Κυριακή, 25 Αυγούστου 2013

Υπερπυκνωτές σαν εναλλακτική λύση για τις μπαταρίες.

Ultracapacitors.
Υπερπυκνωτές σαν αυτούς που παρουσιάστηκαν το 2009 μπορεί
να ενισχύσουν ή να αντικαταστήσουν τις μπαταρίες σε οχήματα,
με αποθήκευση ενέργειας, σαν μια ηλεκτρική φόρτηση.

Φανταστείτε τη φόρτιση του κινητού σας μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα. Ή σκεφτείτε για τις μεταφορές να διαρκεί μόνο λίγα λεπτά η φόρτιση ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου. Η τεχνολογία για την ταχεία-φόρτιση υπάρχει εδώ και δεκαετίες -στους υπερπυκνωτές. Οι υπερπυκνωτές όχι μόνο φορτίζουν πιο γρήγορα τις μπαταρίες, αλλά διαρκούν και περισσότερο, επειδή δεν υποφέρουν από τη φυσική φθορά της φόρτισης και εκφόρτισης, που καταπονεί τις μπαταρίες. Έχουν επίσης μια σειρά από πλεονεκτήματα ασφάλειας. Ωστόσο, το μέγεθος των υπερπυκνωτών θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο για να διατηρήσει την ίδια ενέργεια με τις μπαταρίες -και το υπερ-υψηλό κόστος τους, τους έχουν τους κρατήσει πίσω στην διαθεσιμότητα.


Όμως, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι πρόσφατες ανακαλύψεις για γρήγορη, αξιόπιστη, και ενδεχομένως ασφαλέστερη αποθήκευση ενέργειας σε υπερ-πυκνωτές, μερικές φορές γνωστοί ως ultracapacitors και μέσα στις δυνατότητές τους θα ανταγωνίζονται καλύτερα τις μπαταρίες.

"Οι Ultracapacitors είναι κάτι σαν ένας κεραυνός μέσα σε ένα μπουκάλι, αν θέλετε," δήλωσε ο Michael Sund, αντιπρόεδρος της Maxwell Technologies, κορυφαίος κατασκευαστής προιόντων νέας τεχνολογίας.

Θλίψη για την ασφάλεια των μπαταριών

Αυτό το καλοκαίρι, μια μεγάλη εταιρεία υπενθύμισε για την αντικατάσταση χιλιάδων μπαταριών για φορητούς υπολογιστές από την Apple, ένα από τους πολλούς κατασκευαστές φορητών υπολογιστών και κινητών τηλεφώνων που έχουν δει τις δικές τους μπαταρίες να έχουν προβλήματα ασφάλειας.

Η πυρκαγιά στις μπαταρίες, επίσης, στο Boeing της Dreamliner. Μία από τις χειρότερες τραγωδίες οφείλεται σε αστοχία της μπαταρίας, δύο μέλη του πληρώματος έχασαν τη ζωή τους σε συντριβή ενός αεροπλάνου της UPS στο Ντουμπάι το 2010 και οι ερευνητές συνδέουν το συμβάν με ανάφλεξη από υπερφόρτιση των μπαταριών. 

Οι επικίνδυνες παγίδες από τη χρήση των μπαταριών βοήθησε στην ενίσχυση του ενδιαφέροντος για τους υπερπυκνωτές.

Η ασφάλεια είναι πολύ περισσότερο ένα ζήτημα από ό, τι ήταν στο παρελθόν, δήλωσε ο Peter Harrop, πρόεδρος της IDTechEx, εταιρείας έρευνας αγοράς που εδρεύει στο Cambridge, UK. Αυτός και άλλοι οπαδοί της αναδυόμενης τεχνολογίας υποστηρίζουν οι υπερπυκνωτές θα ευδοκιμήσουν, καθώς οι εταιρείες αναζητούν νέες και πιο έγκυρες πηγές ενέργειας, που είναι επίσης ασφαλέστερες από τις σημερινές μπαταρίες.

