Mejoras de las Condiciones de Almacenamiento de Energía a través de Bancos de Supercapacitores: Revisión Bibliográfica

Introducción

La industria eléctrica ha evolucionado de manera exponencial en las últimas décadas, automatizando la mayoría de los procesos y buscando reducir el impacto ambiental, brindando mayor control en los procesos industriales al desarrollar sistemas de respaldo de energía. Los sistemas de almacenamiento de energía se han convertido en temas novedosos de investigación, con la finalidad de producir y suministrar electricidad cuando se presentan periodos de desconexión de las redes convencionales o para mejorar la respuesta del sistema. Es importante resaltar que en el almacenamiento de la energía encontramos dos clasificaciones generales: medios directos como baterías y medios indirectos incluidos los Supercapacitores y capacitores convencionales. Estos sistemas se distinguen por el control de parámetros como densidad de energía y potencia, eficiencias en los ciclos de carga y descarga de la energía y los ciclos de vida de los sistemas de almacenamiento (Reveles, 2013).

Según investigaciones de Reveles (2013), no todos los dispositivos de almacenamiento son eficientes para todo tipo de sistemas, dado que “los parámetros fundamentales que tenemos que considerar son cuánta energía puede almacenar y qué tan rápido puede entregar dicha energía” (Reveles, 2013, p. 29).

La alta demanda de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica se ha convertido en una de las principales metas en materia de ciencia e ingeniería, buscando obtener sistemas de almacenamiento cada vez más eficientes y amigables con el medio ambiente. En las últimas décadas, el sistema de almacenamiento más utilizado han sido las baterías. Sin embargo, su impacto ambiental es muy elevado y no proporciona la eficiencia suficiente a los sistemas, debido a que sus ciclos de carga y descarga son menores en comparación con otros dispositivos y, además, no entregan las características de potencia que se necesitan en la mayoría de los casos.

Atribuido a lo anterior, comenzaron a analizarse alternativas mucho más eficientes como lo fue el uso de capacitores y el posterior desarrollo de los SC’s.

Los primeros son dispositivos formados por dos conductores y separados por una solución dieléctrica, con pH ácido; mientras que los segundos constan de dos electrodos porosos impregnados en un electrolito y aislados de contacto eléctrico por un papel separador; almacenan energía por el principio de doble capa electroquímica formada en la interface electrodo/electrolito, de los cuales centraremos la revisión. Los SC’s se clasifican en tres tipos: doble capa electroquímica (EDLC), pseudocapacitores (Ps) e híbridos (Olán et al., 2021).

Es imprescindible destacar que al contener características similares a las baterías, en lo que respecta al manejo de la energía, ha sido necesario el desarrollo de arreglos que ayuden a mejorar los parámetros eléctricos en los sistemas. A su vez, se han sometido a estudios el desarrollo de Supercapacitores que utilicen como componentes biomasa, con la intención de aprovechar los desechos de ciertos productos como el coco, café, cacao, bambú y arroz, proponiendo así estrategias de almacenamiento novedosas y con un reducido impacto ambiental en consideración a los comerciales.

El objetivo de este documento de revisión bibliográfica es presentar el desarrollo de nuevas tecnologías y mejoras para el almacenamiento de energía, así como su impacto ambiental comparadas con las baterías convencionales, documentando información acerca de los supercapacitores apoyándose en los estudios de otros autores plasmados en artículos y tesis.

Sistemas de almacenamiento de energía

Los sistemas de almacenamiento de energía se caracterizan por la cantidad de energía que almacenan, la potencia máxima que suministran y los tiempos de respuesta de los procesos de carga/descarga relacionados con su funcionamiento, como se muestra en la Tabla 1. Atendiendo a estos parámetros se puede hablar de sistemas de almacenamiento a gran escala, sistemas de distribución y sistemas de potencia (Díaz, 2016).

Supercapacitores

Los supercapacitores son dispositivos de almacenamiento de energía que se han convertido en un foco de atención para la ciencia, esto debido a que muestran una mayor eficiencia al suministrar energía eléctrica y proveer alimentación a diversos sistemas, basado en fuerzas electrostáticas (Olán et al., 2021). Estos dispositivos contienen dos electrodos sumergidos en un electrólito separados por un material semipermeable, en la búsqueda de reducir la presencia de cortocircuitos sin afectar el traslado de los iones del medio electrolítico (Figura 1). Cuando se les aplica una diferencia de potencial se crea una diferencia de densidad de carga entre sus placas y los iones migran hacia la superficie de los electrodos adsorbiéndose en la región interfacial. No obstante, es importante mencionar que estos dispositivos requieren electrodos fabricados con materiales de elevada área específica, de forma que aumente la capacidad de acumular carga, además de una estructura porosa que brinde mayor área superficial y facilite las condiciones de desplazamiento de los iones en el electrolito (Olán, 2020).

