Jak funguje superkapacitor?

Elektrická kapacita kondenzátoru se uvádí ve faradech. Jeden farad uloží jeden coulomb elektrického náboje při použití napětí ve výši jednoho voltu. Jeden mikrofarad je milionkrát menší než farad a jeden pikofarad je opět milionkrát menší než mikrofarad.

Existují tři typy kondenzátorů a tím nejzákladnějším je elektrostatický kondenzátor se suchým separátorem. Tento klasický kondenzátor má velmi nízkou elektrickou kapacitu a používá se hlavně pro ladění radiových frekvencí a filtraci. Jeho kapacita se pohybuje od několika málo pikofaradů (pf) až po hodnoty několika mikrofaradů (μF).

Elektrolytický kondenzátor disponuje vyšší elektrickou kapacitou než elektrostatický kondenzátor a jeho velikost se pohybuje v mikrofaradech (μF), což je milionkrát více než pikofarad. Tyto kondenzátory obsahují vlhký separátor a užívají se pro filtraci a vyrovnávání napětí a přenos signálu. Elektrostatická kapacita má, podobně jako u baterie, kladný a záporný pól, který je potřeba zachovávat.

Třetím typem je superkapacitor s kapacitou udávanou ve faradech, což je mnohonásobně více než u elektrolytického kondenzátoru. Superkapacitor se používá pro ukládání energie tam, kde dochází k pravidelnému cyklickému nabití a vybití pod vysokým proudem trvajícímu vždy jen krátce.

Inženýři z General Electric poprvé experimentovali s ranou verzí superkapacitoru v roce 1957, ale tehdy ještě nebylo známo žádné komerční využití. Podruhé a náhodou objevila účinky dvouvrstvého kondenzátoru společnost Standard Oil v roce 1966, když pracovala na návrhu palivového článku. Dvojitá vrstva výrazně zlepšila schopnost ukládat energii. Společnost sama svůj objev komerčně nevyužila a místo toho poskytla licenci společnosti NEC, která v roce 1978 uvedla tuto technologii na trh jako „superkapacitor“ pro záložní zdroj paměti počítačů. Až v 90. letech vedly pokroky v oblastech materiálů a výrobních metod k lepšímu výkonu a nižším nákladům.

Superkapacitor se dále vyvíjí a díky použití speciálních elektrod a elektrolytu proniká do technologie baterií. Zatímco základní elektrochemický dvouvrstvý kondenzátor (EDLC = Electrochemical Double Layer Capacitor) závisí na elektrostatickém účinku, asymetrický elektrochemický dvouvrstvý kondenzátor (AEDLC) používá elektrody podobné těm v bateriích, aby dosáhl vyšší hustoty energie, ale přináší to kratší životnost (resp. použitelnost pro menší počet cyklů) a další obtíže obvyklé pro baterie. Vylepšení superkapacitorů a baterií slibují grafenové elektrody, ale jejich vývoj je ještě otázkou na dalších 15 let.

Zkoušelo se několik typů elektrod a nejběžnější systémy používané v současnosti jsou postavené na elektrochemickém dvouvrstvém kondenzátoru, který je na bázi uhlíku, obsahuje organický elektrolyt a jeho výroba je snadná.

Všechny kondenzátory mají omezené napětí. Zatímco elektrostatický kondenzátor lze vyrobit tak, aby odolal vysokým hodnotám napětí, superkapacitor je omezen napětím 2,5–2,7 V. Napětí 2,8 V a vyšší je možné, ale snižuje životnost. Pro dosažení vyšších napětí se některé superkapacitory zapojují do série. Sériové zapojení snižuje celkovou elektrickou kapacitu a zvyšuje vnitřní odpor. Série s více než třemi kondenzátory vyžadují vyrovnávání napětí, aby nedošlo k přepětí některého z článků. Podobný ochranný obvod mají lithium-iontové akumulátory.

Měrná hustota energie superkapacitoru se pohybuje od 1 Wh/kg do 30 Wh/kg, což je 10–50x méně než mají Li-ion baterie. Další nevýhodou je vybíjecí křivka. Zatímco elektrochemický akumulátor dodává konstantní napětí v oblasti použitelného výkonu, napětí superkapacitoru klesá lineárně a současně snižuje oblast užitného výkonu.

Jako příklad může být 6 V zdroj energie, který se může vybít na 4,5 V, než se zařízení odpojí. Než superkapacitor dosáhne této prahové hodnoty napětí, využije kvůli lineární vybíjecí křivce jen 44 % energie, zbývajících 56 % zůstává. Možnost připojit DC-DC měnič pomáhá využít zásobu zbývající energie v oblasti nízkého napětí, ale to zvyšuje náklady a přináší ztrátu. Pro porovnání, akumulátor s plochou vybíjecí křivkou použije 90–95 % svých energetických zásob, než dosáhne prahové hodnoty napětí.

Obrázky 1 a 2 znázorňují průběhy elektrického napětí a proudu při nabíjení a vybíjení superkapacitoru. Při nabíjení napětí roste lineárně a elektrický proud poklesne automaticky, jakmile je kondenzátor plný, kontrolní obvod pro detekci úplného nabití není potřeba. Při vybíjení napětí lineárně klesá. Aby se udržela konstantní hladina výkonu ve wattech během postupného poklesu napětí, začíná DC-DC měnič odebírat stále větší množství proudu. Konec vybíjení nastává v okamžiku, kdy už nelze dosáhnout požadovaného výkonu.

