Ultra kondansatör veya çift katmanlı kondansatör olarak da bilinen süper kondansatör, çok yüksek sığaya (kapasitansa) sahip olması nedeniyle normal bir kondansatörden farklıdır. Bir kondansatör, elektrokimyasal reaksiyonun aksine, statik bir yük aracılığıyla enerjiyi depolar. Pozitif ve negatif plakalara bir voltaj farkı uygulamak kondansatörü şarj eder. Bu, bir halı üzerinde yürürken elektrik yükünün birikmesine benzer. Bir nesneye parmakla dokunmak, enerjiyi o parmak üzerinden serbest bırakır.
Üç tip kondansatör vardır ve en temel olanı kuru ayırıcılı elektrostatik kondansatördür. Bu klasik kondansatörün sığası çok düşüktür ve esas olarak radyo frekanslarını ayarlamak ve filtrelemek için kullanılır. Sığası birkaç pico-farad (pf) ile mikrofarad (μF) arasında değişir.
Elektrolitik kondansatör elektrostatik kondansatörden daha yüksek sığa sağlar ve bir picofarad dan bir milyon kat daha büyük olan mikrofarad (μF) olarak derecelendirilir. Bu kondansatörler içinde bir nemli ayırıcı katmanı bulunur ve filtreleme, tamponlama ve sinyal bağlama için kullanılır. Elektrostatik kondansatör de bir batarya gibi dikkat edilmesi gereken pozitif ve negatife bağlantılara sahiptir.
Üçüncü tip ise elektrolitik kondansatörden binlerce kat daha yüksek olan farad cinsinden derecelendirilmiş süper kondansatördür. Süper kondansatör kısa süreli yüksek akım ve sık şarj ve deşarj döngülerine gerektiren enerji depolaması için kullanılır.
Farad, İngiliz fizikçi Michael Faraday‘ın (1791–1867) adını taşıyan bir kapasite birimidir. Bir farad, bir volt uygulandığında bir coulomb elektrik yükü depolar. Bir mikrofarad, bir faradtan bir milyon kat daha küçüktür ve bir pico-farad yine mikrofaradtan bir milyon kat daha küçüktür.
General Electric’teki mühendisler ilk olarak 1957’de süper kondansatörün ilkel bir uyarlamasını denediler, ancak o zamanlar bu buluşun bilinen hiçbir ticari uygulaması yoktu. 1966’da Standard Oil, deneysel yakıt hücresi tasarımları üzerinde çalışırken kazara çift katmanlı kondansatörün etkisini yeniden keşfetti.
Çift katman, enerji depolama yeteneğini büyük ölçüde geliştirdi. Ancak Standard Oil buluşu ticarileştirmedi ve 1978’de teknolojiyi bilgisayar belleği yedeklemesi için “süper kondansatör” olarak pazarlamayı planlayan NEC’e lisansladı. 1990’larda malzemelerde ve üretim yöntemlerinde yaşanan gelişmeler, performansın artmasına ve maliyetin düşmesine neden oldu.
Süper kondansatör, özel elektrotlar ve elektrolitikler kullanarak gelişti ve sonunda batarya teknolojisi ile yolları kesişti. Ana yapı olan “Elektrokimyasal Çift Katmanlı Konsansatör” (EDLC) çalışma prensibi elektrostatik harekete bağlı olsa da, gelişmiş “Asimetrik Elektrokimyasal Çift Katmanlı Kondansatör” (AEDLC), daha yüksek enerji yoğunluğu elde etmek için batarya benzeri elektrotlar kullanır, ancak bu, daha kısa bir çevrim ömrüne ve bataryalardaki gibi çeşitli problemleri yanında getirir. Grafen elektrotlar, süper kondansatörler ve bataryalar için gelişmeler vaat ediyor olsa da bunların hiçbirinin yakın gelecekte gerçekleşebileceği düşünülmüyor.
Zaman içinde çeşitli elektrot türleri denense de günümüzde kullanılan en yaygın sistemler karbon bazlı, organik bir elektrolite sahip ve üretimi kolay elektrokimyasal çift katmanlı kondansatör üzerine inşa edilmiştir.
