Download het artikel in 
ENGINEERINGNET.BE - De supercondensator heeft immers een uitzonderlijk hoge energiedichtheid, in de meeste gevallen zelfs enkele ordes groter dan een elektrolytische condensator.
De supercondensator waarborgt een operationele spanning tussen 1 en 3 V, met inherent het potentieel voor een bijzonder grote energieopslag en een relatief korte oplaadtijd. Wat mobiele toepassingen, zoals automatisch geleide voertuigen (AGV’s), in beeld brengt.
Het Franse NAWATechnologies slaagde er in de energiedensiteit van de supercondensator te verdrievoudigen zonder de levensduur aan te tasten. “Dat hebben zij bewerkstelligd door de oppervlakte van de elektrodes te vergroten”, weet batterijonderzoeker Peter Coenen van onderzoekscentrum VITO in Mol.
“Terwijl in de meeste andere supercondensatoren grafiet gebruikt wordt, wat onvermijdelijk een vrij korrelige oppervlaktestructuur geeft en daarmee gepaard gaande, een groot actief oppervlak per cm² elektrode, heeft NAWATechnologies de grafiet geordend in VACNT: Vertically Aligned Carbon Nanotubes.”
“De supercondensator maakt gebruik van vochtig elektrolyt. Bijgevolg is er geen nood aan extra of dunnere windingen, andere materialen, bijzondere coatings of een bepaalde sturing van het battery management system.” De energie wordt op korte termijn aan de supercondensator verstrekt. Coenen: “Het opladen van de supercondensator is een elektrostatisch proces.
Het vindt plaats aan het oppervlak van de elektrode en dat oppervlak is op elk moment volledig beschikbaar. Maar het opladen van een batterij is en blijft een elektrochemisch proces waarbij materiaal zich dient te verplaatsen, zodat dit altijd even duurt. Een supercondensator kan in enkele tientallen seconden volledig opgeladen worden.”
Voor- en nadelen
Batterijen en condensatoren hebben elk hun voor- en nadelen. Een condensator kan minder energie opslaan dan een batterij, maar het vermogen is groter en de levensduur is langer. Condensatoren zijn daardoor prima geschikt om heel frequent korte tripjes te doen, bijvoorbeeld met hybride stadsbussen.
Telkens als de bus optrekt en afremt, wordt de condensator ontladen en weer opgeladen. Een condensator kan die cyclus ongeveer een miljoen keer volhouden. Een batterij kan meer energie opslaan maar gaat hooguit vijfduizend laadcycli mee.
HYDEALIST
Het KIC-project HYDEALIST, dat geïnspireerd is door NAWATechnologies, wil nu de voordelen van beide systemen samenbrengen. Binnen HYDEALIST staat VITO in voor de integratie van de supercondensator in Automated Guided Vehicles (AGV’s). “Het project loopt over drie jaar.
Tegen eind 2019 moeten er prototypes van supercondensatoren voor AGV’s beschikbaar zijn. Er is ook een commercieel plan om ze in vorkliften te gebruiken. Op termijn zijn er nog veel meer toepassingen denkbaar, zoals o.m. in veerboten, trams zonder bovenleiding, bouwkranen, elektrische voertuigen met een kleinere actieradius, powertools,...”
Het zou handig zijn wanneer de afremmingsenergie gerecupereerd kan worden om de supercondensator ‘snel’ te laden “maar de verwezenlijkte kinetische energie is evenredig met de snelheid in het kwadraat. En vermits dergelijke voertuigen niet zo snel rijden…”.
Met een vorkentoepassing zou ook de dalingsenergie (als lasten op de vorken/mast naar beneden komen) gebruikt kunnen worden “maar vaak hebben deze voertuigen hydraulische actuatoren. Recuperatie is in dat geval technisch onuitvoerbaar. De nieuwe ultracaps dichten wel de kloof tussen klassieke condensatoren en batterijen.”
Premium vermogensreserve
Supercondensatoren hebben een groot potentieel als premium vermogensreserve in een verscheidenheid aan energie- en energie-intensieve toepassingen in transport en elektriciteitsnetten.
De supercondensator kan gebruikt worden in combinatie met elektrochemische opslagsystemen, zoals de batterijen van verschillende chemische stoffen (lood-zuur, natrium-nikkelchloride of natrium-zwavel, nikkel-metaalhydride en zelfs lithiumgebaseerde systemen), of in een hybride configuratie waarbij de functies van energie en vermogen gemakkelijk gescheiden kunnen worden tussen de twee opslagapparaten en vervolgens geoptimaliseerd worden.
