Supercondensatori: un’alternativa alle classiche batterie

I supercondensatori sono dispositivi di stoccaggio dell’energia che possono immagazzinare una grande quantità di energia elettrica in un piccolo volume. Normalmente quando pensiamo allo storage di energia immediatamente associamo il concetto alle batterie. Quest’ultime hanno però bisogno di un certo periodo di tempo per essere ricaricate (e scaricate), a causa delle loro proprietà chimiche. Ad oggi le due tecnologie più sviluppate sono le batterie al piombo e le batterie al litio. Queste però si portano dietro degli svantaggi non indifferenti, come la profondità di scarica limitata: 50% per le batterie al piombo e 30% per le batterie al litio. Inoltre, la loro vita utile è fortemente dipendente dall’utilizzo che se ne fa. A soluzione di tutto ciò ci sono gli accumuli a supercondensatori. Questi vanno ad inserirsi nel mondo dello storage, collocandosi come prodotti altamente tecnologici e rivoluzionari.

Come è fatto un supercondensatore?

I supercondensatori si differenziano dai condensatori tradizionali per due motivi: hanno un’area delle piastre maggiore ed uno spazio più stretto tra di esse.

Nell’ambito tradizionale, in un condensatore sono presenti due piastre rivestite da un materiale poroso metallico. Esse forniscono un’area molto ampia per la conservazione della carica e sono separate da un dielettrico ceramico. Una volta caricato il condensatore, il campo elettrico viene creato dalla polarizzazione delle due piastre. Il dielettrico viene quindi polarizzato e allinea le molecole in direzione opposta al campo elettrico, quindi ne riduce la forza e fa sì che le piastre possano immagazzinare più carica.

In un supercondensatore, invece, non si ha il dielettrico tradizionale. Sono presenti due piastre immerse in un elettrolita e separate da uno strato molto sottile di plastica (induttore). Quando le piastre vengono caricate, la carica si forma su entrambi i lati dell’induttore, creando quindi un doppio strato elettrico. La combinazione di queste caratteristiche consente al supercondensatore di raggiungere capacità molto maggiori poiché le piastre hanno una superficie più ampia e una distanza più ridotta.

Gli elettrodi di un supercondensatore sono solitamente fatti di carbonio poroso o ossido di metallo. L’elettrolita è un liquido conduttivo che consente alla carica elettrica di fluire tra gli elettrodi.

Come funziona il supercondensatore?

Il funzionamento del supercondensatore si basa sul principio fisico dell’accumulo di carica elettrica sulla superficie degli elettrodi, che formano un doppio strato elettrostatico. Quando una differenza di potenziale viene applicata agli elettrodi, gli ioni nel liquido elettrolita si muovono verso gli elettrodi. Essi poi tendono ad accumularsi sulla superficie degli elettrodi. Questo crea una differenza di potenziale tra gli elettrodi che genera un campo elettrico che può immagazzinare l’energia.

La quantità di energia che può essere immagazzinata dipende principalmente dall’area superficiale degli elettrodi e dalla distanza tra loro. Maggiore è l’area superficiale e minore è la distanza tra gli elettrodi, maggiore sarà la quantità di energia immagazzinabile. Durante la scarica del supercondensatore, gli ioni si muovono dall’elettrodo positivo a quello negativo, generando una corrente elettrica. Questo processo può avvenire molto rapidamente, permettendo al supercondensatore di rilasciare l’energia immagazzinata in tempi molto brevi.

A cosa servono i supercondensatori?

I supercondensatori stanno muovendo i primi passi nel mondo dello storage, mentre sono già molto diffusi per alimentazioni di backup dei cellulari ed estensioni di banchi batterie che hanno degli spunti iniziali molto elevati da sopportare e molto altro. Attualmente stanno prendendo sempre più piede in sistemi di accumulo per impianti fotovoltaici. Ultimamente i supercondensatori stanno diventando comunemente usati in applicazioni più particolari, quali per esempio:

• Veicoli elettrici: i supercondensatori possono essere utilizzati in combinazione con le batterie nei veicoli elettrici per fornire energia durante le accelerazioni e le frenate.
• Fonti di energia rinnovabile: i supercondensatori permettono di immagazzinare l’energia prodotta da fonti di energia rinnovabile e rilasciarla in modo controllato quando necessario. Questo può aiutare a bilanciare la produzione e il consumo di energia e ridurre l’uso di fonti di energia non rinnovabile.
• Elettronica di consumo: nei dispositivi elettronici di consumo, come telefoni cellulari o tablet, i supercondensatori permettono di fornire energia durante i picchi di consumo e ridurre lo stress sulle batterie.
• Automazione industriale: i supercondensatori sono utili per fornire energia a motori elettrici e altri dispositivi durante le accelerazioni e le decelerazioni.