Tüm kondansatörlerin gerilim sınırlamaları vardır. Elektrostatik kondansatör yüksek gerilime dayanacak şekilde yapılabilirken, süper kondansatörler 2,5–2,7V ile sınırlıdır. 2.8V ve daha yüksek gerilimler mümkün olsa da bu hizmet ömrünü kısaltır. Daha yüksek gerilim elde etmek için birkaç süper kondansatör seri olarak bağlanabilir. Ama seri bağlantı toplam sığayı düşürür ve iç direnci artırır. Üçten fazla seri süper kondansatör dizileri herhangi bir hücrenin aşırı strese girmesini önlemek için gerilim dengelemesi gerektirir. Bu nedenle lityum iyon bataryalarda kullanılanlara benzer bir koruma devresini gerektirirler.
Süper kondansatörün özgün enerjisi 1 Wh / kg ila 30 Wh / kg arasında değişir, Li-iyon’dan 10–50 kat daha azdır. Boşalma eğrisi ise süper kondansatörün diğer bir dezavantajıdır. Elektrokimyasal batarya, kullanılabilir güç bandında sabit bir gerilim sağlarken, süper kondansatörün gerilimi kullandıkça doğrusal bir oranda azalır ve kullanılabilir güç genişliğini azaltır. (Bakınız Piller-501: Boşaltmayla İlgili Temel Bilgiler.)
Örnek olarak gerilim çıkışı kesilmeden önce 4,5V’a kadar deşarj olmasına izin verilen 6V’luk bir güç kaynağını alalım. Süper kondansatör bu voltaj eşiğine ulaştığında, doğrusal deşarj enerjisinin yalnızca %44’ünü sağlar; kalan %56 ise kondansatör üzerinde atıl olarak kalır.
Bağlanacak bir DC-DC dönüştürücü, alçak gerilim bandında kalan enerjiyi kurtarmaya yardımcı olabilir, ancak bu da hem maliyeti arttırır hem de güç kayıplarını beraberinde getirir. Buna karşılık, düz deşarj eğrisine sahip bir batarya, voltaj kesim eşiğine ulaşmadan önce sakladığı enerji rezervinin yüzde 90 ila 95’ini geri verir.
Şekil 1 ve 2, bir süper kondansatörün şarjı ve deşarjı sırasındaki voltaj ve akım özelliklerini gösterir. Şarjda, voltaj doğrusal olarak artar ve tam şarj algılama devresine ihtiyaç duyulmadan kondansatör dolu olduğunda akım çekimi düşer. Bu, kondansatörün belirtilen çalışma gerilimi için uygun olan sabit akım beslemesi ve gerilim sınırı için geçerlidir; gerilimin aşılması kondansatöre zarar verebilir.
![]() |
Şekil 1: Bir süper kondansatörün şarj profili.Sabit bir akım şarjı sırasında voltaj doğrusal olarak artar. Kondansatör dolduğunda, akım varsayılan olarak düşer. |
![]() |
Şekil 2: Bir süper kondansatörün deşarj profili.Gerilim, deşarj sırasında doğrusal olarak düşer. Eklenecek bir DC-DC dönüştürücü, düşen voltajla daha yüksek akım çekerek watt seviyesini korur. |
Bir süper kondansatörün şarj süresi 1–10 saniyedir. Şarj özelliği elektrokimyasal bir bataryaya benzer ve şarj akımı büyük ölçüde şarj cihazının verebileceği en yüksek akım kapasitesi ile sınırlıdır. İlk şarj çok hızlı yapılabilir ve tamamlama şarjı da deşarj miktarına göre zaman alacaktır. Boş bir süper kondansatör şarj edilirken, şarj kaynağının verebileceği bütün her şeyi emeceğinden, ani akımın sınırlandırılması için önlem alınmalıdır. Süper kondansatörlerde aşırı şarj diye bir olgu yoktur ve bu nedenle tam şarj tespiti yapılması gerekmez; tam dolu olduğunda akım akışı durdurur.
Tablo 3, süper kondansatör ile tipik bir Li-iyonu karşılaştırmaktadır.
