Ultracondensadores:mayor densidad de energaGracias a su alta densidad de energa, a la innovacin en la tecnologay a la evolucin de la electrnica de potencia, estos elementos puedenllegar a suponer una alternativa a las bateras en determinadasaplicaciones.

L os ultracondensadores o su-percondensadores tambinconocidos en ingls como ul-tracapacitors, supercapacitors oelectrochemical double layer ca-pacitors (EDLC) son condensado-res electroqumicos que presentanuna alta densidad de energa en com-paracin a los condensadores con-vencionales. Por ejemplo, los con-densadores electrolticos tpicospueden llegar a capacidades del or-den de centenares de F, mientrasque los ultracondensadores presen-tan capacidades de centenares de Fincluso hasta 3.000 F o 5.000 F. Estosupone un incremento de 6 rdenesde magnitud en la capacidad, aunquepresentan el inconveniente de que sutensin nominal es usualmente msbaja.

Con esta caracterstica y la inno-vacin en la tecnologa de los ultra-condensadores, junto con la evolu-cin de la electrnica de potencia,estos elementos pueden llegar a su-poner una alternativa a las baterasen determinadas aplicaciones.

Un ultracondensador, de la mismamanera que un condensador elec-

troltico convencional, se puede pen-sar como dos electrodos sumergidosen un electrolito a los cuales se apli-ca una diferencia de potencial. Elpotencial aplicado al electrodo posi-tivo atrae los iones negativos del elec-trolito, mientras que el electrodo ne-gativo atrae a los iones positivos. Laenerga total almacenada es propor-cional al nmero de cargas acumu-ladas y el potencial entre ambos elec-trodos, tal como se recoge en laexpresin

E=1/2 Q.U = 1/2 C.U2

La capacidad de un condensador(C = Q/V) es directamente propor-cional al rea de los electrodos y lapermisividad dielctrica del medio, einversamente proporcional a la dis-tancia que separa los electrodos.

En un ultracondensador, los elec-trodos estn hechos de un materialporoso a escala nanomtrica, tpica-mente el material utilizado es car-bono activado. La estructura porosade este material permite aumentar lasuperficie especfica hasta 2000 m2/g,mucho mayor que en los condensa-dores electrolticos convencionales.Gracias a esta tecnologa, se consi-

guen condensadores de capacidadesextraordinariamente altas en vol-menes muy compactos y ligeros encomparacin a los condensadoreselectrolticos convencionales. Sin em-bargo, esta tecnologa slo puede so-portar un bajo voltaje entre ambas ca-pas, lo cual significa que para alcanzarmayores tensiones nominales es ne-cesaria la asociacin en serie de di-versas celdas, de una manera similara como se hace con las bateras.

PropiedadesLas propiedades elctricas de un ul-tracondensador se derivan de su cir-cuito elctrico equivalente. El modeloms sencillo de circuito elctricoequivalente para un ultracondensa-dor incorpora una resistencia equi-valente en serie y una resistenciaequivalente en paralelo (ver figura in-ferior). La resistencia equivalente enserie (ESR) representa las prdidaspor conduccin. Dado que las lmi-nas de carbn activado tienen unamuy alta conductividad, esta resis-tencia serie suele ser muy pequeadel orden de unos 1-10 m. Encuanto a la resistencia equivalente en

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n Circuito elctrico equivalente de un ultracondensador. n Constante de tiempo RC.

paralelo (EPR), sta re-presenta las prdidas porcorriente de fuga, y estascorrientes son usualmen-te muy pequeas del or-den de unos 1-10 mA, porlo cual el valor de dicha re-sistencia equivalente es delorden de unos 100 k.

Como se ha visto, un ul-tracondensador puede serpensado como un circuitoRC. De esta manera, el ci-clo de carga (o descarga)de un ultracondensador essimilar al de un condensa-dor convencional. As, lacarga a tensin constanteresponde a la expresin si-guiente:

u(t)=U0(1-e-t/0)

donde 0=RESRC es la constante detiempo del condensador.

