Połączenie napędu spalinowego z elektrycznym nie jest niczym nowym. Ale ekologiczny superkondensator z Poznania może być w tej materii przełomowy.

Magazyn odzyskanej energii

Mariusz Karwowski

Prof. Elżbieta Frąckowiak

Atrakcji turystycznych w Lublinie, Sopocie czy Gdyni nie brakuje. Do najoryginalniejszych zaliczają się z pewnością… trolejbusy. Pojazdy te, napędzane energią elektryczną pobieraną z sieci za pomocą tzw. pałąków, pod wieloma względami przewyższają tradycyjne autobusy. Mają dużo większe przyspieszenie, przy ruszaniu zużywają o wiele mniej energii, wreszcie – są w pełni ekologiczne. Jedynym w zasadzie minusem jest oplatająca niemal całe miasto pajęczyna przewodów. I to właśnie z powodu wątpliwych wrażeń estetycznych trasy popularnych „trajtków” często omijają z konieczności zabytkowe dzielnice miast. Ale wcale tak być nie musi. Wystarczyłoby na tym odcinku zdjąć trolejbusowe „szelki”, a energię do napędu pozyskać z innego źródła. Na przykład z superkondensatora. To urządzenie, z uwagi na swoje właściwości, wiele potrafi. Może zmniejszyć straty energii ponoszone przez samochody czy autobusy w ruchu miejskim, wspomóc działanie turbin wiatrowych, a kto wie, czy wkrótce nie będzie także receptą na rozładowujące się telefony komórkowe i laptopy. Jednym słowem – super.

Oczywiście, można ten funkcjonujący w nazwie przedrostek odnieść i do niezliczonej ilości praktycznych zastosowań. Ale właściwe znaczenie tkwi zupełnie gdzie indziej. W odróżnieniu od akumulatora elektrochemicznego, superkondensator charakteryzuje się dużą gęstością mocy i niewiele niższą od zwykłych baterii gęstością energii. Połączenie tych dwu parametrów daje mu ogromną przewagę nad innymi zasobnikami energii. Szybciej się go bowiem ładuje, ale i o wiele szybciej można też skumulowaną energię uwolnić. A to w sytuacjach nagłego zaniku prądu jest szczególnie ważne. Nie trzeba przecież korzystającym z komputerów wyjaśniać, co taka awaria czyni z niezapisanymi danymi. Również do takich stacjonarnych zastosowań superkondensator nada się idealnie.

– Nasz prototyp ma wprawdzie niższą gęstość energii niż baterie, ale za to większą gęstość mocy. Oznacza to, że ma krótszy czas ładowania i rozładowania. Typowe akumulatory ładujemy kilka godzin, a superkondensator – zaledwie kilka lub kilkadziesiąt sekund. Co więcej, zmagazynowana energia jest dostępna już w ciągu milisekund, bo nie zachodzą tu reakcje chemiczne redoks, tak jak w bateriach i akumulatorach – tłumaczy prof. Elżbieta Frąckowiak z Politechniki Poznańskiej.

DO UŻYCIA W MIEJSKIEJ DŻUNGLI

To właśnie pod jej kierownictwem powstał prototyp superkondensatora, który z powodzeniem mógłby odzyskiwać energię wyzwalaną podczas hamowania pojazdu i wykorzystywać ją później, podczas ruszania z miejsca i przyspieszania. Jako że te manewry dominują w jeździe po mieście, urządzenie spełniałoby swoją rolę właśnie w pojazdach komunikacji, w których zapotrzebowanie na moc silnika jest bardzo duże, a więc w autobusach, tramwajach czy trolejbusach. Ale i w coraz popularniejszych samochodach hybrydowych też się sprawdzi.

– Wysoka moc kondensatora może idealnie służyć do rozruchu pojazdu, czyli podczas szczytowego zapotrzebowania na energię. W ten sposób „oszczędzamy” akumulator, przedłużając jego żywotność. Kondensator może być wykorzystywany podczas pokonywania wzniesień, natomiast ulegać ładowaniu – w trakcie zjazdu czy hamowania, kiedy to energia zamieniana jest na ciepło i bezpowrotnie tracona – wyjaśnia prof. Frąckowiak.