Fonksiyon | Süper kondansatör | Lityum-iyon (genel) |
Şarj süresi | 1–10 saniye | 10–60 dakika |
Döngü ömrü | 1 milyon ya da 30,000 saat | 500 ve daha üstü |
Hücre gerilimi | 2.3 to 2.75V | 3.6V nominal |
Özgün enerji (Wh/kg) | 5 (tipik) | 120–240 |
Özgün güç (W/kg) | 10,000 e kadar | 1,000–3,000 |
kWh başına maliyet | $10,000 (tipik) | $250–$1,000 (büyük sistemlerde) |
Servis ömrü (endüstriyel) | 10-15 sene | 5-10 sene |
Şarj ısısı | –40 to 65°C | 0 to 45°C |
Deşarj ısısı | –40 to 65°C | –20 to 60°C |
Tablo 3: Süper kondansatör ve Li-ion arasındaki performans karşılaştırması (Kaynak: Maxwell Technologies, Inc.)
Teorik olarak süper kondansatör neredeyse sınırsız sayıda şarj edilip boşaltılabilir. Tanımlanmış bir çevrim ömrüne sahip olan elektrokimyasal bataryanın aksine, bir süper kondansatörün şarj/deşarj döngüsünde çok az aşınma ve yıpranma olur. Ayrıca zaman süper kondansatör için bir bataryadan daha naziktir, bataryalar zaman içinde verim, güvenirlilik ve yapısal tahribata uğrarken bu etkiler süper kondansatörlerde görülmez ya da çok az etkilenir.
Normal koşullar altında bir süper kondansatör ilk günkü yüzde 100 kapasitesinden 10 yıl içinde yüzde 80’e düşer. Ancak üzerinde belirtilenden daha yüksek gerilim uygulamak ömrünü kısaltır. Süper kondansatör aşırı ısı değişikliklerine karşı daha dayanıklıdır, bu da bataryaların yanına bile yaklaşamadığı bir avantajıdır.
Bir süper kondansatörün kendi kendine deşarjı, bir elektrostatik kondansatörkinden önemli ölçüde daha yüksek ve bir elektrokimyasal bataryadan da biraz daha yüksektir. Bu deşarja katkıda bulunan ise kullandığı organik elektrolittir. Süper kondansatör 30 ila 40 gün içinde yüzde 100 ila 50 arasında boşalırken kurşun ve lityum bazlı bataryalarda kendi kendine boşalma ayda yaklaşık yüzde 5 civarındadır.
Süper Kondansatöre Karşı Batarya
Süper kondansatörün bir batarya ile karşılaştırılmasının yararları vardır, ancak aradaki benzerliklere güvenmek bu platformun daha derinlemesine anlaşılmasını engeller. İşte batarya ve süper kondansatörün arasındaki benzersiz farklar;
Bir bataryanın kimyası, çalışma gerilimini belirler, şarj ve deşarj elektrokimyasal reaksiyonlardır. Karşılaştırıldığında, kondansatör elektrokimyasal değildir ve izin verilen maksimum voltaj, plakalar arasında ayırıcı olarak kullanılan dielektrik malzeme türüne göre belirlenir. Bazı kondansatörlerde elektrolit bulunması sığayı (kapasitansı) artırır ve bu kafa karışıklığına neden olabilir.
Süper kondansatör kimyasal olmadığından gerilim dielektrik tabaka arızalanana kadar serbestçe yükseltilebilir. Bu arıza genellikle bir kısa devre şeklindedir. Bu nedenle belirtilen çalışma geriliminin üzerine çıkmaktan kaçınılmalıdır.
Uygulamalar
Süper kondansatör genellikle yanlış anlaşılır ve hiç bir zaman uzun süreli enerji depolamak için kullanılabilecek bir batarya yerine geçebilecek bir platform değildir. Örneğin, şarj ve boşalma süreleri 60 saniyeden fazlaysa, bir batarya kullanılması gerekir, ama daha kısaysa, süper kondansatör ekonomik hale gelir.
Süper kondansatörler kısa süreli bir güç ihtiyacını karşılamak için hızlı bir şarj gerektiğinde idealdir; bataryalar ise uzun vadeli enerji sağlayacak uygulamalarda kullanılır. Bu iki platformu hibrit bir bataryada birleştirmek hem bu iki gereksinime cevap olabilir hem de batarya üzerindeki stresi azaltır ve bunun neticesi de daha uzun bir hizmet ömrüne dönüşür. Bu tür bataryalar bugün kurşun asit ailesinde mevcuttur.
