Resumen
En este trabajo presentamos un análisis de los principales aspectos de la transición de energía limpia, incidiendo particularmente en los dispositivos de almacenamiento de energía para las aplicaciones de transporte, las cuales deberían actuar como palanca inicial con la extensión de vehículos con motores alimentados por baterías. Haremos especial énfasis en los sistemas eléctricos de almacenamiento el funcionamiento, aplicación de Supercondensadores y discutiremos las contribuciones aportadas por las investigaciones del autor.
Abstract: We present an analysis of key aspects of the clean energy transition, focusing particularly on energy storage devices for transportation applications, which should act as a lever extending initial vehicles with engines powered by batteries. We emphasis on storage power systems operation, application of supercapacitors and discuss the contributions made by the author's research.
Palabras clave: fundamentos teóricos, ultacapacitores, dimensionamiento de ultracapacitores.
Marco teórico
1.1.- INTRODUCCIÓN.
La batería es uno de principales modos de almacenar energía. Los ultracapacitores son elementos de última tecnología que permiten almacenar energía suficiente, en cortos períodos de tiempo, para controlar fenómenos de potencia de punta como la aceleración o el frenado repentino de un vehículo eléctrico, tienen mayor vida útil. Un ultracapacitor es un componente electrónico pasivo que se compone por dos placas de metal, que al recibir electricidad, almacenan una parte de ella durante un tiempo. No tiene ni partes móviles ni procesos químicos. Los ultracapacitores son útiles en vehículos híbridos, estos vehículos utilizan motores eléctricos y baterías para ayudar a un motor convencional de gasolina. Las baterías de un vehículo híbrido también pueden capturar una pequeña parte de la energía que usualmente se pierde en forma de calor cuando se pisan los frenos. Puesto que los ultracapacitores pueden cargarse y descargarse rápidamente sin dañarse, es posible diseñar vehículos híbridos que hagan un mayor uso de un motor eléctrico
1.2.- ULTRACAPACITORES.
Un capacitor es un elemento pasivo de circuito eléctrico con dos terminales formado por dos placas conductoras separadas por un aislante, donde se almacena energía eléctrica debido al paso de las corrientes de una placa a otra a través del aislante. Los supercapacitores también conocidos como (capacitores eléctricos de doble capa), capa (EDLCs) o ultracapacitores, son capacitores que tienen una densidad de energía inusualmente alta en comparación con los capacitores comunes, generalmente miles de veces mayor que un capacitor electrolítico de alta capacidad. Un EDLC del mismo tamaño tendría una capacidad de varios Faradios (F), una mejora de alrededor de dos o tres órdenes de magnitud en la capacidad, pero generalmente a un menor voltaje de trabajo. Los EDLCs comerciales cuentan con capacidades tan altas que pueden superar los 5000 F. El primer supercapacitor fue ofrecido por Standard Oil of Ohio (SOHIO) en 1969, con una interfaz de carbono y solución electrolítica de sal de tetralquilamonio. A final de los ochenta se desarrolló el primer supercapacitor de un faradio, y compañías rusas a principios de los noventa presentaron el primer supercapacitor que superaba los cien faradios. Los principales productores son Panasonic y Maxwell Tecnologies. Figura 1.1. Supercapacitores con capacidad de más de 3000 Faradios. Se ocupan actualmente para diseño de sistemas de potencia para la estabilización de voltaje, por lo que encontramos supercapacitores de 1500 y 3000 faradios, con un peso que va del kilo y medio a los tres kilogramos. Continúa la investigación en autos híbridos y su uso en sistemas de energía solar y eólica.
Figura. 1.1 Supercapacitores (con capacidad de más de 3000 Faradios) producidos por Maxwell Technologies
1.2.1.- PRINCIPIO DE PSEUDOCAPACITANCIA.
La pseudocapacitancia es el l almacenamiento de energía está asociado a la acumulación de carga eléctrica entre las láminas del condensador gracias al medio aislante
La pseudocapacitancia es un fenómeno dependiente de la tensión, con lo que por lo tanto se posee una capacitancia variable que debe ser modelada adecuadamente. Sin embargo, los rangos de tensión en que son utilizados los supercondensadores permiten su manejo como un condensador convencional con un valor alto de capacitancia y resistencias e inductores. Además se aumenta la capacitancia con una delgada capa de material aislante entre las caras de carbono.
1.2.1.1.- Clasificación y Elaboración de Supercondensadores.