Superkondensatory w dużym stopniu ten problem rozwiązują. Magazynują bowiem energię, by w krótkim okresie uwolnić ją, choćby podczas ruszania z przystanków czy spod świateł. Szacuje się, że w wyniku takiego hamowania regeneracyjnego można zaoszczędzić aż do 15 proc. energii. Oszczędności na paliwie są dwukrotnie większe. Takie straty, za którymi idą oczywiście większe wydatki, dotyczą przy tym nie tylko komunikacji zbiorowej. Również użytkownicy samochodów osobowych, poruszający się codziennie po miejskiej „dżungli”, narażeni są na częstsze tankowanie czy wymianę akumulatora. A windy w wieżowcach? Tutaj mechanizm jest przecież ten sam, tyle że ruch odbywa się w ciągu komunikacyjnym pionowym: jazda w górę, hamowanie, zatrzymywanie się na piętrze, zjazd w dół. Podobnie w przypadku dźwigów towarowych na budowach czy w portach. W Stanach Zjednoczonych superkondensatory wykorzystuje się w turbinach elektrowni wiatrowych. Chodzi wówczas o możliwie jak najszybsze przestawienie łopatek wiatraków, aby ustawiły się w kierunku wiatru. W przypadku o wspomniane na początku trolejbusów czy tramwajów, to superurządzenia mogłyby spełniać dodatkową rolę.

– Potrafią one wyeliminować „pajęczynę drutów” zasilających te pojazdy. Jest to szczególnie ważne w zabytkowych obszarach miasta, gdzie wisząca trakcja po prostu szpeci, a mogłaby być zastąpiona właśnie przez superkondensatory, które uwolniłyby energię magazynowaną na wcześniejszym etapie trasy przejazdu – proponuje prof. Elżbieta Frąckowiak.

TAK, ALE NA KRÓTKO!

A dlaczego nie na całej trasie? – mógłby ktoś zapytać. Skoro tak rewolucyjny wynalazek daje tyle oszczędności, niech wyprze mniej ekonomiczne dotychczasowe rozwiązania. Moja rozmówczyni odwołuje się w tym momencie do prostego doświadczenia, jakie chyba każdy przeprowadzał kiedyś na nadmorskiej plaży. Kiedy pociera się bursztyn, po chwili na skutek oddziaływań elektrostatycznych potrafi on przyciągnąć do siebie kawałki papieru. Zjawisko to jest jednak krótkotrwałe. Na samym superkondensatorze żaden pojazd samochodowy też daleko nie zajedzie. Zastosowania mobilne to zresztą tylko jedne z wielu. Niemniej, w stacjonarnych byłoby identycznie: telefon czy laptop pracowałyby jedynie przez kilkanaście, góra kilkadziesiąt minut. Tak samo z autobusami czy trolejbusami. Na bardzo krótkim odcinku – jak najbardziej. Na całej trasie – już nie. O zastąpieniu akumulatorów w ogóle nie ma więc mowy. Poza tym superkondensator nie jest na tyle uniwersalny, by mógł sam zasilać urządzenia. Można jednak pomyśleć o systemie, w którym wspomógłby on działanie akumulatora bądź ogniw paliwowych. W nieekonomicznych zakresach pracy, czyli np. podczas dużych obciążeń, odciążałby niejako silnik spalinowy, skumulowaną wcześniej energię uwalniając przy rozruchu czy przyspieszaniu. Samochód zużyje mniej paliwa, będzie więc bardziej ekologiczny, a sam akumulator dłużej posłuży użytkownikowi pojazdu.

– W przypadku superkondensatorów chodzi bowiem nie tyle o magazynowaną energię, ile bardziej o moc, którą dostarczają. Zatem wszędzie tam, gdzie mamy duże zapotrzebowanie na moc w krótkim przedziale czasu, znajdą swoje zastosowanie – podkreśla prof. Frąckowiak, dodając jednocześnie, że połączenie akumulatorów i superkondensatorów pozwoli zwiększyć wykorzystanie energii hamowania. W ruchu miejskim częstotliwość cykli hamowanie przyspieszanie jest dosyć duża. Skoro tak, to automatycznie i powtarzalność cykli ładowania rozładowania źródła energii jest większa. Przyjmowanie w krótkim czasie takich ilości energii przez tradycyjne akumulatory ołowiowe skutkuje znaczącym obniżeniem ich trwałości. Tymczasem superkondensatory robią to bez uszczerbku dla swojej funkcjonalności. Stanowią więc doskonałe uzupełnienie głównego zasobnika energii elektrycznej.

– Akumulatory mają wiele ograniczeń – małą gęstość mocy, dużą masę, małą liczbę cykli ładowanie rozładowanie, przez co nie do końca spełniają swoją rolę. Ich żywotność jest nieporównanie mniejsza niż superkondensatorów, które mogą sprawnie działać nawet przez 10 milionów cykli.

To kolejna podstawowa zaleta tych urządzeń. Mogą one być obciążane prądami o wartości nawet do 500 A. Dla akumulatorów elektrochemicznych taka eksploatacja zakończyłaby się niechybnie awarią.

PASAŻER NA KONDENSATORZE

W Rumunii testowano już taki superkondensator, który w jedną sekundę uruchomił… kilkudziesięciotonową lokomotywę, zastępując tym samym cały szereg akumulatorów. W innym ośrodku skonstruowano z kolei urządzenie ważące 150 kilogramów, a gromadzące w sobie tyle energii, co półtoratonowy zestaw akumulatorów ołowiowych. Taką też mniej więcej wagę miałby superkondensator uwalniający energię pozwalającą na osiągnięcie przez autobus prędkości 40 km/h. Zresztą, nie trzeba nawet uruchamiać wyobraźni, bo na całym świecie stosuje się już podobne rozwiązania. Można je znaleźć np. w module hamulcowym „hybrydy” toyota prius, użyto ich również w modelu volkswagena z ogniwami paliwowymi czy w elektryczno dieslowskim autobusie miejskim z regeneracyjnym systemem hamulcowym firmy Man. Od lat wykorzystuje się je także w samochodach honda civic IMA i FCX V3. Superkondensatory połączone są szeregowo i umieszczone pod tylnymi siedzeniami. Według opinii użytkowników, dyskomfortu z tego powodu nie ma żadnego. I to jeździ!

Poznański pomysł, chociaż w zarysach jest niemal identyczny, opracowany został wedle iście nowatorskiej koncepcji, bowiem zazwyczaj superkondensatory tworzone są na bazie elektrolitów organicznych. Nasączone nimi, naładowane elektrody posiadają różnoimienne ładunki elektryczne. Na granicy elektroda/elektrolit tworzy się podwójna warstwa elektryczna, która gromadzi ładunki (jony, elektrony). Elektrolit odgrywa bardzo ważną rolę, gdyż to on jest źródłem jonów. Konstruując elektrody superkondensatora korzysta się głównie z tak wszechstronnego pierwiastka, jakim jest węgiel, występujący pod różną postacią: proszku, włókien czy tkaniny. Podyktowane jest to tym, iż materiały węglowe, w tym także nanorurki, mają dużą powierzchnię właściwą. Dochodzi ona nawet do 3 tys. m2 na 1 gram substancji. Jest to ważne o tyle, że powierzchnia granicy faz wprost proporcjonalnie wpływa na pojemność superkondensatora. Im jest ona większa, tym elektrody są zdolne do kumulowania większej pojemności. Elektroda ujemna posiada nadmiar elektronów, natomiast dodatnia – ich niedobór; są one kompensowane odpowiednio jonami przeciwnego znaku.

– O ile w zwykłej baterii energia magazynowana jest w postaci chemicznej, a w konwencjonalnym kondensatorze – na dwóch okładkach metalowych przedzielonych cienkim dielektrykiem, o tyle w superkondensatorze znajduje się ona na granicy faz materiał węglowy/elektrolit – tłumaczy profesor Politechniki Poznańskiej.

Dzięki temu pojemność superkondensatorów przewyższa wielokrotnie pojemność konwencjonalnych kondensatorów, natomiast ich energia niemal graniczy z tą osiąganą przez akumulatory. W celu jej podwyższenia często stosuje się materiały o pseudopojemnościowych właściwościach, np. materiały węglowe bogate w obce pierwiastki, m.in. tlen czy azot, zdolne do ładowania warstwy podwójnej oraz do reakcji redoks. W stolicy Wielkopolski takie efekty uzyskano poprzez zastosowanie modyfikowanych materiałów węglowych, pracujących w wodnych roztworach elektrolitu.

– Nie bez dumy powiem, że jeśli chodzi o zaawansowanie prac, jesteśmy w światowej czołówce – podkreśla prof. Frąckowiak i dodaje, że kluczowym aspektem prowadzonych przez jej zespół prac jest troska o środowisko. Stosowany w tej chwili przez producentów superkondensatorów acetonitryl jako składnik elektrolitu, chociaż zapewnia wysokie napięcie kondensatora, jednocześnie w razie wypadku czy awarii powoduje wydzielanie się cyjanowodoru, a więc związku silnie toksycznego. W przypadku roztworów wodnych superkondensator byłby bezpieczniejszy. Jedną z nowatorskich metod podniesienia pojemności jest zastosowanie wodnego roztworu jodku potasu jako elektrolitu. Nad tym rozwiązaniem w Poznaniu teraz intensywnie pracują. Na razie szykują się do zbudowania modelu w skali technicznej. Prototyp, większy od domowego bezpiecznika, już jest. Aparatura zakupiona specjalnie do tego celu umożliwia monitorowanie oraz testy efektywności i wydajności urządzenia. W skali laboratoryjnej działają bez zarzutu. Jest więc nadzieja, że w większej skali efekty będą takie same. Do współudziału w patencie zaproszono J.R. Millera z USA, „alfę i omegę” w świecie kondensatorów. Nie odmówił, co więcej – dołączenie do polskiego zespołu poczytał sobie za zaszczyt.