Myšlenka použít kondenzátor k dočasnému uložení elektrické energie je prostá a vlastně už stará, technologické zvládnutí výroby malých kondenzátorů s dostatečně velkou kapacitou na to, aby výsledek měl praktický význam pro pohon, se však podařilo až v nedávné době.
Není to tak dlouho, co se i na odborných školách učilo, že jednotka kapacity 1 F je pro praxi příliš velká a používají se jen její zlomky, zejména mikro, nano a pikofarady. To již neplatí, alespoň doslova určitě ne. Jako první se na trhu objevily malé elektrolytické kondenzátory s kapacitou kolem 1 F na napětí 5,5 V určené k zálohování napájení pamětí v elektronických přístrojích. Vydrží dodávat nepatrný proud desítky minut až hodin, dostatečnou dobu na to, aby naběhl záložní zdroj, aby se vyměnil primární napájecí článek nebo dokonce aby se vyndal z přístroje akumulátor, externím nabíječem nabil, a zase vložil do přístroje. K pohonným účelům se však takové kondenzátory použít nedají, mají příliš velký vnitřní odpor.
Nové „superkapacitory“ s kapacitou ne jednotek, ale rovnou desítek, stovek až tisíců faradů a velmi malým vnitřní odporem se již vyrábí a aplikují. Ty nejmenší jsou v podobě polštářků s radiálními vývody, větší mívají válcový tvar a rozměry přibližně jako monočlánek. Často se z nich dále sestavují větší moduly. Vnitřní struktura kondenzátorů je odlišná od klasických, mezi elektrodami je navíc tenký separátor a elektrolyt na obou jeho stranách vyplňují jemná zrna aktivního uhlíku. Experimentuje se s uhlíkovými nanotrubicemi s obrovským povrchem, které by kapacitu dále zvýšily, nevýhodou je však zatím vysoká výrobní cena. Oproti standardním elektrolytickým kondenzátorům vzrostla kapacita v poměru ke hmotnosti i objemu přibližně stokrát, současně kleslo průrazné napětí na 1,2 až 3 V, takže kondenzátory na vyšší napětí se musí skládat sériovým řazením.
Superkapacitory svými parametry vyplňují prostor mezi elektrochemickými zdroji proudu (akumulátory) a klasickými kondenzátory. Poskytují nyní asi 10x méně energie na jednotku hmotnosti než elektrochemické zdroje, na druhou stranu jejich životnost při podobném zhoršení parametrů (nejčasněji se uvažuje ztráta 10% kapacity) dosahuje desítek let a zcela nesrovnatelná je opakovatelnost použití. Zatímco akumulátory typicky přežijí 100 až 1000 úplných cyklů, kondenzátory jich zvládají miliony, přitom nabít je lze během několika sekund a účinnost uchování energie 95% není výjimečná. Další vývoj vypadá velmi slibně, u vzorků se již podařilo dosáhnout podobné hustoty energie jako mají současné lithiové akumulátory.
Hlavní využití se zatím předpokládá v automobilech s hybridním nebo elektrickým pohonem, kde superkapacitory akumulují energii brždění a následně ji mohou rychle vydat při rozjezdu, protože jako jediné umí účinně uložit energii odebranou vozu při brzdění. Takový kondenzátor, jenž zvládne po dobu 5 s poskytovat výkon 10 – 20 kW, je na dynamice jízdy auta už hodně znát. Typické využití najdou kondenzátory tam, kde je možné pravidelně akumulovat energii delší dobu a pak ji vydat v krátké době s velkým výkonem, nebo tam, kde se musí zabezpečit krátký provoz při výpadku hlavního zdroje. Nevýhodou kondenzátorů jsou velké změny napětí při ukládání i výdeji energie, proto větší bloky bývají kombinovány se spínanými zdroji, které se v širokých mezích postarají o konstantní výstupní napětí. Již dnes je reálné napájet z kondenzátorů drobná elektronická zařízení jako jsou čtečky kódů, dálkové ovladače spotřební elektroniky, bezdrátové telefony, dokonce celá PC zálohovat po desítky sekund.
Superkondenzátory v kombinaci s elektromotorem nabízejí podstatně vyšší výkon na jednotku hmotnosti než napájení akumulátory, i když jen po krátkou dobu. Mohou být nabité i za několik sekund a stejně tak dodají výkon třeba jen několik sekund. Není moc známé, že třeba akcelerační systém KERS závodních vozů F1 je založen právě na superkondenzátorech. V akceleraci dodává asi 60 kW výkonu, což je přibližně 10% plného výkonu pohonu. Ale těch 10% rozhoduje při výjezdu ze zatáčky i předjíždění. Novější údaje už hovoří o stovkách kW bez bližšího upřesnění, podíl KERS na špičkovém výkonu se postupně zvyšuje.
S pojmem rekuperace, tedy zpětné přeměny pohybové energie na elektrickou, se můžeme setkat dosti často. Ve spojení s akumulátory však rekuperace dosahuje jen malé účinnosti, protože elektrochemickým procesům v akumulátorech trvá určitou dobu (desítky sekund až minuty), než „přepnou“ z vybíjení na nabíjení s dobrou účinností. Kondenzátoru je to jedno, přijme i vydá energii kdykoli, okamžitě a se stejnou účinností. Nejen z tohoto důvodu slibují superkodenzátory výraznou proměnu přístupu k elektronice i dimenzování všech elektrických pohonných agregátů používaných krátkodobě.