Inoltre, si sente sempre più parlare di IoT ed i supercondensatori potrebbero giocare un ruolo importante in questa transizione. Molti dispositivi on grid spesso si basano su sistemi di storage che ne garantiscono il funzionamento continuo. Un supercondensatore infatti possiede un’enorme densità energetica in relazione al volume, quindi potrebbe esserne parte integrante. Infine, sono in via di sviluppo nuove tecnologie che renderebbero i supercondensatori più flessibili, e quindi adatti a qualsiasi tipo di applicazione.

Il continuo aumento del volume di produzione e la nascita continua di nuovi produttori, fa intuire l’enorme potenziale e l’enorme attenzione che il mondo dell’energia dà a questa tecnologia. Possiamo dire con certezza che ricopriranno un ruolo fondamentale nell’imminente transizione energetica.

Come si caricano i supercondensatori?

I supercondensatori possono essere caricati in diversi modi, in base alle specifiche dell’applicazione e del supercondensatore stesso. I principali metodi di carica sono:

• Carica costante: si applica una corrente costante ai terminali del supercondensatore. Questo metodo è molto semplice, ma richiede del tempo per raggiungere la carica completa.
• Carica pulsata: prevede l’applicazione di una serie di impulsi di corrente al supercondensatore. È più veloce della carica costante, ma può richiedere un controllo più accurato della forma d’onda degli impulsi per evitare il surriscaldamento del supercondensatore.
• Carica a tensione costante: si applica una tensione costante ai terminali del supercondensatore. La corrente di carica varia in base alla resistenza interna del supercondensatore e alla tensione di carica, quindi il tempo di carica può variare.
• Carica a corrente costante con tensione di fine carica: si applica una corrente costante fino a quando la tensione del supercondensatore raggiunge un valore specifico, poi la corrente viene ridotta fino a quando si raggiunge la tensione di fine carica.
• Carica rapida: si applica una tensione o corrente molto alta per un breve periodo di tempo. È un metodo molto rapido, ma può causare un surriscaldamento del supercondensatore.

Qual è la sostanziale differenza tra una batteria e un supercondensatore?

I supercondensatori hanno punti in comune con le batterie tradizionali. Seppur inizialmente avessero una bassa densità energetica, dopo i recenti sviluppi, i supercondensatori possono tranquillamente competere con le comuni batterie.

Discorso diverso invece per la densità di potenza. Un supercondensatore tipicamente ha valori 10 volte più alti di una batteria convenzionale. I supercondensatori quindi sono in grado di gestire cicli di carica e scarica molto più rapidi. Inoltre, hanno cicli di vita notevolmente più lunghi (20.000 cicli), intervalli di temperatura di funzionamento più ampi (da -30° a 75°) e una velocità di scarica di picco elevata per carichi che richiedono potenza elevata per una breve durata (si arriva anche a 300 A).

Perchè non si utilizzano i condensatori invece delle batterie?

I condensatori e i supercondensatori sono dispositivi che possono immagazzinare energia elettrica. Ma ci sono alcune differenze chiave rispetto alle batterie che ne limitano l’uso in alcune applicazioni.

I condensatori e i supercondensatori tendono a scaricarsi rapidamente. Ciò significa che devono essere ricaricati frequentemente per mantenere un livello di energia costante. Le batterie, al contrario, possono immagazzinare energia per periodi molto più lunghi, anche se possono richiedere più tempo per caricarsi completamente.

Inoltre, i condensatori e i supercondensatori tendono ad avere una tensione nominale molto più bassa delle batterie. Per questo motivo potrebbero non essere adatti per alcune applicazioni che richiedono tensioni più elevate.

In generale, i condensatori e i supercondensatori non possono sostituire completamente le batterie in tutte le situazioni. Le batterie rimangono il metodo più comune per l’immagazzinamento di energia elettrica. I supercondensatori però stanno diventando sempre più importanti come alternativa o complemento per applicazioni che richiedono tempi di ricarica più rapidi.

Quanto dura un supercondensatore?

La durata di un supercondensatore dipende da molti fattori, come la sua qualità, il suo design, le condizioni ambientali in cui viene utilizzato e il modo in cui viene utilizzato. In generale, i supercondensatori sono progettati per avere una durata operativa molto lunga, spesso superiore a 10 anni. A differenza delle batterie, i supercondensatori non hanno parti mobili o componenti chimici che si deteriorano con il tempo, il che significa che possono essere utilizzati in modo affidabile per molti anni senza la necessità di sostituirli.

Tuttavia, ci sono alcune accortezze importanti per garantire la massima durata dei supercondensatori. Ad esempio, la tensione massima e la corrente massima di scarica devono essere rispettate per evitare il danneggiamento dei componenti. Inoltre, l’esposizione a temperature estreme o alla luce solare diretta può influire sulla durata dei supercondensatori. Pertanto, i produttori di supercondensatori spesso forniscono specifiche dettagliate sulle condizioni di utilizzo ideali per garantire la massima durata del dispositivo.

Si ringrazia Simone Cataldo per il contributo