Αντί για τις χημικές ουσίες που κάνουν τις μπαταρίες να είναι δύσκολα διαχειρίσιμες, οι supercapacitors χρησιμοποιούν ένα είδος στατικού ηλεκτρισμού για την αποθήκευση ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι οι επιδόσεις τους είναι πιο προβλέψιμες, τα υλικά τους είναι πιο αξιόπιστα και λιγότερο ευάλωτα στις μεταβολές της θερμοκρασίας και μπορούν να αποφορτιστούν πλήρως για μια ασφαλέστερη αποστολή, είπε ο Harrop.

Άνοιγμα για τους υπερπυκνωτές;

Στους επιστήμονες είναι εδώ και πολύ καιρό γνωστό ότι η ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί ως ηλεκτρικό φορτίο, αντί με χημικά αντιδραστήρια, όπως στις μπαταρίες. Το περίφημο πείραμα του Benjamin Franklin με σειρές από δοχεία Leyden, την οποία χαρακτήρισε "μπαταρίες" μετά τη στρατιωτική θητεία για τα όπλα που λειτουργούν σε συνδυασμό, στην πραγματικότητα ήταν μια πρώιμη έκδοση ενός πυκνωτή.

Αλλά οι πρόσφατες ανακαλύψεις σε υλικά υπερπυκνωτών θα μπορούσε να τους κάνει ανταγωνιστικούς σε περισσότερες εφαρμογές."Οι υπερπυκνωτές βελτιώνονται πολύ πιο γρήγορα από ότι οι μπαταρίες," είπε ο Harrop.

Κατόπιν πάλι, οι υπερπυκνωτές ήταν στα πρόθυρα της εμπορικής επιτυχίας για χρόνια. Αλλά έχουν παραμείνει σαν μια μικρή επιχείρηση σε σύγκριση με τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες -κυρίως επειδή αποθηκεύουν σχετικά λίγη ενέργεια σε σύγκριση με τις συμβατικές κυψέλες.

Το αποθηκευόμενο ηλεκτρικό φορτίο στις μπαταρίες ονομάζεται, «ενεργειακή πυκνότητα», σε διάκριση από τη «πυκνότητα ισχύος», ή του πόσο γρήγορα παρέχεται η ενέργεια.

Η ενεργειακή πυκνότητα του υπερπυκνωτή ωχριά απέναντι στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, τεχνολογία, που χρησιμοποιούνται συνήθως σήμερα στα κινητά τηλέφωνα και φορητούς υπολογιστές. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αποθηκεύουν ίσως και 20 φορές την ενέργεια των supercapacitors για ένα δεδομένο βάρος και μέγεθος. Αυτό σημαίνει ότι το iPhone 5 θα πρέπει να είναι δύο ή τρεις ίντσες πάχος για να έχει ένα υπερπυκνωτή, κάνοντας μια συσκευή να μην είναι καθόλου κομψή.

Οι υπερπυκνωτές, από την άλλη πλευρά, υπερέχουν όταν πρόκειται για την πυκνότητα ισχύος. Διαθέτουν τεράστια δύναμη, μπορούν να φορτιστούν γρήγορα και να απελευθερώσουν την δύναμή τους με γρήγορες κενώσεις ρεύματος.

Η κατασκευάστρια Supercapacitor Maxwell Technologies πουλάει σε κατασκευαστές λεωφορείων. Η εταιρία χρησιμοποιεί τους υπερπυκνωτές για να συλλάβουν την ενέργεια που παράγεται μετά από ένα φρενάρισμα του λεωφορείου σε μία από τις πολλές στάσεις του και στη συνέχεια να επιστρέψει την ισχύ για να βοηθήσει το λεωφορείο να ξεκινήσει από τη στάση. Για το σκοπό αυτό, οι supercapacitors μπορεί να αντικαταστήσουν τις μπαταρίες αποκλειστικά σε υβριδικά λεωφορεία, και σε όλα τα ηλεκτρικά λεωφορεία που απαιτούν λιγότερες μπαταρίες.