I další vlastnosti superkondenzátorů jsou velmi příznivé. Například na rozdíl od akumulátorů jim nevadí nízké teploty, z tohoto důvodu slouží jako startovací zdroj pro auta v arktických podmínkách. Akumulátor pomalu nabije kondenzátor, ten roztočí spouštěč. Také životnost superkondenzátorů až několik desetiletí překonává akumulátory a počet úplných nabíjecích a vybíjecích cyklů dosahuje stovek tisíc až milionů, o jeden až dva řády více než u akumulátorů. Příkladem nevhodného použití akumulátorů a naopak aplikace vyhovující vlastnostem superkondenzátorů jsou zahraní lampičky napájené ze solárních článků, které se přes den nabijí a celou noc svítí. S používanými akumulátory NiMH, navíc při velkém střídání teplot a hlubokém vybíjení, nemají akumulátory dlouhou životnost.
Od vývojových trendů a špičkových technologií přejděme k tomu, co je běžně použitelné a finančně dostupné už dnes, i když se o tom příliš neví.
S ohledem na hustotu energie na jednotku hmotnosti je v blízké době nepravděpodobné, že by se superkapacitory významněji uplatnily jako hlavní pohonný zdroj mobilních zařízení včetně robotů, mohou se ale už nyní významně podílet, pokud pohonný zdroj dodává průběžně malý proud postačující k ustálenému chodu, ale nezvládne (nemusí zvládnout) nárazový větší odběr. Typickým příkladem je malý průběžně fungující vodíkový palivový článek doplněný superkapacitory, které dodávají proud pro akceleraci.
Malý model letadla s pohonem na gumu si asi každý dovede představit. Prodávaná modernější verze tohoto modelu nebo spíše hračky má pohon elektromotorem napájeným z jednoho malého superkapacitoru o kapacitě 3 – 4 F na napětí 2,7 V. Hmotnost superkapacitoru je kolem 1 g. Letadlo je z polystyrénu odstříknutého do formy, motor pochází z vibračního vyzvánění mobilního telefonu. Před letadlem na stojánku je „nabíječ“, tím je ve skutečnosti jen pouzdro na dva tužkové články vybavené konektorem, nic víc. Model neobsahuje žádnou elektroniku, jen základní obvod motor – vypínač – kondenzátor (místo zdroje) a odbočku na nabíjecí konektor – vlastně to ani odbočka není, jen vývody protažené otvorem v plastu (viz foto).
Použití letadélka je krajně jedhoduché. Připojíme „nabíječ“ na 5 sekund (k reálnému nabití stačí asi 2 s, nicméně počáteční proud přesahuje 3,5 A), odpojíme nabíječ, zapneme vypínač a letadélko vypustíme. V klidu letí průměrně 12 – 15 s, z toho během poloviny doby vystoupá do výšky 3 – 5 m, pak s postupnou ztrátou výkonu pohonu plynule klesá. Motor běží po celou dobu letu, zvládne se točit až 30 sekund.
Proti pohonu gumou je superkapacitor jako zdroj energie mnohem pohodlnější, rychle se nabije, průběh kroutícího momentu je vhodný. Životnost je téměř neomezená, to dřív „odejde“ motor.
Co z toho plyne? V levné hračce úspěšně pohání kapacita 3 F malý motor po dobu kolem 10 s a cena podobného superkapacitoru se pohybuje kolem 25 Kč. Dostupné jsou ale podstatně vyšší kapacity a s podstatně nižším vnitřním odporem (0,003 až 0,0003 ohmu). Na pokusy bych doporučil superkapacitory 3,3 F/ 2,5V ze sortimentu firmy PS electronic, případně větší verzi 22 F / 2,5 V . Větší kapacity už mohou napájet i větší motory, budeme je však muset objednat třeba u firmy Farnell, kde jich najdeme velké množství typů.
Jako příklad si uvedeme „poněkud dražší“ ale současně nekompromisně výkonný kondenzátor 3 kF (=3000F !!) / 2,7 V s přípustným špičkovým proudem 2,2 kA (=2200 A !!) a možným trvalým (rozumějme od stavu nabití do stavu vybití) proudem 145 A. Katalogový list je zde. Uložená energie je až 3 Wh. S touto energií lze pohánět motor s výkonem 3W po dobu jedné hodiny, motor 30W (což už je slušné na pohon malého robota) po dobu 6 minut nebo 1 minutu motor o výkonu 180 W. Ono to tak sice v praxi nefunguje, protože nejde reálně využít všechnu uloženou energii. Když napětí klesne pod určitou mez, nezvládne už hnát pohonný motor. I pokud využijeme 3/4 energie, zbytek se neztratí, zůstane v kondenzátoru a příště ji nemusíme dobít, vlastně se projeví spíš jako nižší kapacita.
Aby se dala energie lépe využít, představme si tři tyto kondenzátory v sérii, tedy blok s kapacitou 1000 F / 8,1 V. To už je napětí, které motor snadno zužitkuje. Pokud budeme vybíjet blok na napětí 3,5 V (napětí vhodné pro napájení CMOS elektroniky po stabilizaci), budeme mít k dispozici energii 7,4 Wh, to stačí na živý pohyb asi kilogramového robota po dobu deseti minut. Fyzikální zákony se ale obejít nedají, budeme-li chtít tento zdroj plně nabít třeba za 1 minutu (což bez problémů jde), budeme muset mít nabíječ schopný dodat proud více než 60 A.
Superkondenzátory nejsou (zatím) levným zdrojem respektive akumulátorem energie, ale dostupné a dostatečně výkonné pro malá mobilní zařízení už určitě jsou. Někdy příště si to ukážeme na praktickém příkladu použití ve větším modelu poháněném výhradně superkondenzátory a na příkladech zařízení potřebných pro jejich obsluhu.