Los supercondensadores actualmente se clasifican de acuerdo con los materiales de los que se encuentran elaborados. Actualmente se distinguen de acuerdo con Zhou (2) y Dinh – Nguyen (4) principalmente cuatro tipos:
1.2.1.2.- Supercapacitores electrolíticos de interfaz de carbono de doble capa.
Los principales son los que utilizan hidróxido de sodio y potasio o ácido sulfúrico. En ellos la disolución se disocia en iones positivos de sodio o potasio, que ante la presencia de voltaje por aumento de la atracción entre cargas se acumula una mayor energía eléctrica.
1.2.1.3.- Supercapacitores no electrolíticos de interfaz de carbono de doble capa.
Los principales son los que son elaborados como aerogeles, soles, los de nanotubos de carbono y carbón activado. Los soles son dispersiones de partículas sólidas en líquido que se encuentran indefinidamente en movimiento browniano. En cambio un gel es un sólido que posee una gran
Cantidad de líquido y una estructura que permite que se encuentren ambas fases combinadas. Para la formación de soles para capacitores se forma el óxido de metal elegido en agua, sea a altas temperaturas o con un exceso de base para formar el sol. Posteriormente el sol es gelado por deshidratación o aumento de pH. También se pueden formar soles orgánicos con resorción en formaldehido. El resultado de los procesos es la formación de un material homogéneo muy poroso que permite una alta capacitancia. Si el sol es combinado con la interfaz de carbono se calcula que puede alcanzarse una capacitancia de 400 faradios por gramo (6)
1.2.1.4.- Supercapacitores acuosos de óxido de doble capa con pseudocapacitancia redox.
Los principales son los de óxido de litio, bióxido de rutenio, bióxido de iridio, óxido de cobalto y bióxido de manganeso. Los supercapacitores pueden fabricarse siguiendo la metodología de la sección anterior para elaborar un sólido. Otra forma de obtenerlo es por la deposición de un óxido metálico por medio de un procedimiento de electrólisis. En la investigaciones donde se han alcanzado capacitancias de 400 F/g con óxido de rutenio (7). Supercapacitores más rentables de alrededor de 50 F/g se han logrado con óxido de níquel (6).
1.2.1.5.- Supercapacitores de polímeros conductores.
Se define como polímero conductor como una sustancia orgánica que conduce la electricidad de manera parecida a la de un metal, buena reversibilidad entre estado conductor y no conductor y flexibilidad mecánica. Los principales son los de politiofeno, polipirrol y polianilina. Tienen una densidad de energía mayor a 500 Watts por kilogramo, y aún se estudian sus propiedades de capacitancia.
1.2.2.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS ULTRACAPACITORES.
1.2.2.1.- Ventajas.
a. Los ciclos de carga.
Los supercapacitores pueden cargarse y descargarse cientos de miles (incluso millones) de ciclos sin perder rendimiento. Las pilas solo funcionan correctamente con una cantidad limitada de ciclos de carga/descarga.
b. Los períodos de carga.
Como sabemos, las baterías se basan en reacciones químicas, y el tiempo requerido para su carga suele ser largo. Por el contrario los supercapacitores se cargan y descargan muy rápidamente.
c. El tamaño y peso.
Los supercapacitores son mucho mas livianos que Las baterías d. Impedancia baja. Realza la dirección actual del pulso en paralelo a una batería electroquímica.
d. Métodos simples de la carga.
El voltaje limitación del circuito compensa para la autodescarga.
e. Almacenaje rentable de la energía.
Una densidad más baja de la energía es compensada por una cuenta de ciclo muy alta.
1.2.2.2.- Desventajas.
a. Densidad energética.
Normalmente los supercapacitores almacenan entre una quinta y una décima parte de lo correspondiente a una pila.
b. Liberación de energía.
Las baterías liberan la energía de forma lenta y durante un período de tiempo más largo, mientras que los supercapacitores liberan su carga muy rápidamente.
c. Incapaz de utilizar el espectro de energía completo.
Dependiendo del uso, no toda la energía está disponible.
d. Las células tienen bajas tensiones.
Las conexiones seriales son necesarias para obtener voltajes más altos. Se requiere balancear el voltaje si más de tres condensadores están conectados en serie.
e. Alta autodescarga.
La autodescarga es considerablemente más alta que la de una batería electroquímica. Por la naturaleza, el voltaje que limita el circuito compensa para la autodescarga. El supercapacitor se puede recargar y descargar virtualmente un número ilimitado de veces. Su tasa de auto descarga es muy alta, pierden la mitad de la carga en un mes
1.3.- APLICACIONES DE LOS ULTRACAPACITORES.
