Estate: fa caldo. Inverno: fa freddo.
Spendiamo energia per rinfrescarci in un caso e per riscaldarci nell'altro.
Sarebbe comodo poter immagazzinare da qualche parte l'energia dell'estate da usare in inverno per mitigarne il rigore.
Qualcuno ha pensato di utilizzare delle grandi riserve d'acqua in contenitori isolati: riserve da riscaldare con il sole nei mesi estivi e da utilizzare poi in quelli invernali.
A parte questi metodi drastici, il problema di immagazzinare l'energia in modo efficiente, per poterla utilizzare successivamente è una questione di fatto ancora irrisolta.
Le batterie ricaricabili convenzionali sono una soluzione di un certo rispetto ma l'efficienza di accumulo (ossia il rapporto tra l'energia impiegata a caricare l'elemento e quella restituita durante la scarica) varia inizialmente tra il 75% e l'85%, per diminuire progressivamente ad ogni ciclo. Questo perché c'è di mezzo una reazione che trasforma l'energia immagazzinata in un legame chimico la cui scissione successiva ne restituisce solo una parte.
Le batterie normalmente utilizzate sono quelle al piombo in soluzione acida, quelle Nichel-metallo idrato (NiMH) e quelle, molto popolari, al Litio.
Questi sistemi di accumulo si basano sulla realizzazione o sulla modifica di legami chimici solo parzialmente reversibili.
Le conseguenze sono un invecchiamento del dispositivo con l'utilizzo ed un progressivo decadimento delle prestazioni.
Il numero di cicli di carica/scarica può variare da qualche centinaio fino ad un migliaio ma inesorabilmente dopo un certo tempo occorre provvedere alla sostituzione dell'elemento.
Inoltre per alcuni accumulatori esiste un problema di compatibilità e sostenibilità ambientale. Ad esempio il piombo è estremamente tossico mentre il Litio è un elemento destinato ad esaurirsi.
La fame di un accumulatore ideale sta crescendo anche in prospettiva dell'utilizzo per l'auto elettrica.
Da qualche tempo si è affacciata sulla scena una nuova tecnologia: quella dei cosiddetti SUPERCAPACITORI. Si tratta di condensatori convenzionali che si basano sul principio dell'accumulo dell'energia per via elettrostatica, ma che hanno valori di capacità ESTREMAMENTE elevati.
I valori di capacità normalmente utilizzati in elettronica coprono 10 decadi e partono da qualche decimo di millesimo di miliardesimo di Farad (F=unità di misura della capacità) fino a qualche decina di millesimi di Farad. É un record di dinamica.
Ma anche i condensatori convenzionali di valore più elevato non riescono ad accumulare sufficiente energia per gli usi richiesti nelle applicazioni a batteria.
Un piccolo esempio può chiarire le idee.
La batteria del nostro cellulare ha una capacità che si misura in Ampere*ora (Ah). Una batteria al Litio da
2Ah può fornire una corrente di 2Ampere (A) per un'ora prima di esaurire la sua carica. Se la corrente richiesta scende a 1A allora la durata sarà di 2 ore. Il prodotto Corrente*Tempo deve essere sempre 2, in questo caso.
Se la tensione media della batteria è di 3V, l'energia fornita durante la scarica sarà, approssimativamente, di:
V*I*t=3Volt x 2A x 60secondi x60minuti=
21600Joule
Un condensatore convenzionale da 10mF (10 millesimi di Farad, un valore decisamente grande) caricato a 10Volt, riesce ad accumulare un'energia pari a:
1/2*C*V^2=1/2*0.01F*(10Volt)^2 = 0.5Joule
quasi 50000 volte inferiore.
Sembra quindi che la
partita sia chiusa e che non ci siano argomenti a favore dell'uso dei condensatori come accumulatori di energia.
Qualcuno ricorderà che negli anni '80 esistevano solo i LED di colore rosso e che, piano piano, apparvero dapprima quelli di colore giallo e poi quelli di colore verde anche se con un'efficienza luminosa inferiore a quella dei led rossi. Si disse che non era fisicamente possibile ottenere LED di colore diverso poiché la lunghezza d'onda del blu non era compatibile con il meccanismo fisico di generazione della luce nel semiconduttore e quindi ci si sarebbe dovuti accontentare di usare solo questi tre colori. Non parliamo, ovviamente di ottenere LED bianchi visto che si sarebbe dovuto generare uno spettro di emissione largo e non a righe.
Questione chiusa.
Oggi, i LED bianchi (e quelli blu) sono più diffusi di quelli rossi ed hanno un'efficienza incomparabilmente più alta degli altri.
La cosa suona nello stesso modo: i condensatori (quelli elettrostatici) non potranno mai superare le prestazioni di accumulo di energia delle batterie. Punto.
Chi non sa che cos'è il
GRAFENE può consultare la relativa pagina di
Wikipedia e scoprire che nel 2010 (solo 6 anni fa) due ricercatori inglesi hanno ricevuto il premio Nobel per i loro studi su questa curiosa forma allotropica del
carbonio.
Il grafene, tra le mille incredibili proprietà che possiede, può essere organizzato in fogli dello spessore di un atomo, ha una conduttività migliore di quella dell'argento ed è il materiale meccanicamente più resistente mai realizzato: un'amaca di un metro quadrato di grafene riesce a sostenere un gatto di 4Kg ma ha un peso equivalente a quello di un baffo di quel gatto (0.7mg)!
Il grafene diventa quindi l'armatura ideale di un condensatore, in grado di accumulare energia in forma elettrostatica: estremamente sottile, conduttivo e meccanicamente stabile.
Dove arriviamo con il grafene applicato alla realizzazione dei condensatori?
Ricordate la legge di Moore per la tecnologia dei computer?: “il numero dei transistor impacchettati negli integrati raddoppia ogni due anni”.
Una legge incredibilmente esatta dal 1971 ad oggi.
Nel caso dei Supercap, dall'avvento del grafene, si assiste ad una progressione ancor più impressionante: nell'arco di un anno la capacità disponibile si è quasi DECUPLICATA!
Al momento in cui scrivo, la capacità si assesta a
10000 Farad per una tensione di lavoro massima di 2.8V.
In termini di energia immagazzinata si ottiene:
1/2*C*V^2= 0.5*10000*2.8^2 =
39200Joule
ossia superiore a quella immagazzinata da una batteria al Litio da 2Ah. Grazie all'assenza di un processo di accumulo elettrochimico ma solo elettrostatico, si raggiunge un'efficienza del 98%.
Tuttavia abbiamo ancora uno scoglio: una batteria al litio
pesa un decimo ed ha un volume
15 volte inferiore al supercap.
Ci si deve lavorare, ma non manca molto!
Occorre anche considerare che il grafene non soffre dei problemi di ecocompatibilità del piombo e di esaurimento delle scorte del Litio; inoltre un supercap sopporta
decine di migliaia di cicli di carica e scarica ed è in grado di erogare tutta l'energia in una frazione di secondo senza danneggiarsi.
I SUPERCAP, o una loro evoluzione, saranno certamente l'elemento di accumulo di energia del futuro.
Restate sintonizzati!
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Supercap (3500F) con il relativo circuito di controllo di carica, prima versione
Il prototipo di unità di accumulo (rev. 2) che ho progettato e realizzato con elementi da 7500F. Il sistema opera a 14V-3000F, 294KJ |