Obrázek 1: Průběh nabíjení superkapacitoru. Napětí roste lineárně při nabíjení konstantním proudem. Jakmile je kondenzátor plný, hodnota elektrického proudu automaticky poklesne. (Zdroj: PPM Power)

Obrázek 2: Průběh vybíjení superkapacitoru. Napětí klesá při vybíjení lineárně. Volitelně připojitelný DC-DC měnič udržuje hladinu výkonu ve wattech tím, že s klesajícím napětím postupně odebírá větší proud. (Zdroj: PPM Power)

Doba nabíjení superkapacitoru je 1 – 10 vteřin. Průběh nabíjení je podobný elektrochemickému akumulátoru a nabíjecí proud je, do značné míry, omezený schopností nabíjecího zařízení regulovat proud. Počáteční nabití může proběhnout velmi rychle, konečné dobití na maximum potřebuje nějaký čas navíc. Musí být provedena opatření pro omezení nárazového proudu při nabíjení prázdného superkapacitoru, protože ten by hned „vysál“, co by jen mohl. Superkapacitor není ohrožen přebitím a nevyžaduje detekci úplného nabití; proud jednoduše přestane téct, když je superkapacitor plně nabitý.

Tabulka 1: Porovnání charakteristik superkapacitoru a Li-ion baterie. (Zdroj: Maxwell Technologies, Inc.)

Počet nabíjecích a vybíjecích cyklů je u superkapacitoru prakticky neomezený. Na rozdíl od elektrochemického akumulátoru, která má životnost omezenou počtem cyklů, dochází u superkapacitoru při cyklickém používání jen k malému opotřebení. Stáří se u superkapacitoru také projevuje vlídněji než u baterie. Za normálních podmínek klesá kapacita superkapacitoru z původních 100 % na 80 % za 10 let. Životnost zkracuje použití vyšších napětí, než je předepsáno. Superkapacitor odolává vysokým i nízkým teplotám, což je výhoda, kterou baterie nedokáží rovnocenně splnit.

Samovybíjení superkapacitoru je podstatně vyšší než u elektrostatického kondenzátoru a o něco vyšší než u elektrochemického akumulátoru; přispívá k tomu organický elektrolyt. Superkapacitor se vybije ze 100 % na 50 % během 30 - 40 dní. Oproti tomu u olověných akumulátorů a baterií na bázi lithia dochází k samovybíjení v rozsahu okolo 5 % za měsíc.

Použití

Superkapacitor je často nesprávně pochopen; nejedná se o náhražku baterie určenou pro dlouhodobé uložení energie. Například pokud jsou časy nabití a vybití delší než 60 vteřin, je výhodnější použití baterie; jsou-li kratší, pak se použití superkapacitoru stává ekonomickým.

Superkapacitory jsou ideální, když je potřeba rychlé nabití pro pokrytí krátkodobé potřeby elektřiny; zatímco baterie jsou vhodnou volbou pro dlouhodobou dodávku energie. Kombinace těchto dvou technologií do hybridní baterie uspokojuje obě potřeby a snižuje namáhání baterie, což se odráží v její delší životnosti. Takové baterie jsou dnes k dispozici ve skupině olověných akumulátorů.

Superkapacitory jsou nejúčinnější pro překlenutí výpadků v dodávce, které trvají od několika vteřin do několika minut, a mohou být zase rychle dobity. Setrvačník nabízí podobné kvality. Na Long Islandské železnici (LIRR) v New Yorku, která je jednou z nejvytíženějších železničních tratí v Severní Americe, probíhá experiment, ve kterém superkapacitor soupeří se setrvačníkem.

Testuje se zde sestava superkapacitorů s výkonem 2 MW proti setrvačníkům dodávajícím 2,5 MW, které mají zabránit poklesu napětí během zrychlování vlaku a zajistit snížení špičkové spotřeby energie. Oba systémy musí zajistit nepřerušovanou dodávku elektřiny po dobu 30 vteřin v rozsahu jejich příslušné kapacity v MW a ve stejně dlouhém časovém úseku se musí znovu plně nabít. Cílem je dosáhnout takového nastavení, které se pohybuje v rozsahu 10 % jmenovitého napětí; oba systémy musí vyžadovat nízkou údržbu a vydržet po dobu 20 let. (Odborníci věří, že setrvačníky jsou odolnější a energeticky úspornější pro toto využití než baterie. Čas ukáže.)

Japonsko taktéž uplatňuje velké superkapacitory. V komerčních budovách jsou instalovány 4 MW systémy, aby snížily spotřebu ze sítě v době nejvyšší poptávky a aby usnadnily nabíjení. Mezi další využití patří nahození záložních generátorů během výpadků proudu a dodávka elektřiny, dokud není přepojení na záložní zdroj stabilní.

Superkapacitory také zásadně zasáhly do oblasti elektrických pohonných jednotek. Výhoda ultrarychlého nabíjení během regenerativního brzdění a dodávka vysokého proudu při zrychlování dělá superkapacitor ideálním pro zlepšení špičkového zatížení v hybridních vozidlech a také v palivových článcích.

Superkapacitory mají nízkou měrnou hustotu energie a jsou drahé z hlediska ceny za watt. Někteří konstruktéři prohlašují, že peníze na superkapacitor by se daly utratit lépe za větší baterii. Tabulka 2 shrnuje výhody a omezení superkapacitoru.

Tabulka 2: Výhody a omezení superkapacitoru.

(Redakčně upraveno)

Zdroj:
Battery university: BU-209: How does a Supercapacitor Work? [online]. [cit. 2018-01-11]. Dostupné z:
http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor