De condensator: vervanger van de batterij?

De condensator is een elektrisch onderdeel, dat een elektrische lading voor langere tijd kan vasthouden. Een condensator bestaat uit twee geleidende platen die door een isolerende laag gescheiden zijn. Sluit je deze op een gelijkstroom aan, dan wordt de ene plaat positief en de andere negatief geladen. De condensator wordt zo opgeladen. De isolerende laag tussen de twee platen voorkomt dat de stroomkring gesloten wordt, waardoor de platen weer zouden ontladen. Ontkoppel je de condensator van de spanningsbron, dan blijft de lading in de condensator aanwezig. Net als bij een batterij dus.

In principe zou het dus mogelijk moeten zijn om een condensator als batterij te gebruiken. In batterijen wordt de elektrische energie chemisch opgeslagen. Mede hierdoor neemt de capaciteit van een accu of batterij na verloop van tijd af. Uiteindelijk zullen we de batterij moeten vervangen. Een condensator heeft dit nadeel niet, want er komt geen chemie aan te pas. Klinkt goed met het oog op het milieu en het is ook nog eens goed voor de portemonnee!

Het ontladen van de condensator

Door bijvoorbeeld een lamp (weerstand) op een opgeladen condensator aansluiten, gaat de condensator zich gedragen als een energiebron. Bij het sluiten van de stroomkring zal deze beginnen zich te ontladen, waardoor het lampje zal gaan branden. Dit ontladen gaat bij een condensator echter heel snel en is mede afhankelijk van de grootte van de elektrische weerstand van de lamp.

Een condensator ontlaadt zich meestal in een tijdsbestek van enkele seconden. Dat is dus niet erg handig als je hem als vervanger voor de batterij van jouw mobieltje of zaklantaarn wilt gebruiken. De condensator levert in korte tijd veel vermogen, maar relatief weinig energie: een lage energiedichtheid heet dat. Hiermee is de condensator dus veel te beperkt om hem te kunnen inzetten als batterij. Om meer energie (lading) op de condensatorplaten te kunnen laden, moet het oppervlak van de platen sterk vergroot worden.

Nanotechnologie schiet te hulp

Een veel groter oppervlak werd in eerste instantie verkregen, door de platen zeer dun te maken en op te rollen met een eveneens dunne isolatielaag ertussen. Deze verbetering zorgde ervoor dat de condensator in de elektrotechniek en elektronica vele toepassingen kreeg, maar het was nog steeds niet genoeg om de batterij te evenaren. Nu gaan de ontwikkelingen in de techniek gelukkig zeer snel en met name in de nanotechnologie volgen de ontwikkelingen zich steeds sneller op.

Nano is de afkorting voor nanometer: 0,000000001 meter. Deze technologie is onder andere erg belangrijk voor het ontwikkelen van nieuwe geheugenopslag en computerchips, maar de condensator profiteert hier ook van. Inmiddels heeft men dankzij de nanotechnologie supercondensatoren ontwikkeld, die zeer veelbelovend zijn. Men is inmiddels in staat geleidende laagjes te maken met een dikte van slechts één atoom. Hierdoor kunnen er vele laagjes opeen worden gestapeld, waardoor er binnen een kleine ruimte toch een zeer groot oppervlak kan worden verkregen.

Supercondensatoren

De ontwikkeling van supercondensatoren (ook wel ultracondensatoren genaamd) gaat gestaag door. Er wordt gezocht naar nieuwe materialen en productiemethoden om de oppervlakte en efficiency van de condensatoren verder te vergroten. Zo zijn er supercondensatoren die gebruikmaken van een elektrolyt en andere die gebaseerd zijn op nieuwe materialen als grafeen, grafiet met een dikte van slechts één molecuul.

