Inleiding
Ik heb op deze site regelmatig aandacht besteed aan opslag van energie in het algemeen en opslag van elektrische energie in het bijzonder. Zie o.a. https://www.bjmgerard.nl/voorstel-tot-campagne-energieopslag-in-mre-gebied/ en https://www.bjmgerard.nl/batterijopslag-ja-de-maatschappij-alleen-als-flappentap-nee/ en https://www.bjmgerard.nl/batterijen-regelsystemen-en-bedrijventerreinen-op-de-energiebeurs-in-den-bosch/ .
Er wordt in de wereld al decennia lang onderzoek gedaan naar een techniek die steeds meer complementair aan accu’s wordt, en steeds meer aan belang wint, namelijk supercondensatoren. Merkwaardig genoeg is dat begrip in Brainport blijkbaar onbekend. Althans, de Brainportsite kent de zoekterm ‘condensator’ of (op zijn Engels) ‘capacitor niet.
Bijvoorbeeld in Estland heeft de start-up Skeleton Tech ( https://www.skeletontech.com/ ) er inmiddels de unicorn-status mee bereikt. Op https://www.skeletontech.com/en/bus bijvoorbeeld wat een supercondensator voor bussen kan betekenen.
Aanleiding tot deze bijdrage is een artikel in Chemistry World van 22 juli 2024 ‘Fast charging supercapacitors’ van James Mitchell Crow. Dit geeft een overzicht over de stand van zaken op dit gebied. Zie chemistryworld.com_fast-charging-supercapacitors .
Even wat noodzakelijke techniek, maar zo weinig mogelijk
Een gewone condensator bestaat in zijn eenvoudigste vorm uit twee tegenover elkaar staande geleiders (‘elektroden’) met daartussen een dunne laag isolator. Je krijgt de ‘capaciteit’ van die condensator zo groot mogelijk door de platen een zo groot mogelijke oppervlakte te geven, de laag tussen beide zo dun mogelijk te maken en van een gunstig materiaal. Als je een + en -spanning op de platen aanbrengt, vinden er geen chemische reacties plaats, maar wordt er alleen maar lading verplaatst. Dat kan heel snel. Het tempo van opbouw en afbraak van spanning hangt van de instelling van het elektrische circuit af, waarin de condensator zit.
Dit schema kan op allerlei manieren doorontwikkeld worden. De oppervlakte van de elektrodes kan sterk vergroot worden met een poreus materiaal (bijvoorbeeld koolstof of de grafeenvariant daarvan). De ruimte tussen de platen kan gevuld worden met een vloeistof, waarin opgeloste ionen (die vormen dan bij beide elektrodes een hele dunne dubbellaag). Die kan zich aan een van beide elektroden batterijachtig gaan gedragen.
Zo begint een soort continuüm te ontstaan tussen condensatoren en batterijen. Tegen die tijd heet het een supercondensator.
Het voert op deze plaats te ver om hier dieper op in te gaan. Wie interesse heeft en zich niet laat afschrikken door specialistische kennis, kan op Wikipedia een uitgebreid lemma vinden (waaruit enkele afbeeldingen in dit artikel afkomstig zijn). Er zit ook een uitgebreid verhaal over toepassingen in, en dat is voor meer mensen te volgen. Zie https://nl.m.wikipedia.org/wiki/Supercondensator .
Een supercondensator heeft enkele specifieke voor- en nadelen.
Hij is in een mum van tijd vol, maar ook leeg (die mum wordt vooral bepaald door de elektrische schakeling waarin de condensator is opgenomen). De maximale spanning is (afhankelijk van het type) ruim 2V per cel, dus als men een bedrijfsspanning wil als in een elektrische auto (400V), moet men er een heleboel in serie zetten (wat kan).
En, belangrijk voordeel, een supercondensator gaat heel lang mee. Een Lithium-ion batterij begint na x-100 of enkele duizenden oplaadcycli te verslechteren, maar een supercondensator gaat makkelijk een miljoen cycli mee.
