JORNADA SOBRE EL GRAFENO 5 DE MARZO DE 2018 SUPERCONDENSADORES: ESTADO DEL ARTE, APLICACIONES Y RETOS TECNOLÓGICOS

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1 JORNADA SOBRE EL GRAFENO 5 DE MARZO DE 2018 SUPERCONDENSADORES: ESTADO DEL ARTE, APLICACIONES Y RETOS TECNOLÓGICOS Marcos Lafoz Pastor Unidad de Sistemas Eléctricos de Potencia División de Ingeniería Eléctrica Departamento de Tecnología

2 E 1 2 C U Ejemplo: Un ultracondensador de Maxwell 2700F, 2.5V (para 625A) en celda de 725g y 0.6l. 2 E C U kJ 2. 3Wh 2 2 Supercondensadores: Estado del arte, 1. El supercondensador: Concepto y Características Condensador: dispositivo electrónico que almacena carga entre dos superficies conductoras (electrodos) separadas por una aislante. Un Supercondensador o Ultracondensador está formado por una muy elevada superficie equivalente de electrodos de carbono. También Electric Double-Layer Capacitor (EDLC). Fue patentado en 1957 por H. E. Becker, ingeniero de General Electric aunque su desarrollo industrial no ha llegado hasta los años 90. NOTA: Ojo!, la capacidad no es lineal Conseguir esta capacidad en términos de d y A de un condensador electrolítico de doble capa: d 3. 5nm 5 2 A m 36ha 2

3 1. El supercondensador: Concepto y Características Es habitual la comparativa de supercondensadores y baterías de Litio Li-ion Battery Supercapacitor Gravimetric energy (Wh/kg) Volumetric energy (Wh/L) Power density (W/kg) 1,500 3,000-40,000 Voltage of a cell (V) ESR (mω) Efficiency (%) Cyclability 500-1, ,000-10,000,000 No son competencia, hay que buscar la aplicación más adecuada para cada uno. Incluso son complementarios. Self-discharge (% per month) Charge Tª 0 to 45 C -40 to 65 C Discharge Tª -20 to 60 C -40 to 65 C Cost per kwh 200-1,000 10,000 3

4 1. El supercondensador: Concepto y Características Precios comparados Bat. Li-ion /W /Wh Supercaps /W /Wh Más interesantes para potencia que para energía 4

5 1. El supercondensador: Concepto y Características - Densidad de potencia elevada -> Se utilizará para potencia - Densidad de energía baja -> Rango de segundos y pocos minutos - Elevado número de ciclos -> En aplicaciones de muchos ciclos 5

6 1. El supercondensador: Cómo se conecta a su aplicación? V bat Baterías V sup Supercondensadores SoD SoD Opción básica de convertidor electrónico de potencia bidireccional para la conexión de supercondensadores Corriente en el lado de baja tensión Los supercondensadores tienen que tener un buen comportamiento ante las altas frecuencias (10kHz), Existe la alternativa de convertidores DC/DC con etapa intermedia de alterna para necesidades de aislamiento y saltos importantes de tensión 6

7 2. El supercondensador: Estado del arte Se pueden encontrar muchas compañías que se reparten hoy en día el mercado. Ioxus (USA) icap: 3150F, 2.85 V Estonia 3200F, 2.85 V Eaton 3000F, 2.7V LS (China) 3000F, 2.8 V 7

8 2. El supercondensador: Estado del arte Fabricante que basa su tecnología en grafeno curvado, en vez de en carbono activado. Parece que esta una de las claves para alcanzar una mayor densidad de energía. SKELETON module SkelMod 170V 53F CAN bus communication, Dynamic Active Cell Balancing, and IP66 Protection E= 765 kj (213kWh) P= = 85 kw Ojo, son máximos! 8

9 2. El supercondensador: Estado del arte C Tensión ESR Dens. P Dens. E Peso Vol. Celda SCA F 2.85 V 0.09 mohm 42 kw/kg 6.8 Wh/kg kg L Colocando 60 módulos en serie Módulo SMA170V53FAA 53 F 170 V 10 mohm 12 kw/kg 3.4 Wh/kg 63 kg 55.2 L Construir un módulo completo hace reducir la densidad de potencia y energía Resistencia en serie. 0.09x60=5.4 mohm, el resto hasta 10 mohm son pérdidas en las conexiones de unos módulos con otros. Pérdidas continuas: 200A son 400W de pérdidas continuas. 500A son 2.5kW 9

10 1. El supercondensador: Concepto y Características ASPECTOS DE FUNCIONAMIENTO A TENER EN CUENTA No conviene trabajar al límite máximo de tensión mucho tiempo (2.6 V para una celda de 2.7). Se produce una pérdida de capacidad Tendencia al desequilibrio entre tensiones de celdas conectadas en serie. Necesidad de ecualización (equilibrado de tensiones) Mayor desequilibrio entre tensiones cuando aumenta la temperatura Pérdida de capacidad a temperaturas excesivas (> 60ºC) La resistencia interna aumenta a temperaturas < 10ºC Totalmente necesario realizar un control de la temperatura en las celdas 10

11 Supercondensadores: Estado del arte, 1. El supercondensador: Concepto y Características Ecualización o limitación de la tensión en las celdas de supercondensadores Limitación a 2.6 V Jornada sobre el grafeno. 5 de marzo de