Hay que tener en cuenta que, a di-ferencia de los condensadores tpicos,la constante de tiempo RC puedellegar a ser demasiado lenta (debidoal elevado valor de C). (Ver figuraen pgina anterior).

La energa que almacena un ultra-condensador es, igual que en los con-densadores convencionales, segnla expresin: E=1/2 Q.U2

De la misma forma, la relacin co-rriente-tensin sigue la expresi

q(t) 1 u(t)= = i(t)dt;

C C to bien, en su forma diferencial:

dq(t) du(t)i(t) = = C

dt dt

Las prdidas en un ultraconden-sador vienen dadas por la corrientede fuga (parametrizada por la resis-tencia en paralelo (EPR)) as comolas prdidas por conduccin (para-metrizadas por la resistencia en se-rie (ESR)). Dado el orden de mag-nitud de estos parmetros, los valoresde estas prdidas son muy peque-os, alcanzndose as rendimientossuperiores al 95% para los valoresde corriente nominales.

Los ultracondensadores puedentrabajar en un rango de temperatu-ras de -40C hasta 70C. Como se ob-serva en la figura superior izquierda,el valor de la capacidad apenas varacon la temperatura.

Respecto a la respuesta frecuen-cial de los ultracondensadores, enlas figuras superior derecha y central

se observa el funciona-miento de un ultracon-densador BCAP0350 deMaxwell a diferentes fre-cuencias.

VentajascomparativasLa principal ventaja delos ultracondensadoresfrente a los condensado-res convencionales es sumayor densidad de ener-ga, del orden de 1-10Wh/kg en los ultracon-densadores frente a losapenas 0,1 Wh/kg de loscondensadores electrol-ticos. En comparacincon las bateras, la dife-

rencia resulta escasa, ya que las nue-vas bateras de Ion-Litio pueden su-perar los 100 Wh/kg. No obstante, locompensan con una densidad de po-tencia mucho mayor, pues los ultra-condensadores pueden llegar a 1-10kW/kg, mientras que las bateras nollegan a superar los 200 W/kg. Estosdatos se pueden ver de manera cla-ra y sencilla en el diagrama de la fi-gura de la pgina siguiente.

Respecto a la eficiencia, los ultra-condensadores alcanzan rendimien-tos de carga/descarga de hasta el95%, mientras que las bateras, en elmejor de los casos, alcanzan rendi-mientos del 70%. Esto supone, ade-ms del incremento de la eficienciaenergtica, un menor calentamientode los componentes, que repercuteen mayor seguridad para los equi-

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n Valores relativos de capacidad y resistencia, en el rango de tem-peraturas de -40C a 70C para un ultracondensador de Maxwell.

n Respuesta frecuencial de la capacidad para un BCAP0350 de Max-well.

n Respuesta frecuencial de la resistencia para un BCAP0350 de Max-well.

pos.Durante su vida til un ultracon-

densador puede llegar a realizar has-ta 106 ciclos de carga/descarga, a di-ferencia de las bateras que apenasalcanzan los 1.000 ciclos. Los ultra-condensadores pueden cargarse entiempos muy rpidos y a cualquiertensin (mientras no superen la ten-sin mxima), y pueden guardarsecargados total o parcialmente o in-cluso descargados, sin llegar a dete-riorarse. Tambin pueden recibir pul-sos de energa sin que ello afecte asu vida til como ocurre en el casode las bateras.

Un ltimo punto interesante es elrango de temperaturas. Los ultra-condensadores pueden trabajar en-tre -40C y 70C, mientras que lasbateras fallan a temperaturas infe-riores a -10C.

El principal inconveniente de los ul-tracondensadores frente a las bate-ras es su elevado precio. A pesarque actualmente estn experimen-tando un cierto descenso en los pre-cios, para una misma capacidad de al-macenamiento de energa losultracondensadores pueden llegar aser 3 veces ms caros que las bate-ras de Li-Ion, unas 10 veces ms ca-ros que las de Ni-MH, y hasta 20 ve-ces ms caros que las de cido-Pb.