Vanaf wanneer worden supercapacitatoren financieel interessant? “Ze zullen in eerste instantie vergeleken worden met de klassieke ultracaps. Indien blijkt dat eerstgenoemden per opgeslagen Wh niet duurder zijn dan de klassieke, zullen de Franse supercondensatoren vast de markt veroveren, omdat de systemen op basis van NAWATechnologies beduidend kleiner zullen zijn.”
“De belangrijkste pluspunten van de supercondensator zijn de lange levensduur (tot 1M cycli) en het hoge vermogen. Het minpunt is de geringe energie die opgeslagen kan worden. Het verhogen van de energie-inhoud is dus een onderzoekstopic. Dat kan door het verhogen van het actieve oppervlak en/of door het verhogen van de klemspanning via doperen en/of door een verbeterde samenstelling van het elektrolyt”, besluit Peter Coenen.
Door Wouter Peeters
Kaderteksten
Dubbellaags
Het elektrisch dubbellaagse condensatoreffect werd in 1957 voor het eerst opgemerkt door technici van ‘General Electric’ tijdens experimenten met apparaten die een poreuze koolstofelektrode gebruikten. Naar verluidt veronderstelden de technici dat de energie werd opgeslagen in de koolstofporiën die ‘een uitzonderlijk hoge capaciteit’ vertoonden, hoewel het mechanisme op dat moment onbekend was. Onderzoekers van ‘Standard Oil of Ohio’ pikten in 1966 de draad weer op, nadat zij bij toeval het effect herontdekten tijdens het werken aan experimentele brandstofcelontwerpen. Hun ontwerp bestond uit twee lagen actieve kool, van elkaar gescheiden door een dunne poreuze isolator. Tot op heden blijft dit basale mechanische ontwerp de basis van de meeste dubbellaagse condensatoren.
Supercaps worden al langer ingezet in de logistiek
“In 2009 ging het project van start, van ‘scratch’. We deden alles zelf, van de modules en de convertor tot het batterijmanagementsysteem. Twee jaar later gingen we in serieproductie”, vertelt Andreas Kwiatkowski, projectleider voor de Hybrid RX70-truck van Still, die naast een dieselmotor een supercap batterijpak meekreeg. Die supercaps zorgen voor 20 à 25% minder brandstofverbruik. Aanvankelijk kwam het pack als een optie bij de heftrucks met een laadvermogen van 2,5 tot 3,5 ton. Maar al heel gauw waren ze deel van de standaarduitrusting wanneer klanten kozen voor de ‘gedownsizede’ VW dieselmotor. “Sedertdien heb ik er niks meer van gehoord, wat betekent dat er geen problemen mee waren.” Van dit type vorklift lopen er sindsdien zo’n 800 stuks per jaar van de band.
In een eerste fase werd de in de caps gerecupereerde remenergie bijna onmiddellijk weer opgeroepen om de dieselmotor bij de volgende startversnelling te ondersteunen. In een tweede fase gingen de caps ook het hefproces ondersteunen. De generator wordt daarbij als motor gebruikt en voegt koppel toe aan de dieselmotor om de hydraulische pomp te voeden. Er is nooit geprobeerd om energie uit het dalen van de vorken te halen. “Dat zou een andere hydrauliek vergen.” Wel laadt het onbelast draaien van de motor bij het dalen van de vorken de ultracaps.
Still koos toen voor supercaps en niet voor lithium ion omwille van de verhouding operationele levensduur/kostprijs én omdat er geen problemen mee waren. Het gaat om machines die om de 20 à 30 seconden remmen. Die remenergie wordt gerecupereerd. Tenzij ze overgedimensioneerd werden, konden lithiumbatterijen dat aantal snelle cycli niet aan. “De supercaps zijn robuuster en kunnen de thermische stress wel aan. Bovendien zijn ze goedkoper.” De caps gaan ook het hele leven van de truck mee. Het duurt tienduizenden werkuren vooraleer ze op 80% van hun vermogen vallen. “Toen ze vier, vijf jaar op de markt waren, onderzochten we de modules en die beantwoordden perfect aan de verwachtingen.” (LDS)
