Il mito dei supercondensatori

Articolo a cura di Flavio Odorici – Responsabile Progetto Elettronico iaiaGi S.R.L.

In questo numero proseguiamo nella serie di articoli dedicati ai miti, più o meno grandi, che popolano la narrativa dei giornalisti sull’argomento auto elettriche.

Il terzo che affrontiamo è il seguente:

“Il futuro dell’auto elettrica è nell’uso dei Supercondensatori, che ne rivoluzioneranno le prestazioni.” Il terzo che affrontiamo è il seguente:

“Il futuro dell’auto elettrica è nell’uso dei Supercondensatori, che ne rivoluzioneranno le prestazioni.”

Come dire, se non avete un’auto con supercondensatori non siete nessuno…

Per brevità, da ora in poi nel testo li indicheremo con la sigla SC.

La maggioranza degli articoli puntano sul concetto che un’auto elettrica equipaggiata con SC possa essere caricata in pochi minuti. È sufficiente aprire il browser e cercare “supercondensatori su auto elettriche” per rendersene conto.

Prima di iniziare il discorso per farvi capire quanto sia ridicola questa teoria, vogliamo  dire una cosa per noi importante.

La gente comune fa veramente molta fatica a familiarizzare con i concetti nuovi portati dalla rivoluzione elettrica e andrebbe quindi aiutata. Il giornalismo dovrebbe lavorare per semplificare e trasmettere messaggi chiari e comprensibili, non aumentare la confusione sbandierando cose senza senso.

Differenze tra Batterie e Supercondensatori

Tutti e due i dispositivi accumulano energia elettrica, ma sono molto diversi.

La batteria si basa su processi elettrochimici, e accumula/eroga energia tramite lo scambio di elettroni e di ioni nelle reazioni di ossidoriduzione delle sostanze attive in essa contenute.

Il processo avviene a tensione quasi costante, il che rende la batteria molto facilmente utilizzabile. La densità di energia delle migliori celle commerciali al Litio per uso automobilistico arriva oggi intorno ai 260 Wh/Kg.

Il Supercondensatore si basa su processi elettrostatici, e accumula/eroga energia tramite l’accumulo di carica elettrica sulle due piastre di cui è composto.

Il processo avviene con rapide variazioni della tensione disponibile, il che rende il SC molto poco utilizzabile. La densità di energia dei migliori SC arriva oggi a 8 Wh/Kg ed è solo parzialmente sfruttabile.

Il SC è sì in grado di erogare correnti elevatissime, ma solo per brevissimi periodi.

Nella tabella seguente vediamo i dati salienti dei migliori SC in commercio per uso autotrazione.
MARCA TIPO FARAD VOLT Wh/Kg Resistenza  Interna
Maxwell BCAP3400P300K04/05 3400 3V 8,6 0,15 mOhm
SkeleCap SCA3200 3200 2,85V 6,8 0,15 mOhm
Eaton XL60-2R9348T-R 3400 2,85V 7,23 0,23 mOhm
AVX SCCZ1EB308SWB 300 2,7V 6,08 0,20 mOhm
Nichicon JJDOE608MSEGBN 6000 2,5V 4,67 2,2 mOhm
Nichicon JJDOE138MSEGBN 1300 2,5V 5,37 6,0 mOhm

Utilizzo pratico dell’energia contenuta

Come si è detto, una batteria è un dispositivo essenzialmente a tensione costante, questo ne facilita l’uso con le elettroniche di controllo dei motori elettrici, che richiedono appunto tensioni pressoché costanti nel tempo.

In caso di forti prelievi di corrente, la tensione cala per un valore dato dal prodotto della resistenza interna della batteria per la corrente. Il calo può essere del 5% circa (indicativo) a media carica ad una corrente di 2C, cioè due volte la capacità di corrente nominale.

Poiché l’uso di un convertitore DC-DC separato sarebbe una follia come complicazione, pesi e costo, i SC vengono semplicemente collegati in parallelo alla batteria che devono supportare.

All’arrivo della richiesta, i SC erogano la corrente al posto della batteria, sostenendola. Quando la scarica arriva al 5%, la loro funzione cessa, e il carico rimane tutto sulla batteria stessa.

In pratica, quanta energia possono erogare? La risposta è: “Pochissima”.

Infatti, l’energia contenuta in una serie di SC vale:  
                                              E = ½ * C * V² *n / 3600

con E in Wh, C in Farad, V in Volt, n = numero di condensatori in serie.

Un caso pratico

Proviamo ora a delineare uno scenario pratico. Una vettura è dotata di una batteria composta da 111 elementi da 120 Ah, con tensione nominale 3,6 V, 266 Kg totali.

Abbiamo considerato elementi della Kokam, di tipo piatto, SLBP con chimica NMC di ottima qualità, tanto per fare un esempio. In totale abbiamo 400 V, 120Ah, 48 Kwh.

In parallelo abbiamo un banco di SC Maxwell composto da 133 elementi da 3400 F ciascuno (400 V totali), per un peso complessivo di 67 Kg: costo maggiore della batteria.

Supponiamo che l’auto acceleri, richiedendo 240A (96 kW) per 20 secondi (0,0055 ore) al sistema. L’energia richiesta nella fase di accelerazione è di 240 * 400 * 0,0055 = 520 Wh.

Il banco di SC contribuisce finché da 3 V ciascuno siamo scesi a 2,85 V (-5%). In totale:

E = (0,5 * 3400 * 3 * 3 * 133 / 3600) – (0,5 * 3400 * 2,85 * 2,85 * 133 / 3600) = 55,12 Wh.

Il banco di SC contribuisce quindi per 55 Wh su 520 Wh, in pratica circa 2,1 secondi, per poter disporre di 93,6 kW medi al motore invece di 91,2 kW.

Ma vi rendete conto? 67 Kg in più e un costo più che raddoppiato per 2,4 kW di potenza in più?

Nella figura abbiamo riportato un banco SC reale, per mostrare la complessità dell’oggetto, che costa più della batteria. In realtà i SC avrebbero dovuto essere molti di più, per resistere alla tensione di carica della batteria. Altro costo e complessità da aggiungere.

Conclusioni

Crediamo non resti molto da dire, se non che prima di parlare di miracoli occorre fare due conti. Si eviterebbe di fare brutta figura.