Ultrakondensatory, zwane również superkondensatorami lub kondensatorami dwuwarstwowymi (EDLC), działają trochę jak akumulatory, ponieważ przechowują ładunek elektryczny. Ogniwa chemiczne wykorzystują do przechowywania i uwalniania ładunku elektrycznego reakcje chemiczne, zaś kondensatory przechowują energię w polu elektrycznym, więc – teoretycznie – ich trwałość jest znacznie większa.
Kondensatory mogą przechwytywać i uwalniać energię bardzo szybko, dzięki czemu osiągają bardzo dużą gęstość mocy, odnoszącą się do możliwości poboru/oddawania mocy na jednostkę masy. Wyobraźmy sobie samochód elektryczny z superkondensatorami zamiast baterii akumulatorów – ekspresowe ładowanie i duża moc, ale… no, właśnie – fatalna gęstość gromadzonej energii wyrażana w ich pojemności roboczej. Bateria litowo-jonowa w autach Tesli może przechować ponad 35 razy więcej energii niż najlepsze superkondensatory, które z kolei dają 60-krotnie większą gęstość mocy i milion potencjalnych cykli ładowania. A więc coś za coś, a jest o co walczyć.
Firma Skeleton planuje wkrótce wprowadzić na rynek superkondensatory SkelCap, które dzięki wykorzystaniu grafenu zapewnią dwukrotny wzrost gęstości energii. Nadal będzie to jednak tylko 15 Wh/kg masy przy 260 Wh/kg w autach Tesli. Cała nadzieja w dalszych badaniach nad użyciem w superkondensatorach grafenu nowej generacji. Grafen, który makroskopowo jest po prostu czarnym proszkiem, ujawnia całe swe bogactwo pod silnym mikroskopem. Można wówczas dostrzec uporządkowaną, sześciokątną, płaską strukturę węgla, układającą się w formie arkusza. Ten arkusz udało się firmie Skeleton zakrzywić, tworząc strukturę przypominającą pogniecioną kartkę papieru. Ma to pozwolić po raz kolejny podwoić gęstość energii oraz zmniejszyć straty cieplne. Zgodnie z informacjami medialnymi spółki, koszty
masowej produkcji grafenu nowej generacji mają być bardzo konkurencyjne i nie będą wymagały użycia w procesie grafitu, wydobywanego głównie w Chinach i Australii.
Nowy grafen wymaga też nowego elektrolitu pozwalającego najlepiej wykorzystać jego właściwości. Dzięki temu nowe superkondensatory będą nadal mogły być ekspresowo ładowane i pracować w bardzo dużym zakresie temperatur. Jednak nie rozwiążą problemu niedostatecznego zapasu energii, tak potrzebnego w elektrycznych samochodach, chyba że zdecydujemy się zastosować baterię superkondensatorową o masie czterokrotnie większej od litowo-jonowej.
Pozostaje luka pomiędzy kondensatorami EDLC o czasie ładowania do 60 sekund i konwencjonalnymi bateriami, które potrzebują na to minimum 10-15 minut i to przy znacznie skróconej żywotności. Superkondensatory nowej generacji mogą za to stać się wydajnymi bateriami startowymi w sprzęcie profesjonalnym, np. autobusach, ciężarówkach i lokomotywach. Będą mogły przejąć też rolę tradycyjnego akumulatora kwasowo-ołowiowego, który nadal spoczywa w autach elektrycznych jako zasilanie licznych urządzeń pokładowych napięciem 12 V. To zresztą awaryjność tego elementu jest główną przyczyną unieruchomienia współczesnych samochodów spalinowych i elektrycznych.
Superkondensatory wpisują się też w politykę Unii Europejskiej, która będzie stopniowo dążyła do wyeliminowania baterii kwasowych z samochodów oraz stosowania w autach 48-woltowych sieci pokładowych współpracujących z alternatoro-rozrusznikiem, pozwalającym na elektryczne wspomaganie silnika spalinowego podczas dużego obciążenia lub okresową jazdę w trybie elektrycznym (system mikrohybrydowy). W praktyce, w zależności od przyjętego rozwiązania i wielkości baterii, daje to oszczędność spalania od kilku do kilkunastu procent. Co więcej, dzięki superkondensatorowi możliwe jest jeszcze efektywniejsze wykorzystanie systemów wspomagania przyspieszania, hamowania i odzyskiwania energii.
Ponadto superkondensatory mogą być znakomitym uzupełnieniem ogniw paliwowych w pojazdach wodorowych. Są one projektowane do pracy ciągłej z optymalną mocą. Dlatego we współczesnych pojazdach wodorowych ogniwa paliwowe wymagają backupu w postaci baterii akumulatorów, dostarczających brakującą moc lub gromadzących jej nadmiar. Szybkie zmiany generacji i zużycia energii u prosumentów, tak nielubiane przez firmy energetyczne, również mogą być „spłaszczane” dzięki buforowym superkondensatorom, które będą mogły jednocześnie odciążyć i wydłużyć żywotność domowych magazynów energii. W ten sposób walka pomiędzy dwiema technologiami przechowywania energii może się zmienić w symbiozę, która wykorzysta ich najsilniejsze cechy, jednocześnie minimalizując wpływ wad.
Krzysztof Hajdrowski