Estos dispositivos están formados en su mayoría de forma comercial de carbón activado que actúan como electrodos, los cuales se polarizan y están separados por un ion-permeable que separa los electrodos en la búsqueda de evitar la presencia de corto circuitos entre las placas; además contiene una solución electrolítica formando una distribución de carga a lo largo de la superficie de contacto entre el carbón y el electrolito (Muñoz, 2020).

Un detalle a considerar respecto a los SC’s como sistemas de almacenamiento es que la extracción de energía en estos dispositivos es más exigente en comparación de las baterías; esto debido a que cuando los SC’s han entregado solo el 75 % de su energía, su voltaje ya ha disminuido al 50 %. Aunque el SC tiene una mayor densidad de potencia, un ciclo de vida más prolongado y una mayor eficiencia de descarga/carga que una batería, un tiempo de carga más rápido, una ventana de temperatura de operación más amplia y una resistencia interna más baja, pero debido a su baja densidad de potencia, reportan una eficiencia máxima de utilización de energía solo del 75% (Reveles-Miranda et al., 2017).

De acuerdo con diversos estudios mostrados en la Tabla 3, el material del electrodo activo en el electrodo procesado es el principal factor que influye en el rendimiento del SC. Se han examinado de tres tipos de materiales de electrodos activos para SC’s.

En el estudio de los supercapacitores se han establecido clasificaciones según el electrodo que se emplea, principio de funcionamiento y diseño. Sin embargo, las más aceptadas son tres: supercapacitores de doble capa electroquímica (EDLCs), pseudocapacitores (Ps) y supercapacitores híbridos. Tal como se describe en la Figura 2.

“Los supercapacitores electroquímicos de doble capa eléctrica supercapacitores electroquímicos de doble capa eléctrica” (Segura y Remigio, 2016). Los SC’s de doble capa almacenan la carga mayormente mediante el efecto de la doble carga interfacial. En este sentido, este tipo de SC busca tener un área superficial lo más elevada posible para poder capturar una gran cantidad de iones en la interface electrodo-electrolito. Generalmente, cuanto mayor es el área superficial del electrodo, mayor es su capacidad de acumular carga. Sin embargo, esta superficie debe ser electroquímicamente accesible a los iones (Delgado, 2018). Aunque los EDLC’s son considerados dispositivos electroquímicos, no hay reacciones químicas, ya que están involucrados en el mecanismo de almacenamiento de energía. El mecanismo de almacenamiento de energía es un fenómeno físico y es altamente reversible. La Figura 3 muestra el esquema de un supercapacitor electroquímico de doble capa (Segura y Remigio, 2016).

“Por su parte, los SC´s que almacenan energía electroquímicamente son denominados pseudocapacitores, esto debido a que realizan reacción de óxido-reducción o redox reversibles en la superficie del electrodo.” (Segura y Remigio, 2016). En su mayoría están construidos con electrodos de óxidos metálicos como óxido de Rutenio (también se usa óxido de iridio, óxido de níquel o polímeros conductores); presentan poca eficiencia y tensiones por celda muy bajas debido al uso de electrolitos acuosos, además de ser costosos a nivel producción debido a su composición interna (Romero, 2009).

Otra clasificación relevante es la de los SC´s híbridos, también denominados asimétricos, definidos como dispositivos que combinan las pseudocapacitores con capacidades de doble capa, utilizando electrodos asimétricos. Es decir que, en un electrodo, la separación de carga ocurre debido a la formación de doble capa solamente (Yuan et al., 2012).

En la tabla 4 podemos apreciar las características específicas que poseen todos los SC´s que los diferencian de otros dispositivos de almacenamiento independientemente de su clasificación.

“El SC se puede utilizar para completar la capacidad de energía eléctrica de las baterías en numerosas aplicaciones. Se pueden utilizar para almacenar energía y proporcionar picos de demanda de potencia en sistemas electrónicos de potencia” (Reveles-Miranda et al., 2017).