Supercondensatoren worden al gebruikt in diverse producten waar voorheen accu’s en batterijen werden gebruikt. In de consumentenmarkt zijn er bijvoorbeeld schroef-boormachines beschikbaar, die geen batterijen of accu meer hebben maar supercondensatoren. De huidige generatie supercondensatoren kunnen een capaciteit bereiken welke duizendmaal hoger is dan de huidige conventionele condensator, maar dat is altijd nog zo’n twintig keer minder dan bijvoorbeeld een Li-ion batterij van dezelfde grootte.

Voordelen van het gebruik van supercondensatoren

Het gebruik van condensatoren in plaats van batterijen en accu’s heeft een aantal belangrijke voordelen voor het milieu. Afhankelijk van de toegepaste techniek worden er zeer weinig of geen chemicaliën gebruikt, waardoor deze aan het eind van de levenscyclus ook niet in het milieu terecht kunnen komen. Bovendien: door de veel langere levensduur van de condensator (ze kunnen honderdduizenden keren op- en ontladen worden) zijn er minder grondstoffen nodig. Hierdoor kan de zogenoemde CO2-footprint van vele producten worden verlaagd.

Ook voor de gebruiker van de supercondensator zijn er belangrijke voordelen te onderkennen. Apparatuur voorzien van een supercondensator is in zeer korte tijd op te laden. Hierbij moet gedacht worden aan seconden tot enkele minuten, afhankelijk van de energiedichtheid van de condensator. Supercondensatoren kunnen worden gebruikt binnen een temperatuur range van -50 tot 80 graden Celsius. Vanuit economisch oogpunt betekent een lange levensduur geen of veel lagere vervangingskosten. De veiligheid in acht nemend zijn er verscheidene redenen om voor condensatoren te kiezen. In tegenstelling tot batterijen en accu’s, warmen condensatoren niet op wanneer zij ontladen worden. Condensatoren kunnen niet overladen worden. Er bestaat geen explosiegevaar bij condensatoren

Toepassingen van de ultracondensator

De karakteristieken van ultracondensatoren, waaronder de mogelijkheid om in zeer korte tijd een hoog vermogen te leveren, worden heden ten dage al benut in diverse toepassingen:

• Het elektriciteitsnet. Hier worden ze gebruikt om de pieken en dalen in het net op te vangen.
• In hybride auto’s en bussen. Vele korte laad- en ontlaadcycli verkorten de levensduur van een accu. Condensatoren zijn hier echter uitermate geschikt voor. Ook als er snel veel energie benodigd is kan de ultracondensator deze veel sneller leveren dan de accu. De condensatoren ontlasten zo de accu’s, waardoor deze ook langer meegaan.
• Starten van zware motoren als dieselgeneratoren, dieseltreinen en ander zwaar materieel. De korte explosieve leverantie van energie om de motoren te starten kan zeer goed door ultracondensatoren geleverd worden.
• Bij datacentra, worden supercondensatoren ingezet om in geval van stroomuitval de tijd te overbruggen welke de noodstroomvoorziening nodig heeft om de stroomvoorziening over te nemen.
• In de consumentenmarkt zijn reeds producten waarin de supercondensator is toegepast, zoals voorheen genoemde schroef-boormachine.

Ultracondensator: alleen maar voordelen?

“Elk voordeel heeft zijn nadeel”, wordt er wel eens gezegd en ook de ultracondensatoren hebben enkele nadelen. De snelle afgifte van zijn lading is soms een voordeel, maar kan ook een nadeel zijn. Denk bijvoorbeeld maar eens aan een laptop of smartphone. Met de huidige generatie ultracondensatoren kun je al een halfuurtje bellen, maar dat is nog niet te vergelijken met een Li-ion batterij. De stroomafgifte, of ontlading verloopt niet erg constant. Op het moment zijn de ultracondensatoren nog redelijk duur.

Conclusie: de super- of ultracondensatoren beloven veel voor de toekomst. Niet alleen wat betreft gebruikersgemak, maar zeker ook als schoon alternatief voor de batterij. Het wachten is nog op de technische ontwikkelingen die de supercondensator het laatste zetje geeft om geleidelijk aan de batterijen en accu’s te vervangen.