Remvermogen

De supercondensator is krachtig en snel genoeg om remenergie op te slaan. En er weer mee op te trekken. Michiel van Nieuwstadt

Een supercondensator bestaat uit elektroden en een elektrolyt ertussenin. Ionen aan de elektroden vormen een dubbele, elektrostatische laag. Links: een vuilniswagen verliest veel energie met remmen en optrekken. Garbage truck. Jupiterimages

Nederlandse trams hebben ze nog niet, maar tramstations in Keulen, Madrid en Peking zijn er al mee uitgerust: supercondensatoren. Als de trams remmen voor een halte, gaat niet alle bewegingsenergie als warmte verloren. Veel van de energie wordt via de bovenleiding doorgegeven, opgeslagen naast de trambaan, en bij vertrek weer aangesproken om trams in gang te zetten.

“Het levert al gauw een besparing op van twintig procent”, zegt Hans Hellendoorn, hoogleraar meet- en regeltechniek in Delft en werkzaam bij Siemens, het bedrijf dat de supercondensatoren installeert. Ook in bussen, vrachtwagens en havenkranen valt met supercondensatoren veel energie te besparen, zo schrijven John Miller van de Amerikaanse condensatorleverancier JME en Patrice Simon van de Université Paul Sabatier in Toulouse in een overzichtsstuk (Science, 31 juli).

Supercondensatoren leveren honderden tot duizenden keren meer vermogen dan batterijen, aldus de auteurs. Een supercondensator is bovendien miljoenen keren geheel te laden en ontladen, tegen een paar duizend keer voor een batterij. De energiedichtheid, de hoeveelheid energie die per kilogram kan worden opgeslagen, was altijd het zwakke punt van de condensator, maar dankzij de toepassing van zeer poreus koolstof in supercondensatoren is er op dit terrein veel vooruitgang.

vliegwiel

Elke keer dat een automobilist of chauffeur op de rem trapt gaat kostbare energie verloren. “Bij een vuilniswagen of taxi kan het energieverlies van remmen en optrekken oplopen tot veertig procent”, zegt Erik Verhaeven van het Belgische technologie-instituut Vito. Die remenergie kun je opslaan in een supercondensator, maar ook in een mechanisch vliegwiel. Tot 2006 reed een tram van de Rotterdamse ret met zo’n vliegwiel over de Erasmusbrug. ''De proef was succesvol'', zegt vliegwielexpert Frans Thoolen van het Eindhovense ingenieursbureau CCM. Producent Alstom heeft het vliegwiel nog niet op de markt gebracht, aldus Thoolen, omdat er eind 2006 tijdens bedrijfstesten onder zware belasting een ongeval gebeurde.

kwetsbaar

Thoolen wijst erop dat zelfs in de Formule 1 met vliegwielen wordt geëxperimenteerd. Maar Science-auteur Miller toont zich sceptisch. “Een vliegwiel is inherent kwetsbaar door zijn mechanische onderdelen”, schrijft hij in een e-mail.

Net als een batterij slaat een condensator elektrische energie op. Niet in chemische verbindingen – wat een batterij doet – maar in een spanningsverschil tussen twee metalen platen, met een isolator ertussenin. De energiedichtheid van condensatoren in conventionele elektronica is minder dan een miljoen keer die van een batterij. Supercondensatoren komen met een energiedichtheid van 4 wattuur per kilogram tenminste in de buurt van een conventionele loodzuur accu (40 wattuur per kilogram).

De energiedichtheid van een vliegwiel all in is grofweg met de supercondensator vergelijkbaar. Volgens Thoolen werd in het 150 kilogram zware vliegwiel op de Rotterdamse tram (1.000 kilogram inclusief behuizing en bedrading) vier kilowattuur aan energie opgeslagen, genoeg om twee kilometer ver te rijden.

De opslagcapaciteit van supercondensatoren is zo groot, schrijven Miller en Simon in Science, omdat tussen beide geladen platen dunne laagjes koolstof zijn aangebracht, gescheiden door een separator (zie tekening). De poreuze koolstof wordt gevuld met een elektrolyt, de oplossing van positief en negatief geladen ionen die in een batterij chemisch reageert aan de elektroden. In de supercondensator reageren de ionen niet, ze stromen door de separator, die kortsluiting voorkomt, en vormen twee laagjes aan de elektroden. De enorme capaciteitsverbetering van de supercondensator is te danken aan de vele gaatjes en kanaaltjes in de koolstof waardoor de supercondensator een effectief oppervlak heeft van duizenden vierkante meters.

Het Russische bedrijf Esma levert hybride supercondensatoren met een energiedichtheid van meer dan tien wattuur per kilogram, aldus Miller en Simon. In deze supercondensatoren zit ook één conventionele batterijelektrode. De auteurs verwijzen naar recente Russische en Japanse publicaties waarin voor supercondensatoren een energiedichtheid van 20 kilowattuur per kilogram wordt gerapporteerd, tegen lage kosten.

In Moskou rijden bussen en vrachtwagens met een bereik van 10 tot 30 kilometer op de supercondensatoren van Esma. Ze gebruiken de condensator dus niet als hulp bij het wegrijden, maar ter vervanging van de benzinetank. Toch ziet de Fransman Simon voor de supercondensator in de eerste plaats een rol als vermogensbuffer. Die functie heeft de supercondensator in de trams, maar ook in auto’s als de Toyota Prius, een hybride voertuig met een verbrandingsmotor én een batterij die oplaadt bij het remmen. “De supercondensatoren in de Prius zorgen ervoor dat de batterij als energiepakket voor de aandrijving niet helemaal hoeft te worden aangesproken”, zegt Erik Verhaeven.

De capaciteit van ’s werelds beste supercondensatoren is nu nog onvoldoende om de benzinetank overbodig te maken. Het Delftse bedrijfje Epyon werkte tot voor enkele jaren aan de ontwikkeling van snelladers voor supercondensatoren, maar directeur Crijn Bouman heeft besloten om volledig in te zetten op de lithiumbatterij. “Supercondensatoren zijn te duur”, zegt hij. “Nuttig als je gedurende korte tijd een grote energiepuls nodig hebt, maar in een auto heb je energie nodig voor langere tijd. Dan is de lithiumbatterij superieur.”

Nadeel van de supercondensator is dat hij werkt bij een lage spanning. Bij een spanning van meer dan een paar volt gaan de ionen reageren met de koolstof waar ze tegenaan geplakt zitten.

octrooi

Het Amerikaanse bedrijf Eestor oogst veel publiciteit met een supercondensator met bariumtitanaat die moet gaan werken bij een hoger voltage. In een octrooi claimt Eestor een energiedichtheid die de lithiumbatterij overtreft. Risicofinancier Kleiner Perkins (bekend van zijn investering in Google) heeft geld gestoken in Eestor, Lockheed Martin wil de supercondensatoren in gevechtsvliegtuigen bouwen en het Canadese Zenn Motor heeft het exclusieve recht voor toepassing in elektrische auto’s. Bouman houdt twijfels: “Eestor heeft weinig concreets laten zien. En de hoge voltages waarmee ze werken zijn in auto’s nog niet toepasbaar.”

    • Michiel van Nieuwstadt