Mogu li superkondenzatori zamijeniti baterije u električnim vozilima?

Električni automobili i hibridi čvrsto su ukorijenjeni u svijesti modernog automobilista kao nova runda u evoluciji vozila. U usporedbi s modelima opremljenim ICE-om, ova vozila imaju svoje prednosti i nedostatke.

Prednosti uvijek uključuju tih rad, kao i odsutnost onečišćenja tijekom vožnje (iako danas proizvodnja jedne baterije za električni automobil zagađuje okoliš više od 30 godina rada jednog dizelskog motora).

Glavni nedostatak električnih vozila je potreba za punjenjem baterije. S tim u vezi, vodeći proizvođači automobila razvijaju razne mogućnosti kako povećati vijek trajanja baterije i povećati interval između punjenja. Jedna od tih mogućnosti je upotreba superkondenzatora.

Razmotrite ovu tehnologiju na primjeru nove automobilske industrije - Lamborghini Sian. Koje su prednosti i nedostaci ovog razvoja?

Novo na tržištu električnih vozila

Kad Lamborghini počne izvoditi hibrid, možete biti sigurni da to neće biti samo snažnija verzija Toyote Prius.

Sian, prvijenac talijanske tvrtke za elektrifikaciju, prvi je serijski hibridni automobil (nevjerojatnih 63) koji je umjesto litij-ionskih baterija koristio superkondenzatore.

Mnogi fizičari i inženjeri vjeruju da drže ključ masivne električne mobilnosti, a ne litij-ionske baterije. Sian ih koristi za pohranu električne energije i po potrebi napaja je svojim malim električnim motorom.

Prednosti superkondenzatora

Superkondenzatori se pune i oslobađaju energiju mnogo brže od većine modernih baterija. Uz to, mogu podnijeti znatno više ciklusa punjenja i pražnjenja bez gubitka kapaciteta.

U slučaju Siana, superkondenzator pogoni električni motor snage 25 kilovata koji je ugrađen u mjenjač. Može pružiti dodatni poticaj 6,5-litrenom V12 motoru s unutarnjim izgaranjem od 785 konjskih snaga ili samostalno voziti sportski automobil tijekom manevriranja malim brzinama, poput parkiranja.

Budući da je punjenje vrlo brzo, ovaj hibrid ne treba priključiti u zidnu utičnicu ili stanicu za punjenje. Superkondenzatori se potpuno napune svaki put kad vozilo zakoči. Hibridni akumulatori također imaju povrat energije kočenja, ali je spor i samo djelomično pomaže u proširenju električnog dometa.

Superkondenzator ima još jedan vrlo veliki adut: težinu. U Lamborghiniju Sianu cijeli sustav – električni motor plus kondenzator – dodaje težini samo 34 kilograma. U ovom slučaju, povećanje snage je 33,5 konjskih snaga. Usporedbe radi, sama baterija Renault Zoe (sa 136 konjskih snaga) teži oko 400 kg.

Mane superkondenzatora

Naravno, superkondenzatori imaju i nedostatke u usporedbi s baterijama. S vremenom mnogo gore akumuliraju energiju - ako Sian nije jahao tjedan dana, u kondenzatoru više nema energije. Ali postoje i moguća rješenja za ovaj problem. Lamborghini surađuje s Massachusetts Institute of Technology (MIT) na stvaranju čisto električnog modela temeljenog na superkondenzatorima, poznatog koncepta Terzo Millenio (Treći milenij).

BST

Inače, Lamborghini, koji je pod okriljem Volkswagen koncerna, nije jedina tvrtka koja eksperimentira na ovom području. Hibridni modeli Peugeota već godinama koriste superkondenzatore, kao i Toyotini i Hondini modeli na vodikove gorive ćelije. Kineski i korejski proizvođači ugrađuju ih u električne autobuse i kamione. A prošle je godine Tesla kupio Maxwell Electronics, jednog od najvećih svjetskih proizvođača superkondenzatora, što je siguran znak da barem Elon Musk vjeruje u budućnost tehnologije.

7 ključnih činjenica za razumijevanje superkondenzatora

1 Kako rade baterije

Tehnologija baterija jedna je od stvari koje smo dugo uzimali zdravo za gotovo ne razmišljajući o tome kako funkcionira. Većina ljudi zamišlja da prilikom punjenja jednostavno “ulijemo” struju u bateriju, kao vodu u čašu.

Ali baterija ne skladišti električnu energiju izravno, već je samo stvara kada je to potrebno kemijskom reakcijom između dviju elektroda i tekućine (najčešće) koja ih razdvaja, a zove se elektrolit. U ovoj se reakciji kemikalije u njoj pretvaraju u druge. Tijekom ovog procesa stvara se električna energija. Kada se potpuno pretvore, reakcija prestaje - baterija se isprazni.

Međutim, kod punjivih baterija reakcija se može dogoditi i u suprotnom smjeru – kada je punite, energija pokreće obrnuti proces, koji vraća izvorne kemikalije. Ovo se može ponoviti stotine ili tisuće puta, ali neizbježno postoje gubici. Tijekom vremena, parazitne tvari se nakupljaju na elektrodama, pa je trajanje baterije ograničeno (obično 3000 do 5000 ciklusa).