Disponibilidad en el mercadoEn el mercado existe una amplia ofer-ta de ultracondensadores, desde losms pequeos de apenas 1F hasta los

de 5000F, que se adaptan a la apli-cacin necesaria. Tambin se en-cuentran mdulos comerciales que,mediante la asociacin de diversos ul-tracondensadores, permiten alma-cenar grandes cantidades de energa.Nos centraremos en aquellos ultra-condensadores con mayor capaci-dad de almacenamiento, ya que sonlos que resultarn interesantes enaplicaciones de electrnica de po-

tencia.Como se observa en la tabla infe-

rior, el rango de capacidades dispo-nible es muy amplio; no obstante, lastensiones nominales son muy bajas.De esta forma, resulta necesaria laasociacin de diversos ultraconden-sadores formando bancadas. Para es-tos casos, los propios fabricantesmontan mdulos comerciales ya con-figurados, en la tabla de la pgina si-guiente se recogen las caractersticasde algunos de ellos a modo de ejem-plo.

Aplicaciones de losultracondensadoresLos ultracondensadores tienen ml-tiples aplicaciones, desde la alimen-tacin de memorias en sistemas cr-ticos hasta el suministro de brevespulsos de energa en sistemas de altapotencia.

La tendencia general no es susti-tuir completamente las bateras, si noms bien complementarlas. Los ul-tracondensadores no pueden llegara almacenar tanta energa como lasbateras, pero s que pueden sumi-nistrar o absorber los pulsos de ener-ga, ayudando as a disminuir los pi-

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n Diagrama grfico comparativo de diversos dispositivos para el almacenamiento de ener-ga elctrica. En el eje horizontal se representa la densidad de potencia [W/kg], en el ejevertical se representa la densidad de energa [Wh/kg], las lneas diagonales representanel tiempo de descarga (suponiendo una potencia constante de 1 W). Todos los ejes se re-presentan en escala logartmica.

Fabricante U nom C (F) RESRDC RC Emax Pmax Peso Volumen(V) (mOhm) (seg) (Wh/kg) (W/kg) (g) (ml)

Cap-XX 5,5 0,4 210 0,08 1,13 9668 1,49 1,4Cap-XX 5,5 0,9 110 0,10 2,06 14946 1,84 2,2Cap-XX 5,5 0,6 140 0,08 1,55 13256 1,63 1,6Maxwell 2,5 4 400 1,60 0,87 3906 4 1,5Maxwell 2,5 10 180 1,80 1,38 5511 6,3 3,0Maxwell 2,7 25 42 1,05 3,62 8600 7 5,0Maxwell 2,7 140 7,2 1,01 4,19 14900 29 27,0Maxwell 2,7 350 3,2 1,12 5,10 16275 60 50,0Maxwell 2,7 650 0,8 0,52 3,29 15100 200 211,0Maxwell 2,7 3000 0,29 0,87 5,52 13800 550 475,0Nesscap 2,3 3 120 0,36 1,47 2939 1,5 1,0Nesscap 2,3 7 70 0,49 2,34 3435 2,2 1,5Nesscap 2,7 50 18 0,90 4,51 8400 11,3 1,5Nesscap 2,7 360 3,2 1,15 5,45 9100 67 60,0Nesscap 2,7 600 0,83 0,50 2,9 7000 210 151,0Nesscap 2,7 5000 0,33 1,65 5,44 7400 930 713,0WIMA 2,5 110 11 1,21 2,4 13750 40 34,0WIMA 2,5 300 6 1,80 3 11000 90 75,0WIMA 2,5 1200 0,9 1,08 4,6 12750 235 180,0WIMA 2,5 3000 0,7 2,10 4,7 12000 615 450,0Vina 2,5 120 25 3,00 8,68 8333 12 10,2Vina 2,5 600 6 3,60 5,79 4630 90 86,5

n Resumen de caractersticas de diversos ultracondensadores. Fuente: elaboracin pro-pia a partir de datos obtenidos de catlogos.

cos de corriente que experimentanlas bateras. De esta manera, se con-sigue reducir el tamao de las bate-ras y se alarga su vida til.