12 2. El supercondensador: Aplicaciones TRANSPORTE - Autobuses eléctricos - Arranque de grupos vehículos pesados (automóviles, camiones, maquinaria pesada y sistemas marítimos) - Reutilización de la energía en frenado regenerativo y asistencia a picos de consumo 12

13 2. El supercondensador: Aplicaciones en transporte por carretera Aplicación de supercondensadores para paradas del motor y posterior arranque (Ej. 50 paradas/hora de una duración media de 28 seg supone un ahorro de combustible y emisiones 8%. Motor Diesel D 0836 LOH Synchronous generator: 150 kw 2 asynchronous motors: 2 x 75 kw Supercondensadores: 200 kw, V Ningbo (China) Autobús con supercondensadores Carga rápida 10 segundos y tiene energía hasta la siguiente parada (11km, 24 paradas) MAN Lion's City Hybrid 13

14 2. El supercondensador: Aplicaciones en transporte ferroviario Almacenamiento estacionario, aprovechando la energía de frenado y utilizándola posteriormente en la aceleración. Almacenamiento a bordo, más eficiente. Utilizado para una mejor gestión energética y para cubrir espacios sin catenaria. 14

15 2. Aplicaciones. Ejemplo 1: Proyecto TRAIN2CAR Almacenamiento de energía aplicado a la gestión energética y la recarga de vehículos eléctricos Energy flow Se permite a los trenes hacer frenada regenerativa en vez de perder la energía en resistencias de frenado y utilizar esa energía para recarga rápida de vehículos Prototipo a escala reducida para demostrar la viabilidad del sistema y de la operación. Control Interface. Cargador rápido para vehículos eléctricos en la estación de metro de Sainz de Baranda (Madrid) 15

16 2. El supercondensador: Aplicaciones TRANSPORTE - Autobuses eléctricos - Arranque de grupos vehículos pesados (automóviles, camiones, maquinaria pesada y sistemas marítimos) - Reutilización de la energía en frenado regenerativo y asistencia a picos de consumo SISTEMAS DE POTENCIA (GENERACIÓN Y REDES ELÉCTRICAS) - Actuación del paso de pala en turbinas eólicas - Regulación de tensión y frecuencia - Compensación de oscilaciones en renovables - Reserva rodante en generación - Sistema de seguimiento en parques solares fotovoltaicos - Microrredes. 16

17 2. Aplicaciones. Ejemplo 2: Compensación de oscilaciones de potencia en covertidores de energía de las olas 17

18 2. El supercondensador: Aplicaciones TRANSPORTE - Autobuses eléctricos - Arranque de grupos vehículos pesados (automóviles, camiones, maquinaria pesada y sistemas marítimos) - Reutilización de la energía en frenado regenerativo y asistencia a picos de consumo SISTEMAS DE POTENCIA (GENERACIÓN Y REDES ELÉCTRICAS) - Actuación del paso de pala en turbinas eólicas - Regulación de tensión y frecuencia - Compensación de oscilaciones en renovables - Reserva rodante en generación - Sistema de seguimiento en parques solares fotovoltaicos - Microrredes. FÍSICA BÁSICA - Reactores de fusión - Aceleradores de partículas (aportes grandes de potencia sin afectar a la red) (recuperación de la energía aportada en los imanes) APLICACIONES INDUSTRIALES - Actuadores de emergencia de las puertas del Airbus A380 - Grúas y elevadores - Sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) - Hibridación con baterías 18

19 2. Aplicaciones. Ejemplo 3: Almacenamiento híbrido para sistemas híbridos de generación (SH2) Generación Híbrida = Renovable + Diésel (red aislada) Almacenamiento híbrido = Baterías + supercondensadores SH 2 Hibridación de supercondensadores y baterías para aumentar la vida útil de las baterías y mejorar la eficiencia del sistema 19

20 2. Aplicaciones. Ejemplo 3: Almacenamiento híbrido para sistemas híbridos de generación (SH2) PROTOTIPO Nº de ramas supercaps: 2 Nº Total de celdas: 256x2 = 512 P ULTRAS (I MAX =200A)= 128kW-266kW V INSTRUMENTACIÓN NECESARIA Medida de tensión, corriente y potencia totales (estado de carga) Medida de tensiones parciales para ecualización Medida de temperatura para activación de la refrigeración y detección de problemas 20

21 3. Retos Tecnológicos de los Supercondensadores Dónde deberíamos poner los esfuerzos en investigación? Más densidad de energía Mayor nivel de tensión por celda unitaria Mejor aislamiento para poder elevar la tensión Menor peso específico del material Reducir la resistencia interna del dispositivo Menores requerimientos de ecualización de celdas Mejorar la resistencia a altas temperaturas para aumentar el rango de aplicaciones y reducir la pérdida de capacidad Reducir los costes para ser más competitivos en los mercados de almacenamiento de energía 21

22 Si alguien quiere conocer más sobre esta tecnología, y sobre otras relacionadas con almacenamiento de energía, tanto a nivel teórico como práctico. GRACIAS POR VUESTRO INTERÉS marcos.lafoz@ciemat.es 22

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