La investigación en supercapacitores se encuentra motivada por las enormes ventajas que su uso representa para el desarrollo de circuitos eléctricos:
Gran período de operación.
Capacidad de manejar altos valores de corriente.
Valor de carga fácil de monitorear.
Alta eficiencia.
Gran rango de voltaje.
Gran rango de temperatura.
Ciclos de funcionamiento largos.
Facilidad de mantenimiento.
1.3.1.- ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA.
Uno de los usos más extendidos de supercapacitores es en el uso de sistemas microelectrónicos, memorias de computadoras, relojes y cámaras de alta precisión. El uso de supercapacitores permite mantener el funcionamiento de los dispositivos durante horas e incluso días. Una aplicación estudiada ampliamente en la actualidad es el uso de supercapacitores en sistemas UPS (sistema de energía ininterrumpible), permitiendo el aislamiento de los sistemas UPS para el funcionamiento de sistemas eléctricos.
1.3.2.- SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE POTENCIA.
Los supercapacitores son de gran importancia para la transferencia de energía. Los sistemas STATCOM (Compensadores Estáticos) son dispositivos de transmisión de corriente flexible alternante, y se utiliza para el control de los picos de voltaje en sistemas eléctricos. Su uso permite mantener una corriente constante y menores picos de voltaje para facilitar la transmisión de la energía eléctrica.
Los ultracapacitores prometen llenar la brecha entre los capacitores y baterías.
Dimensionamiento o cálculo de ultracapacitores
2.1.- DIMENSIONAMIENTO DEL BANCO DE ULTRACAPACITORES.
Para el dimensionamiento de la cantidad de Ultracapacitores se deben considerar varios aspectos. Los más importantes son la capacidad, la tensión nominal y máxima, la resistencia interna y las corrientes de carga y consumo donde vamos aplicar.
Tenemos que evaluar y considerara las limitaciones del motor, las tensiones con que trabaja y la capacidad que se requiere para lograr el objetivo planteado para el equipo. Ecuación de la cantidad de energía.
2.2.1.- CÁLCULO DE LA TENSIÓN NOMINAL.
Por lo tanto, no tiene objeto instalar un banco de ultracapacitores con una tensión nominal mayor que el voltaje de las baterías, porque parte de su capacidad de almacenar energía siempre permanecerá inutilizada. Por otro lado, si la tensión máxima del paquete de ultracapacitores es despreciable o demasiado pequeña en relación a la de las baterías, se corre el riesgo de sobrecargar los primeros con su consiguiente destrucción. Entonces es deseable que la tensión máxima de los ultracapacitores sea similar a la tensión mínima de las baterías para tener la menor capacidad inutilizable posible. Obtención del voltaje total
2.2.2.- CÁLCULO DE LA CAPACITANCIA DE LOS ULTRACAPACITORES.
En la capacidad de los ultracapacitores, lo óptimo es adquirir condensadores de capacidad similar a la que se necesita utilizar. Por otro lado, se puede calcular la cantidad de energía podría considerarse como la máxima cantidad que deberían entregar los ultracapacitores en un período de potencia de punta por sobre la energía media que entrega la batería. Este valor se calcula como la energía cinética que lleva el vehículo a su velocidad crucero, expresado en la siguiente ecuación.
Cálculo de la energía cinética que lleva el vehículo a su velocidad crucero.
2.2.3.- ULTRACAPACITORES EN SERIE.
Para los capacitores en serie, la carga es la misma en todos ellos.
Obtención de la carga total
QT = Q1 = Q2 = Q3 (2.5)
Q = Carga
Al aplicar la ley de tensiones de Kirchhoff en el lazo cerrado se tiene:
E = V1 +V2 + V3 (2.6)
Dónde:
Vt = E Voltaje total (Voltios).
V1, V2, V3= Voltajes nominales.
Entonces:
Q = C x V (carga = capacidad x voltaje)
Dónde:
Q= está en culombios
C= está en faradios
V= está en voltios
Pero:
Que es similar al modo en que se determina la resistencia total de un circuito resistivo en paralelo. La capacitancia total de dos capacitores en serie.
Capacitancia total de capacitores en serie.
2.2.4.- CARGA Y DESCARGA DE LOS ULTRACAPACITORES.
Cuando al ultracapacitor le aplicamos una diferencia de potencial este se carga, ya que al no estar las dos placas metálicas unidas entre sí directamente, sino por medio de una batería o pila, cada una de las placas se cargará con electricidad positiva o negativa, debido a que una de las placas cederá electrones para que la otra los gane.