Buffer de energa enascensoresLos ascensores presentan en generalunos perfiles de consumo bastanteequilibrados entre el movimiento desubida y el de bajada, gracias al usode los contrapesos. No obstante, pre-sentan una elevada demanda de po-tencia para la aceleracin de subida,as como unos elevados pulsos de re-generacin elctrica al frenar, espe-cialmente en la desaceleracin debajada. Esto supone, en primer lugar,un elevado requerimiento de dispo-nibilidad en la red de suministro, y enun segundo lugar, conlleva el uso deresistencias de frenado en el con-vertidor de frecuencia que controla

el motor, lo cual supone un elevadogasto energtico.

En el entorno actual en que la efi-ciencia energtica es un valor a con-siderar, se estn desarrollando lossistemas de control del motor queaprovechen la regeneracin elctri-ca. Dadas las dificultades que pre-sentan las comercializadoras frentea la re-inyeccin a la red elctrica, lasolucin ms viable es el almacena-miento de energa en el propio sis-tema. En este sentido, gracias a la su-perior densidad de potencia frente alas bateras, los ultracondensadoresson los dispositivos ms adecuadospara esta aplicacin.

Sistemas de transporte pesadoDe manera similar a los ascensores,los ultracondensadores se utilizanen sistemas de mayor potencia comolos ferrocarriles, tranvas, o incluso

autobuses o vehculos elctricosExisten numerosos ejemplos de

proyectos en este sentido, en quelos ultracondensadores han sido tes-tados y han demostrado su validez.Como ejemplo, en la ciudad de Hei-delberg (Alemania), los trenes lige-ros con la tecnologa Mitrac EnergySaver de Bombardier, llevan fun-cionando en rgimen normal detransporte de pasajeros desde el ao2003, y han experimentado un aho-rro en el consumo elctrico de has-ta un 30%.

En otras muchas ciudades se de-sarrollan proyectos parecidos conautobuses o tranvas, obteniendo re-sultados satisfactorios. Una conse-cuencia interesante del uso de estatecnologa es que permite suministrarenerga a un tranva para recorrerun tramo del trayecto sin necesidadde catenaria, como por ejemplo alcruzar una plaza o pasar por delan-te de monumentos o edificios hist-ricos.

Al nivel de vehculos de transpor-te privado, existen algunos proyec-tos de desarrollo de vehculos elc-tricos o elctricos hbridos quecombinan las bateras con los ultra-condensadores. Los ultracondensa-dores permiten suministrar grandespulsos de energa en cortos interva-los de tiempo, actuando como bufferde energa, mientras que las bate-ras almacenan mayor cantidad deenerga. De esta forma, se puede re-ducir el volumen (y peso) de las ba-teras, adems de aumentar su vidatil y reducir el tiempo de carga delas bateras.

Compensacin de cadade tensin en redes dedistribucin dbilesLas redes de distribucin en co-rriente continua (como pueden serlas lneas ferroviarias del ejemploanterior) son especialmente sensi-bles a las cadas de tensin que sepueden producir en ciertos casos(por ejemplo, cuando dos trenesarrancan a la vez desde un mismopunto). Estos fallos se pueden com-pensar mediante la instalacin desubestaciones de compensacin,formadas por bancos de ultracon-densadores y su correspondiente

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Fabricante U nom C (F) RESRDC RC Emax Pmax Peso Volumen(V) (mOhm) (seg) (Wh/kg) (W/kg) (g) (ml)