Opslagmachines voor elektrische energie worden beoordeeld op twee kernprincipes: hoeveel energie er in een constructie kan, en hoe snel die er in en uit kan. En dat in beide gevallen per kg constructie. Dit heet respectievelijk de energiedichtheid (in Watt-uur per kg) en de vermogensdichtheid (in Watt/kg). Een ouderwetse loodaccu in een auto zit bijvoorbeeld rond de 30Wh/kg, en voor het starten van de startmotor is een hoog vermogen nodig.
Het eerder genoemde continuüm loopt via de brandstofcel als ene uiterste (waarin de energie de vorm heeft van waterstof) die veel energie kan opslaan die er langzaam uitkomt, naar de Electric Double Layer Capacitor (EDLC) waar het omgekeerde het geval is, en daartussen in de accu’s. Een Lithium Ion capacitor is een supercondensator met batterij-achtige trekken en een energiedichtheid tot ca 20 Wh/kg.
De meeste tekst in het artikel van Crow gaat over het optimaliseren van supercondensatoren.
Toepassingen
Veel toepassingen van een supercondensator zitten in de sfeer van spannings- en stroompieken omhoog en omlaag, zoals bijvoorbeeld noodstroomvoorzieningen.
Stadsbussen kunnen profiteren van supercondensatoren. Crow meent te weten dat er veel stadsbussen rondrijden met alleen maar een supercondensator. Daar komt de bus maar enige tientallen kilometer mee vooruit (aldus Crow), maar een supercondensator kan in een paar minuten een heel eind opladen en dat zou bij de normale bushaltes kunnen met een stroomafnemer op de bus (een ’pantograaf’).
https://nl.wikipedia.org/wiki/Elektrische_bus meldt dat er experimenten gedaan zijn in den Haag en Utrecht met pantograafbussen die de bovenleiding van de tram gebruiken om in acht minuten weer voor 50km bij te tanken. Er wordt niet gemeld of de accu gecombineerd wordt met een supercondensator. Dit soort informatie is helaas schaars op Internet.
Een elektrische bus van Arriva van het type VDL Citea LLE-115 Electric in Sittard. De bus wordt opgeladen via een pantograaf.
Een combinatie van condensator en accu lijkt vaak logisch. Doordat supercondensatoren de extremen voorkomen, kunnen de accupakketten kleiner en lichter worden.
Supercondensatoren worden vaak gebruikt voor recuperatief remmen ( https://nl.wikipedia.org/wiki/Recuperatief_remmen ). Bij afremmen op de motor werkt deze tijdelijk als generator en levert elektrische energie terug. Een condensator is typisch geschikt voor dit soort snelle processen. Evenals voor de piek die nodig is bij het wegrijden.
Een vergelijkbare logica geldt bij tram en trein. Een tram (die normaliter geen accu heeft) kan een stukje zonder bovenleiding rijden). De bovenleiding hoeft dus op delen van het tracé (bijv. in oude stadskernen) niet aanwezig te zijn. Ook hier een afweging tussen accupakketten (die meer kunnen laden, maar minder snel) en condensatoren.
Een voorbeeldafweging in de context van regionale dieseltreinen van Siemens op https://www.forschungsinformationssystem.de/servlet/is/342917/ . Van belang is vooral hoe vaak de treinen stoppen en optrekken. Dit is wat Siemens er van maakt (Schwungrad is vliegwiel en Leistung is vermogen):
Formule 1-raceauto’s hebben een remenergie-terugwinsysteem ( https://nl.wikipedia.org/wiki/Kinetic_Energy_Recovery_System ).
Een draadloze schroevendraaier met supercondensatoren voor energieopslag werkt ongeveer de helft korter vergeleken met een accumodel, maar kan wel in 90 seconden volledig worden opgeladen en behoudt na drie maanden niet gebruikt te zijn nog 85% van de lading (aldus het technische Wikipedia-artikel). Aldus OhGizmo op https://web.archive.org/web/20120307121420/http://www.ohgizmo.com/2007/10/01/coleman-flashcell-cordless-screwdriver-recharges-in-just-90-seconds/ .
De website vermeldt dat het een goed idee is als je op los-vaste basis met de schroevendraaier klust, maar bijvoorbeeld niet als je uitgebreid wilt boren.
Het is typisch het soort afweging waar men met accu’s versus condensatoren tegen aan loopt.