2.2.4.1.- Carga de los Ultracapacitores.
La carga se debe a un flujo de electrones que va hacía a una de las placas desde la otra, dando por resultado una placa con carga negativa y otra con carga positiva. Este proceso no es instantáneo sino que se va realizando paulatinamente, dependiendo la mayor o menor rapidez del mismo de la capacidad del ultracapacitor y de la resistencia del circuito.
2.2.4.2.- Descarga de los Ultracapacitores.
Normalmente en un circuito, los ultracapacitores se cargarán y se descargarán a través de resistencias. Esto se produce según una constante de tiempo y dependiendo de la resistencia y de corriente que le administremos según T= R – C.
Siendo T el tiempo, R el valor, R el valor de la resistencia en Ohmios y C el valor del ultracapacitor en Faradios. En una constante de tiempo K el ultracapacitor se carga aproximadamente un 63%, en la segunda constante de tiempo se carga otro 63%, y así sucesivamente, se considera que el ultracapacitor está totalmente cargado en 5 constantes de tiempo. El proceso de descarga es similar al de carga.
Las corrientes de carga y descarga de un Ultracapacitor comienzan con un valor máximo y van declinando a cero a medida que el Ultracapacitor se carga del todo o se descarga. En el caso del Ultracapacitor en carga, las placas descargadas ofrecen poca oposición a la corriente de carga al principio, pero a medida que se van cargando ofrecen más y más oposición. Reduciendo el flujo de corriente.
? UC = R C 5 (2.11)
Dónde:
? UC= tiempo ultracapacitor (segundos)
R= resistencia (ohm)
C= Capacitancia (Faradios)
K=5
Conclusiones
Los ultracapacitores es una de los principales investigaciones en la actualidad con las se podría remplazar a los baterías por su por su alta capacidad de almacenamiento de carga y descarga en tiempos de muy cortos y su óptimo rendimiento e los vehículos híbridos. El principal objetivo de los Ultracapacitores en la actualidad es apoyar a las baterías durante las aceleraciones y frenado del vehículo, sin embargo el sistema de control debe predecir también la necesidad de energía antes de aceleraciones y dejar espacio para el almacenamiento de energía.
Los supercapacitores pueden cargarse y descargarse cientos de miles de ciclos sin perder rendimiento, sin apenas degradación de los materiales, al contrario de una batería convencional. Comprobamos que por su tamaño y peso reducido, los EDLCs, se están adaptando para almacenar electricidad en vehículos eléctricos, minimizando el desgaste de las baterías.
Las baterías liberan la energía de forma lenta y durante un período de tiempo más largo, mientras que los ultracondensadores liberan su carga muy rápidamente. En vehículos híbridos, estas explosiones energéticas vendrían muy bien para superar obstáculos donde se requiera mas potencia.
Bibliografía
[1]. Dorf RC, Svoboda JA (2000) Circuitos Eléctricos:
Introducción al Análisis y Diseño.
México: Editorial Alfa omega pp. 290 - 291
[2]. Dinh-Nguyen B (2003) Performance of supercondensador
as energy storage alternatives. Long Beach:
California State University Long Beach [3]. Cultura II AB, Salameh ZM (2008) Performance
Evaluation of a Supercondensador Module for Energy Storage Applications.
[4]. Zhang D, Luo M, Li J, He J (2005) Surveying Into Some Aspects of Internal Resistance of Super.
[5]. Lin C (1998) Sol gel derived electrode materials for
supercondensador application. University of South Carolina.
[6]. Lin Y, Hwang HS, LeeWJ Effect of Surface Treatment of Graphite Particles on the Composite Supercondensador of Hydrous Ruthenium Oxides Coatings by Catholic
Deposition Method.[7]. Hu YS et al Electrochemical lithiation synthesis of Nanoporous materials with superior catalytic and Capacitive activity. Nature Materials [8]. Herbert JJ (2000) Electrochemistry and structure of the Conducting polymer Poli 3 (4 Fluorophenil) Tiophene used in electrochemical supercondensadors Los Angele"s:
University of California.
4. – ENLACES EXTERNOS
www.engadgetdr.com/…/carros-electricos-con-ultracapacitores.html
www.portaldenoticias.com/tag/ultracapacitores
www.autoalias.com/tag/ultracapacitores/ – España
www.monografias.com › tecnología
Autor:
Manuel Godoy Ramón
Ingeniería Electrónica, Universidad Politécnica Salesiana
Electrónica Digital