Süper kondansatörler, birkaç saniyeden birkaç dakikaya kadar süren güç açıklarını kapatmak için en ideal çözümdür ve hızlı bir şekilde yeniden şarj edilebilirler. Bu özelliği ile süper kondansatör bir motor volanına benzer nitelikler sunar.
Süper kondansatörün volana karşı rekabet ettiği bir uygulama da New York’taki Long Island Rail Road (LIRR) denemesidir. (LIRR, Kuzey Amerika’daki en yoğun demiryollarından biridir).
LIRR hatlarında çalışan bir trenin hızlanması sırasında oluşan gerilim düşüşünü önlemek ve o hızlanma süresinde gereken şebekeden aşırı yüksek güç kullanımını azaltmak için New York’ta 2MW’lık bir süper kondansatör bankası (seri ve paralel bağlanmış çok yüksek sayıda kondansatör), 2.5MW güç sağlayan jeneratörler üzerinde takılı volanlara karşı test ediliyor. Her iki sistem de belirtilen megawatt kapasitelerinde 30 saniye boyunca sürekli güç sağlamalı ve aynı anda tam olarak şarj edilmelidir. Amaç, nominal gerilimin yüzde 10’u dahilinde bir düzenleme elde etmektir. Ayrıca her iki sistem de az bakım gerektirmeli ve 20 yıl dayanmalıdır. (Yetkililer, volanların bu uygulama için bataryalardan daha sağlam ve enerji verimli olduğuna inanıyor, tabi ki bunu bize zaman gösterecek.)
Ayrıca Japonya da büyük süper kondansatörler kullanıyor. 4MW’lık süper kondansatör sistemleri yoğun talep anlarında şebeke üzerindeki yükleme baskısını azaltmak için ofis olarak kullanılan binalara kuruldu. Diğer uygulamaları ise güç kesintileri sırasında yedek jeneratörlerin başlayıp tam çıkış verdikleri ana kadar geçen zamanda hatta güç sağlamaktır.
Süper kondansatörler ayrıca elektrikli güç aktarma organlarında da önemli bir yer kaptı. Rejeneratif frenleme sırasında ultra hızlı şarj yapma yeteneği ve hızlanmada yüksek akım verebilmesi, süper kondansatörün hibrit araçlar ve yakıt hücresi uygulamaları için bir ani yük artırıcı olarak ideal çözüm olmasını sağlıyor. Bunun yanında geniş çalışma ortam ısısı ve uzun ömrü bataryaya göre avantaj sağlıyor.
Süper kondansatörler düşük özgün enerjiye sahiptir ve watt başına maliyet açısından pahalıdır. Bazı tasarım mühendisleri, süper kondansatör için harcanacak paranın daha büyük bir bataryaya harcanmasının daha iyi olacağını savunuyor. Tablo 4, süper kondansatörün avantajlarını ve sınırlamalarını özetlemektedir.
Avantajları | Neredeyse sınırsız çevrim ömrü; milyonlarca kez şarj ve deşarj edilebilir Yüksek özgün güç; düşük direnç, yüksek yük akımlarını mümkün kılar Saniyeler içinde şarj olur; şarj sonunda bağlı gerilimin kesilmesi gerekmez Basit şarj döngüsü; sadece ihtiyacı olanı çeker; aşırı şarj edilemez Güvenli; kötü kullanıma dayanıklı Düşük sıcaklıkta mükemmel bir şarj ve deşarj performansı |
Sınırlamaları | Düşük özgül enerjn; normal bir bataryanı çok daha azı Doğrusal deşarj gerilimi, tam enerji spektrumunun kullanılmasını engeller Yüksek kendi kendine deşarj; çoğu bataryadan daha yüksek Düşük hücre voltajı; voltaj dengelemeli seri bağlantılar gerektirir Watt başına yüksek maliyet |
Tablo 4: Süper kondasatörlerin avantajları ve sınırlamaları.