2 Kako rade kondenzatori

U kondenzatoru se ne odvijaju kemijske reakcije. Pozitivne i negativne naboje generira isključivo statički elektricitet. Unutar kondenzatora nalaze se dvije vodljive metalne ploče odvojene izolacijskim materijalom nazvanim dielektrikom.

Punjenje je vrlo slično trljanju kuglice u vuneni džemper tako da se lijepi statičkim elektricitetom. Pozitivni i negativni naboji nakupljaju se u pločama, a separator između njih, koji sprječava njihov kontakt, zapravo je sredstvo za spremanje energije. Kondenzator se može napuniti i isprazniti čak milijun puta bez gubitka kapaciteta.

3 Što su superkondenzatori

Konvencionalni kondenzatori su premali za pohranjivanje energije - obično se mjere u mikrofaradima (milijuni farada). Zbog toga su 1950-ih izumljeni superkondenzatori. U njihovim najvećim industrijskim varijantama, koje proizvode tvrtke poput Maxwell Technologies, kapacitet doseže nekoliko tisuća farada, odnosno 10-20% kapaciteta litij-ionske baterije.

4 Kako rade superkondenzatori

Za razliku od konvencionalnih kondenzatora, nema dielektrika. Umjesto toga, dvije su ploče uronjene u elektrolit i odvojene vrlo tankim izolacijskim slojem. Kapacitet superkondenzatora zapravo se povećava kako se površina ovih ploča povećava, a udaljenost između njih smanjuje. Kako bi se povećala površina, trenutno su obložene poroznim materijalima kao što su ugljikove nanocijevi (toliko malene da ih 10 milijardi stane u jedan kvadratni cm). Separator može biti debljine samo jedne molekule sa slojem grafena.

Da biste razumjeli razliku, najbolje je električnu energiju smatrati vodom. Jednostavni kondenzator tada bi bio poput papirnatog ručnika koji može apsorbirati ograničenu količinu. Superkondenzator je kuhinjska spužva u primjeru.

5 baterija: prednosti i nedostaci

Baterije imaju jednu značajnu prednost - visoku gustoću energije, što im omogućuje skladištenje relativno velikih količina energije u malom spremniku.

Međutim, oni također imaju mnoge nedostatke - veliku težinu, ograničen vijek trajanja, sporo punjenje i relativno sporo oslobađanje energije. Osim toga, za njihovu proizvodnju koriste se otrovni metali i druge opasne tvari. Baterije su učinkovite samo u uskom temperaturnom rasponu, pa ih je često potrebno hladiti ili grijati, smanjujući njihovu visoku učinkovitost.

6 superkondenzatora: prednosti i nedostatke

Superkondenzatori su puno lakši od baterija, vijek im je neusporedivo dulji, ne zahtijevaju nikakve opasne tvari, pune se i otpuštaju energiju gotovo trenutno. Budući da nemaju gotovo nikakav unutarnji otpor, ne troše energiju za funkcioniranje - učinkovitost im je 97-98%. Superkondenzatori rade bez značajnih odstupanja u cijelom rasponu od -40 do +65 stupnjeva Celzijusa.

Mana je što spremaju znatno manje energije od litij-ionskih baterija.

7 Novi sadržaj

Čak i najnapredniji moderni superkondenzatori ne mogu u potpunosti zamijeniti baterije u električnim vozilima. Ali mnogi znanstvenici i privatne tvrtke rade na njihovom poboljšanju. Primjerice, u Velikoj Britaniji Superdielectrics radi s materijalom izvorno razvijenim za proizvodnju kontaktnih leća.

Skeleton Technologies radi s grafenom, alotropnim oblikom ugljika. Jedan sloj debljine jednog atoma 100 je puta jači od čelika visoke čvrstoće, a samo 1 gram može pokriti 2000 četvornih metara. Tvrtka je ugradila grafenske superkondenzatore u konvencionalna dizelska kombija i postigla 32% uštede goriva.

Unatoč činjenici da superkondenzatori ne mogu u potpunosti zamijeniti baterije, danas postoji pozitivan trend u razvoju ove tehnologije.

Pitanja i odgovori:

Kako radi superkondenzator? Radi na isti način kao kondenzator velikog kapaciteta. U njemu se elektricitet nakuplja zbog statike tijekom polarizacije elektrolita. Iako se radi o elektrokemijskom uređaju, kemijska reakcija se ne odvija.

Čemu služi superkondenzator? Superkondenzatori se koriste za pohranu energije, pokretanja motora, u hibridnim vozilima, kao izvori kratkotrajne struje.

Po čemu se superkondenzator razlikuje od različitih vrsta baterija? Baterija je sposobna generirati električnu energiju sama putem kemijske reakcije. Superkondenzator samo akumulira oslobođenu energiju.

Gdje se koristi superkondenzator? Kondenzatori malog kapaciteta koriste se u bljeskalicama (potpuno ispražnjenim) iu bilo kojem sustavu koji zahtijeva veliki broj ciklusa pražnjenja/punjenja.