Αυτός είναι πιθανόν ο καλύτερος τρόπος για να συνεχίσουν να πωλούν υπερπυκνωτές σαν συμπληρώματα για τις ηλεκτρικές στήλες και τους κινητήρες που λειτουργούν με καύσιμα, λέει ο Sund. "Οι Supercapacitors συχνά θα είναι συμπληρωματικοί στις μπαταρίες", είπε. "Γι 'αυτό προσπαθήστε να απέχετε από αυτό που ονομάζουμε «βίαιη μπαταρία.»

Παρόλα αυτά, υπάρχουν και άλλα μέρη όπου οι supercapacitors αντικαθιστούν τις μπαταρίες πλήρως. Ένα παράδειγμα είναι οι ανεμογεννήτριες, ιδίως εκείνες που είναι υπεράκτιες. Οι Supercapacitors μπορούν να παρέχουν, για παράδειγμα, τις απαραίτητες εκκενώσεις ενέργειας για την προσαρμογή των πτερυγίων σε μεταβαλλόμενες συνθήκες ανέμου.

Οι παραδοσιακές μπαταρίες  έχουν εκπληρώσει αυτή την ανάγκη. Οι μπαταρίες φθείρονται, επειδή τα χημικά τους χάνουν την ισχύ την πάροδο του χρόνου. Επειδή δεν βασίζονται σε χημικές ουσίες για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, οι πυκνωτές διαρκούν πολύ περισσότερο και αποτελεί σημαντικό παράγοντα για στροβίλους, των οποίων το ύψος και η απομακρυσμένη τοποθέτηση καθιστούν ακριβή τη συντήρησή τους.

Ορισμένα ευρωπαϊκά αυτοκίνητα χρησιμοποιούν επίσης supercapacitors με τρόπο παρόμοιο με τα λεωφορεία. Τα ευρωπαϊκά "μικρο-υβριδικά" αυτοκίνητα τους απενεργοποιούν όταν θα έπρεπε κανονικά να είναι στο ρελαντί. Αυτό η τεχνολογία "start-stop"  λειτουργεί κανονικά από τις μπαταρίες και μόνο, αλλά η γαλλική αυτοκινητοβιομηχανία PSA χρησιμοποιεί υπερπυκνωτές Maxwell σε ορισμένα αυτοκίνητα Citroen και Peugeot.

Οι μπαταρίες, όμως, εξακολουθούν να <αρπάζουν> τα περισσότερα από τα μικρο-υβριδικά στην αγορά επειδή οι υπερπυκνωτές και τα συνοδευτικά ηλεκτρονικά μπορεί να προσθέσουν ένα διακοσάρι δολάρια στο κόστος του αυτοκινήτου. Οι υποστηρικτές της τεχνολογίας υποστηρίζουν ότι οι υπερπυκνωτές θα κοστίζουν λιγότερο σε μακροπρόθεσμη βάση, διότι διαρκούν περισσότερο από τις μπαταρίες και αποθηκεύουν περισσότερα καύσιμα επειδή λειτουργούν πιο αξιόπιστα.

Εμπόδια για να ξεπεραστούν

Τα νέα υλικά θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους supercapacitors να ανταγωνιστούν καλύτερα στην ενεργειακή πυκνότητα. Πολλοί επιστήμονες εστιάζουν στο γραφένιο, άνθρακας, που είναι πάχους μόλις ενός ατόμου και που έχει δημιουργήσει μεγάλο ενθουσιασμό αφού αναπτύχθηκε περίπου πριν από δέκα χρόνια. Το γραφένιο έχει αποδειχθεί δαπανηρό στην κατασκευή. Όμως, ένα εργαστήριο πρόσφατα έδειξε ότι μια φθηνή, κοινή συσκευή οικιακής χρήσης θα μπορούσε να κάνει φθηνά, κλινοσκεπάσματα γραφενίου υψηλής ποιότητας. Ένας μεταπτυχιακός φοιτητής χρησιμοποίησε μια συσκευή εγγραφής DVD για να κάνει γραφένιο σε ένα εργαστήριο χημείας που διευθύνεται από τον Ric Kaner, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Λος Άντζελες.

