-7 anni, in quanto tendono a decadere di prestazioni. I supercondensatori si caricano e scaricano rapidamente e supportano molteplici cicli di carica/scarica, quindi possono essere sostituiti ogni 20 anni. Riducendo la frequenza degli interventi di manutenzione, si riducono anche i costi del ciclo di vita, aumentando l’efficienza.
Perché scegliere i supercondensatori?
In applicazioni critiche come i più moderni Data Center, applicazioni elettromedicali o applicazioni industriali, l’installazione di un sistema con batterie tradizionali fornisce un tempo insufficiente per risolvere alcuni dei più comuni problemi di guasto all’avviamento del gruppo elettrogeno (ad esempio il blocco carburante o un guasto alla batteria di avviamento).
- Un Data Center può richiedere dalle 3 alle 6 ore per trasferire la sua operatività ad un sito di mirroring o per eseguire lo shut-down
- Installazioni elettromedicali richiedono un’energia sicura e continua per garantire servizi salva vita
- Processi di produzione automatizzati richiedono un’alimentazione ininterrotta per prevenire guasti a macchinari o attrezzature
Dispositivi eco-friendly
Grazie al numero elevato dei cicli di carica-scarica, il supercondensatore ha un ciclo di vita simile a quello dell’UPS. La sua resistenza interna straordinariamente bassa (ESR) e conseguente alta efficienza di ciclaggio (95% o più) aggiunte ad una minore produzione di calore, rendono possibile l’utilizzo di meno sistemi di raffreddamento, più semplici e economici.
Previsioni
I supercondensatori sono quindi un argomento molto importante per lo storage energetico, numerose sono le ricerche in corso in tutto il mondo e gli sviluppi sembrano davvero promettenti; c’è chi addirittura ipotizza che i supercondensatori potranno assorbire nei prossimi 15 anni fino al 50% del mercato oggi appannaggio degli accumulatori Li-Ion.