Maxwell 15 58 19 1,10 3,63 11200 0,566 0,566Maxwell 48,6 165 7,1 1,17 3,81 7900 14,2 12,6Maxwell 75 94 12,5 1,18 3,00 4592 24,5 28,6Maxwell 125 63 18 1,13 2,53 4700 59,5 85,8Nesscap 17,5 57 21 1,20 1,62 2431 1,5 1,30Nesscap 45 94 9 0,85 2,40 5114 11 8,22Nesscap 90 2,8 320 0,90 1,85 3722 1,7 3,05Nesscap 340 51 19 0,97 2,13 3961 384 415,5WIMA 14 110 7 0,77 1,5 4118 1,7 1,5WIMA 28 55 14 0,77 1,5 4118 3,4 3WIMA 14 200 14 2,80 2,5 1591 2,2 2,2

n Resumen de caractersticas de diversos ultracondensadores. Fuente: elaboracin pro-pia a partir de datos obtenidos de catlogos.

n Diversos ultracondensadores del fabricante Maxwell. En la imagen: mdulo BMOD0165(165F y 48V), mdulo BMOD0500 (500F y 16V), mdulo BPAK0058 (58F y 15V), BCAP3000(3000F), BCAP0350 (350F).

convertidor encargado de regularlos flujos de energa, en los finalesde lnea de las redes dbiles.

Sistemas de alimentacinininterrumpidaAun a pesar de su baja densidad deenerga comparados con las bateras,los ultracondensadores pueden seraplicados en sistemas de alimentacinininterrumpida (SAI). La idea no esalcanzar grandes periodos de auto-noma, sino ms bien proporcionarenerga durante un corto periodo detiempo, suficiente para detener unproceso crtico de manera segura.Por ejemplo, en sistemas informti-cos, redes de suministro crticas, etc.

Energas renovablesLa combinacin de los ultraconden-sadores con las fuentes de energarenovables o limpias supone un inte-

resante campo de aplicacin, espe-cialmente en la situacin actual de cri-sis energtica y medioambiental.

Un ejemplo es la combinacin delos ultracondensadores con las pilasde combustible. Las pilas de com-bustible producen energa elctricaa partir del hidrgeno, de una maneralimpia y bastante eficiente. Por estemotivo pueden suponer una opcinde futuro, tanto en la generacinelctrica de pequea potencia (mi-crogeneracin o generacin distri-buida), como aplicadas a los vehcu-los elctricos o elctricos hbridos. Noobstante, uno de los problemas quepresentan las pilas de combustiblecomo fuente de energa elctrica esla lenta respuesta dinmica de s-tas, que hace necesario un sistema ca-paz de proporcionar pulsos de ener-ga para mantener la estabilidad delsuministro. En ese punto es donde los

ultracondensadores, con su caracte-rstica de actuar como buffer de ener-ga, y junto con la electrnica de po-tencia, pueden ser la solucin.

Otro caso, aunque con una finali-dad diferente, es el uso de ultracon-densadores como fuente de alimen-tacin para los sistemas de control dengulo de pitch en aerogenerado-res. Los aerogeneradores con estatecnologa incorporan un servomotoren cada aspa encargado de contro-lar el ngulo de incidencia de la palacon el viento (o ngulo de pitch).Comnmente, se utilizan baterascomo fuente de energa de emer-gencia para estos sistemas. Debido alconsumo requerido, las bateras hande ser sobredimensionadas para po-der suministrar los elevados pulsosde energa, aunque stos se produz-can durante un corto intervalo detiempo. Adems de este hecho, el li-mitado ciclo de vida de las baterascombinado con la inaccesibilidad delos aerogeneradores, eleva los costesde mantenimiento. Por estos motivos,actualmente se desarrollan los sis-temas de ultracondensadores comosustituto a las bateras como fuentede alimentacin de emergencia paralos sistemas de control de pitch enlos nuevos aerogeneradores.

Ricardo Riazor(CITCEA-UPC)www.citcea.upc.eduJosep Rafecas(CINERGIA)www.cinergia.coopAntoni Sudri(IREC-UPC)www.irec.cat

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Sistemas de almacenamiento de energa

n Tren ligero de Bombardier que incorpora el sistema Mitrac Energy Saver, el cual utilizaultracondensadores para el almacenamiento de energa.