Η μονάδα δίσκου DVD είχε ένα χαρακτηριστικό που ονομάζεται LightScribe που χαράζει εικόνες πάνω στην επιφάνεια του DVD. Αποδεικνύεται ότι το λέιζερ μετατρέπει επίσης ένα κοινό υλικό, οξείδιο του γραφίτη, σε φύλλα γραφενίου. Η ανακάλυψη ανακοινώθηκε πέρυσι στο περιοδικό Science.

Το λέιζερ παράγει γραφένιο με ένα χαρακτηριστικό που το καθιστά ιδιαίτερα ελπιδοφόρο για τους υπερπυκνωτές: Προκύπτει από οπές ή πόρους. Στο εξαιρετικά πορώδες γραφένιο μπορούν να στοιβάζονται πολλά στρώματα σε βάθος, ενώ και οι δύο πλευρές του κάθε στρώματος εξακολουθούν να είναι προσιτές. Σε πειράματα, που γίνονται με γραφένιο, έχει διπλασιαστεί ή τριπλασιαστεί η ενεργειακή πυκνότητα των supercapacitors.
Ένα DVD-μέγεθος δίσκου από το εργαστήριο του
 Ric Kaner με μικρο-υπερπυκνωτές.
Ένα ενιαίο στρώμα ατόμων άνθρακα δεν αποθηκεύει πολλή ενέργεια, λέει ο Kaner."Προσπαθούμε να τοποθετήσουμε εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες στρώματα γραφενίου -και αυτό είναι που κάνουμε."

Δεν θα προβλέψουμε πότε το νέο υλικό μπορεί να εμφανιστεί στο εμπόριο, άλλα υπερπυκνωτές λέει ο ίδιος δεν θα είναι έτοιμοι πριν από δέκα ή έστω πέντε χρόνια. Ακόμα και τότε, οι υπερ-πυκνωτές κατά πάσα πιθανότητα θα λειτουργούν σε συνδυασμό με τις μπαταρίες. "Δεν έχουμε αντικατάσταση για τις μπαταρίες, ακόμα," λέει ο Kaner.

Αν τελικά μπορεί να αποθηκεύσουν αρκετή ενέργεια για να ανταγωνιστεί με τις μπαταρίες, οι υπερπυκνωτές έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως ότι μπορούν να παρέχουν υψηλή ισχύ και να χρησιμοποιηθούν για εκατομμύρια κύκλους, είπε Kaner. "Επίσης, σε αντίθεση με τις μπαταρίες, δεν υπάρχει φόβος υπερφόρτισης για να μην υπερθερμανθούν."

Τα πλεονεκτήματα της ασφάλειας των supercapacitors θα αυξηθούν καθώς η ζήτηση για φορητές συσκευές ενέργειας αυξάνεται, δήλωσε ο Harrop της IDTechEx. Οι πυκνωτές παρουσιάζουν τις δικές τους ανησυχίες για ασφάλεια, γιατί κάθε τεχνολογία που αποθηκεύει ενέργεια είναι δυνητικά επικίνδυνη. Ωστόσο, οι κατασκευαστές προχωρούν στη σταδιακή κατάργηση των τοξικών και εύφλεκτων χημικών ουσιών που έχουν χρησιμοποιηθεί στους υπερπυκνωτές και ακόμη και εκείνοι οι supercapacitors έχουν καλύτερες επιδόσεις από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Εν τω μεταξύ, η ασφάλεια της μπαταρίας θα γίνει μεγαλύτερο θέμα διότι οι κυψέλες μεγαλώνουν, όπως αυτές που τώρα χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά οχήματα. Όσο μεγαλύτερη είναι η μπαταρία, τόσο πιο πιθανό είναι κάτι να πάει στραβά, πρόσθεσε ο Harrop. "Είναι πιο εύκολο να κάνουμε μια  ασφαλή μπαταρία για ένα τηλέφωνο από ότι είναι για ένα αυτοκίνητο."

Πηγή NationalGeografic
Απόδοση, Δ. Γιάκας

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου