Egy francia startup (Nawa Technologies) megoldása a lítium akkumulátorok kimagasló teljesítményét kombinálja az elképesztően gyors töltésre képes szén-alapú szuperkondenzátorral, így az elektromos autóknál rengeteg súlyt takaríthatnak meg, ami jelentősen megnöveli az egy töltéssel megtehető távolságot, illetve a jármű teljesítményét. A marseilles-i cég olyan új akkumulátor kifejlesztésén dolgozik, amely óriási fejlődést jelentene az elektromos járművek piacán.
A Nawa szén-alapú szuperkondenzátor előnyei
Kezdjük azzal, hogy a kondenzátor feltöltési és kisütési sebessége az akkumulátorokhoz képest nagyságrendekkel jobb, hozzávetőleg 1000-szer gyorsabb. Ebből az adódna, hogy egy autó teljes akkumulátor kapacitását másodpercek alatt fel tudnánk tölteni, kb. háromszor gyorsabban, mint amennyi idő alatt az üzemanyag tankot töltjük fel fosszilis üzemanyaggal.
Mivel töltés közben nem zajlik kémiai reakció, pusztán fizikailag válnak szét a pozitív és negatív töltések, a szuper gyors töltés során nem keletkezik hő sem, illetve a fizikai tágulással sem kell törődni. Mindez a szén szuperkondenzátornak hosszú élettartamot biztosít, nagyjából 1 millió feltöltési-kisütési ciklust.
A szuperkondenzátor elképesztően gyors kisülési ideje még egy előnnyel kecsegtet a lítium akkumulátorokkal szemben. Az elektromos járművek esetén az alacsony kisütési idő miatt a teljesítmény növelése érdekében bővíteni kell az akkumulátor kapacitást. A Tesla Model S például nem lenne képes aktiválni a „Ludicrous” sebesség fokozatát (0-100 km/óra 2.3 másodperc alatt) kisebb akkumulátor csomaggal, mivel az alacsony kisütési sebesség szűk keresztmetszetet jelentene az energia ellátásban. Ez a szuperkondenzátor esetén egyáltalán nem lenne probléma, mivel ezek a berendezések a kisülés során bőven képesek nagy energia leadásra egy kisebb méretű akkumulátornál is.
Ezenkívül nagyon olcsók és egyszerűen legyárthatók, köszönhetően annak, amit a Nowa alapítója és ügyvezető igazgatója, Pascal Boulanger úgy jellemzett, „mint a fotóvoltaikus panelek (napelemek) gyártásával megegyező eljárást”. A technológia bizonyítottan működőképes, termelékeny és költséghatékony.
Azonban Boulanger számára nem ezek a figyelemre méltó előnyök jelentik a legnagyobb motivációt. Úgy gondolja, hogy a szén szuperkondenzátor kedvező környezeti jellemzőiben rejlik az igazi sikere.
„Számomra az az igazán lényeges, hogy nem használunk sem lítiumot, sem kobaltot sem más ritkaföldfémeket. Ezek az anyagok környezetszennyezőek és nagyon körülményes a bányászatuk. A társadalom attól az állapottól szeretne elmozdulni, ahol a Földből kibányászott olajat töltjük az autónkba, amihez igen hasonló, amikor a Földből kibányászott fémeket és ásványi anyagokat tesszük az elektromos autókba. Ezzel ugyanúgy tönkre tesszük a Földünket.”
„A Nawa szuperkondenzátorainak előállításához csak szenet és alumíniumot használunk. A szén természetes, fenntartható forrásból származik, bányászatra nincs szükség hozzá. Amikor a vállalkozásomat elindítottam, akkor a fenntarthatóságot akartam elősegíteni. A célunk, hogy biztonságosabb és környezeti szempontból tisztább akkumulátorokat állítsunk elő.”
Lehetséges lenne egy járművet kizárólag a Nawa által fejlesztett eszközzel meghajtani? Igen, állítja Ulrik Grape a Nawa vezérigazgatója.
„A rövidebb utakra szánt járművek, mint például a városközpontokban közlekedő autók esetén a mi megoldásunk tökéletes. Meg lehet tenni 50-100 km-t egy feltöltéssel és fel lehet tölteni az autót 10-20 másodperc alatt. Tökéletes megoldás elektromos hajtású autómegosztó flottákhoz.”
Azonban a szuperkondenzátornak nem csak előnyei, de hátrányai is vannak.
Hátrányok és a hibrid megoldás
Míg a szuperkondenzátor teljesítménysűrűsége (teljesítmény/tömeg) sokkal magasabb, addig az energiasűrűsége (energia/tömeg) nem versenyezhet a lítiummal. Egy szuperkondenzátor mindössze a lítium akkumulátorban tárolt energia 25%-át képes tárolni, azaz egy azonos méretű szuperkondenzátorral szerelt autó mindössze negyedakkora távolságot tudna megtenni, mint egy lítium alapú akkumulátorral.
Másodsorban a kondenzátorok alkalmatlanok a hosszútávú energia tárolásra. Ha az autónkat teljesen feltöltve a garázsban hagyjuk, akkor sajnos arra számíthatunk, hogy naponta állás közben is a tárolt energia 10-20%-át is elveszthetik.
A Nawa fejlesztői ezért az elektromos járművek piacán a szuperkondenzátorban rejlő lehetőségeket akkor látják kihasználhatónak, ha kombinálni tudják azt a lítium akkumulátorokkal. A hibrid megoldás mindkét megoldás előnyeit ötvözhetné: nagy hatótávolság és hosszútávú energia-tárolás a lítium akkumulátornak köszönhetően, valamint nagyon gyors részleges töltés és nagy teljesítmény a szuperkondenzátornak köszönhetően.
A hibrid megoldásnak lenne még egy további előnye: a fékezésből visszanyerhető energiát 450%-kal megnövelné. A jelenleg alkalmazott rendszereknél a lítium akkumulátor lassú tölthetősége miatt a visszanyerhető energia nagy része elvész. „A fékezési energia visszanyerése során az energia kb. 80%-a hő formájában kárba vész”, állítja Grape, „mindössze ha 20%-ot képes hasznosítani”. A generátorok ugyan képesek az energiát hatékonyan megtermelni, de a lítium akkumulátor nem elég gyors a megtermelt energia eltárolására. A szuperkondenzátorral kombinált lítium akkumulátor viszont képes lenne a visszanyerhető energia 90%-át eltárolni.
Normál vezetési szituációban az akkumulátor üzemtávolságát így simán meg tudnánk növelni. Az elektromos versenyautóknál még ennél is jobb eredményeket tudnánk elérni a fékezésnél elnyelt energiával, amit aztán a gyorsításnál vissza tudnánk táplálni. Vegyünk például egy Formula E versenyautót. Ennél az autónál a 300kg-os lítium akkumulátor tömegét kb. 200kg-osra tudnánk csökkenteni, megnövelve közben a hatótávolságot is köszönhetően a nagyobb hatékonyságunknak.
Ugyanezek az előnyök az elektromos teherautók esetén is jelentkeznének. Rengeteg energiát lehetne megtakarítani azzal, ha a teherautók fékezésénél, illetve a lejtőn lefelé történő haladásánál keletkeznek és később a gyorsításnál újra fel lehetne ezt használni.
Egyéb alkalmazási lehetőségek
Rengeteg olyan alkalmazási lehetőség adódik, ahol a szuperkondenzátorok nagyon hasznosak tudnak lenni. Pl. az ipari szerszámok területén az ultra gyors töltés és a sok töltési ciklus hosszú élettartamú, az egyes műveletek között pillanatok alatt újratölthető gyártósorok lehetőségét kínálja. Aztán ott vannak a gyártóművi és raktárakban használt robotok (AGV-Automatic Guided Vehicle). Ezek az eszközök az anyagmozgatást segítik. Képzeljük el, hogy a nagy raktárakban, mint pl. az Amazonnál mekkora jelentősége lenne az új energia tárolási alkalmazásnak.
A szén szuperkondenzátorok a Dolgok Internete (IoT-Internet of Things) területén is használható lenne. Ezen a területen nagy szükség lenne akkumulátor mentes érzékelőkre. Az érzékelők a mérés elvégzésének, illetve a mért érték továbbításának idejére igényelnek csak energiát, amire a szuperkondenzátorok tökéletesen alkalmasak.
Még egy izgalmas előny: szerkezetbe építhető akkumulátor
A szén alapú szuperkondenzátornak van még egy olyan tulajdonsága, ami feltétlenül elég izgalmassá teszi, ez a könnyű súlya és elképesztő mechanikai tűrőképessége, lehetővé téve, hogy az energia tárolót magába a szerkezetbe építsük be, amire a lítium alapú tárolók teljesen alkalmatlanok.
Az egyik fejlesztési projekt során Az Airbus-szal közösen vizsgálták, hogy hogyan építhető be az eszköz más szénszálas szerkezetbe és mechanikailag hogyan viselkedik az energia tároló. Az elektróda mechanikai tulajdonságai nagyon jók. Még arra is alkalmas, hogy kompozit anyagokat erősebbé tegyen. Az energiatárolót az autó karosszériájába is bele lehet építeni, az ajtókba, a tetőbe, gyakorlatilag bármelyik részébe. Ezzel lehetővé válna egy olyan jármű kialakítása, amelynek konkrét akkumulátor egysége nem is lenne.
Jelenleg a szuperkondenzátor a prototípusok tesztelési fázisában tart, de 2019. második félévére kész lesz és üzemelni fog a termelő részleg is. A szuper gyors szén-alapú kondenzátorokban rejlő lehetőségek egész biztosan komoly érdeklődésre tarthatnak számot.
Forrás: Nawa Technologies