Debido a las ventajas energéticas como disponibilidad para manejar altos valores de voltaje, corriente y temperatura; ciclos cortos de carga/descarga, disponibilidad de mantenimiento óptimo de manera sencilla. En adición a todo lo mencionado y como representación práctica de las cualidades antes mencionadas, a continuación se indican las aplicaciones más generalizadas de los supercapacitores:

La Figura 4 muestra aplicaciones de los SC´s en el sector industrial, en los cuales resulta más eficiente el uso de este tipo de sistemas de almacenamiento (Technologies, 2020).

Banco de supercapacitores

Un banco de capacitores es un equipo eléctrico de estructura metálica que contiene en su interior dos o más capacitores idénticos y agrupados de forma fija (Figura 5). No obstante, este tipo de sistemas hace uso de diversos arreglos con los cuales podemos potenciar diversos parámetros eléctricos en función de las especificaciones de los SC´s que estemos empleando (Domínguez, 2012).

Son utilizados en la corrección del factor de potencia (el cociente de la relación de la potencia activa entre la potencia aparente) de un entorno comercial o industrial que utilizan varios motores eléctricos y transformadores. Es importante este primer punto, ya que en la industria si no se corrige el factor de potencia, puede existir una penalización y un efecto negativo en el funcionamiento de los sistemas, como se muestra en la Tabla 5 de manera detallada: características, tipos de capacitores y cuáles son los más utilizados de este mismo (García, 2022).

En función de las necesidades, se realizan conexiones en serie, paralelo o mixtas. La conexión en serie de un supercapacitor se realiza conectando un conjunto de la parte negativa con la parte positiva de un capacitor. Cuando se requiere un voltaje nominal mayor de un supercapacitor es necesario realizar una conexión en serie ya que el voltaje total es la suma de cada uno de los supercapacitores y la corriente es igual en cada uno. Una desventaja al usar la conexión en serie es que la capacitancia disminuye (Tabla 7a). Por su parte, al aplicar una conexión en paralelo, la capacitancia de cada supercapacitor se suma (Tabla 7b); el voltaje es igual al de un solo supercapacitor y la corriente se suma (Tippens et al., 2007). Finalmente, se debe considerar que para realizar un arreglo de supercapacitores para una aplicación con mayor demanda de voltaje y que, al mismo tiempo mantenga su capacitancia (Tabla 7c), es necesario realizar una conexión mixta, o sea, conectar capacitores tanto en serie como en paralelo (Escribano, 2020).

Matriz de conmutación

Una matriz de conmutación es un circuito el cual implica tener todos los niveles de un banco de supercapacitores (SCB) y controlar los cambios entre los niveles del banco, con el fin de aprovechar las características de los SC’s (Tabla 8).

Conclusión

En la industria actual se ha considerado de vital importancia el desarrollo de nuevas tecnologías de almacenamiento energético propiciado por la creciente automatización de los sistemas de producción; debido a que este tipo de sistemas requieren que los dispositivos estén correctamente alimentados eléctricamente, y a su vez, entreguen las características eléctricas necesarias para garantizar que el proceso se lleve a cabo de manera correcta como potencia, tiempos de carga/descarga y amperaje. Los SC´s representan una alternativa de solución en materia de almacenamiento de energía, debido a que son dispositivos más estables a comparación de las baterías convencionales, y gracias a diversos estudios se han propuesto configuraciones que les permiten conservar los parámetros eléctricos como voltaje, potencia, amperaje y mejores condiciones en los ciclos de carga/descarga; aunado a esto, el carbón activado que compone los electrodos de los SC´s puede estar elaborado de biomasa (coco, cacao, bambú, café y arroz), lo que representaría una alternativa amigable con el ambiente y con un ciclo de vida mayor comparado a los comerciales. Dentro de las mejoras que se proponen con el uso de SC´s encontramos el desarrollo de bancos de supercapacitores, definidos como una serie de SC´s conectados entre sí por arreglos eléctricos (serie, paralelo o mixto) que permiten mejorar los parámetros de voltaje y amperaje, estabilizando los sistemas, a modo de potenciar los parámetros eléctricos. Sin embargo, estos bancos requieren de control de acuerdo a sus aplicaciones; a partir de lo cual se presentan las matrices de conmutación, también conocidas como matrices de cambio, estas tienen la particularidad de permitir cambiar los parámetros entregados de acuerdo a las necesidades del sistema que se está alimentando; este es un tema que se encuentra en desarrollo de investigación y propone cambios revolucionarios para la industria eléctrica.

Referencias