Baterie: Jaké jsou možnosti?

S tím, jak se svět stále více přiklání k obnovitelným zdrojům energie a úložištím energie na úrovni rozvodné sítě, je výhodné porozumět různým dostupným technologiím baterií. Každý typ baterie nabízí jedinečné vlastnosti, díky kterým je vhodný pro specifické aplikace, od stabilizace rozvodné sítě po záložní napájecí systémy. V tomto příspěvku prozkoumáme hlavní typy stacionárních baterií, chemické principy jejich funkce, typické aplikace a výhody i nevýhody jednotlivých technologií. 

Předtím, než se podíváme na jednotlivé typy baterií, je užitečné  si připomenout pár faktů. Všechny baterie jsou elektrochemická zařízení a jako taková nevyhnutelně podléhají zákonům, jimiž se řídí rychlost chemických reakcí. Všechny baterie ovlivňuje především teplota. Vysoké teploty vedou ke zkrácení životnosti baterie, nízké ke snížení její kapacity a výkonu. Baterie, u kterých se vyžaduje provoz při neobvykle vysokých či nízkých teplotách, je třeba vybírat a volit jejich velikost zvlášť pečlivě.

 

Olověné baterie

Olověné baterie jsou jednou z nejstarších a nejzavedenějších technologií nabíjecích baterií. Používají se již déle než sto let v široké škále aplikací, od startování automobilů po napájecí zdroje a úložiště energie nepřipojená k rozvodné síti.

Chemické složení

Olověné baterie se skládají z kladných elektrod oxidu olovičitého (PbO2) a záporných z houbovitého olova (Pb), které jsou ponořeny do elektrolytu z kyseliny sírové (H2SO4).

Typy

1. Olověné odvětrané (VLA): Označují se i jako zaplavené olověné baterie a proto vyžadují pravidelné doplňování vody.
2. Olověné regulované ventilem (VRLA): Hermeticky uzavřené typy baterií s netkanou textílií ze skelných vláken AGM a gelové. Vyžadují pravidelné testování, protože pracují v režimu hraničního nedostatku elektrolytu.

Typické aplikace

• Záložní napájení pro telekomunikace a datová centra
• Systémy obnovitelné energie nepřipojené i připojené k rozvodné síti
• Nepřerušitelné napájecí zdroje (UPS)
• Nabíjecí stanice elektromobilů
• Startování vozidel se zážehovými a vznětovými motory

Výhody

• Osvědčená technologie s dlouhou historií: Znamená to, že je k dispozici nepřeberné množství znalostí a zkušeností s jejich použitím a údržbou.
• Nízké počáteční náklady: Olověné baterie často představují nejekonomičtější volbu pro potřeby krátkodobého úložiště energie.
• Vysoce recyklovatelné: Téměř 100 % olověné baterie lze recyklovat, díky čemuž představují volbu zodpovědnou vůči životnímu prostředí.
• Spolehlivé a tolerantní k přebíjení: Pokud jsou správně řízeny, mohou olověné baterie odolat příležitostnému přebíjení bez významného poškození.

Nevýhody

• Nižší hustota energie v porovnání s novějšími technologiemi: Vyžadují více prostoru k uložení stejného množství energie než pokročilejší typy baterií.
• Kratší životní cyklus, zejména v případě hlubokého vybití: Pravidelné hluboké vybití může významně zkrátit životnost olověných baterií.

 

Lithium-iontové baterie

Díky své vysoké hustotě energie a účinnosti vyvolaly lithium-iontové baterie revoluci v oboru úložišť energie. Jsou stále oblíbenější v úložištích energie na úrovni rozvodné sítě, elektromobilech a přenosné elektronice.

Chemické složení

Lithium-iontové baterie používají jako kladnou elektrodu sloučeninu lithia, jako zápornou obvykle grafit. Elektrolyt je sůl lithia v organickém rozpouštědle.

Typy

1. Lithium-nikl-mangan-kobalt oxidové baterie (Li-NMC): Nabízejí dobrou rovnováhu hustoty energie a výkonu.
2. Lithium-železo-fosfátové baterie (LFP): Jsou známé svou bezpečností a dlouhou životností.
3. Lithium-nikl-kobalt-hliník oxidové baterie (Li-NCA): Poskytují vysokou hustotu energie.
4. Lithium-mangan oxidové baterie (Li-MO): Nabízejí dobrou tepelnou stabilitu a bezpečnost.

Typické aplikace

• Úložiště energie na úrovni rozvodné sítě a stabilizace rozvodné sítě
• Elektromobily a hybridní elektromobily
• Obytné a komerční systémy úložišť energie
• Přenosná elektronika a elektrické nářadí

Výhody

• Vysoká hustota energie: Umožňuje kompaktnější a lehčí řešení úložišť energie, což je velmi důležité pro takové aplikace, jakými jsou například elektromobily.
• Dlouhá životnost: Mnohé lithium-iontové baterie jsou schopny odolat tisícům cyklů nabíjení a vybíjení a jsou tak z dlouhodobého hlediska nákladově efektivní.
• Nízká rychlost samovybíjení: Pokud se nepoužívají, mohou zůstat nabité déle. Jsou proto vhodné pro aplikace s přerušovaným použitím.
• Bez paměťového efektu: Na rozdíl od některých starších technologií není třeba lithium-iontové baterie před nabíjením zcela vybít.
• Schopnost rychlého nabíjení: Je výhodná zejména pro aplikace vyžadující krátké doby cyklu, například elektromobily.

Nevýhody

• Vyšší počáteční náklady: I když ceny klesají, jsou lithium-iontové baterie stále dražší než olověné.
• Potenciální bezpečnostní obavy (tepelný lavinový jev): Ve vzácných případech se mohou lithium-iontové baterie přehřát a začít hořet.
• Vyžadují sofistikované řídicí systémy baterie: Pro prevenci přebíjení, nadměrného vybití a přehřátí a pro zajištění vyváženosti článků jsou nutné složité řídicí systémy.
• Výkon degraduje za vysokých teplot: Vystavení vysokým teplotám může urychlit ztrátu kapacity a zkrátit celkovou životnost baterie.

 

Průtokové (regenerativní) baterie

Průtokové baterie jsou jedinečným typem nabíjecích baterií, ve kterých se energie uchovává v kapalném elektrolytu. Nabízejí výhodu nezávislosti výkonu a kapacity energie, díky níž lze snadno upravit jejich velikost pro aplikace velkoobjemových úložišť energie.

Chemické složení

Nejběžnějším typem je vanadová redoxní průtoková baterie (VRFB), ve které jsou použity ionty vanadu v různých oxidačních stavech. K dalším příkladům chemického složení patří zinek-brom a železo-chrom.

Typické aplikace

• Velká úložiště energie na úrovni rozvodné sítě
• Integrace obnovitelné energie
• Mikrosítě a systémy nepřipojené k rozvodné síti
• Průmyslové a komerční řízení energie

Výhody

• Dlouhá životnost: Průtokové baterie mohou obvykle odolat desítkám tisíc cyklů nabíjení a vybíjení bez významné degradace.
• Lze je zcela vybít bez poškození: Na rozdíl od mnoha jiných typů baterií neškodí průtokovým bateriím úplné vybití.
• Snadná úprava kapacity zvětšením rozměrů nádrže: Kapacitu energie lze beze změny elektrických součástí snadno zvýšit použitím větších nádob na elektrolyt.
• Nižší nebezpečí požáru než u lithium-iontových baterií: Vodní elektrolyty použité ve většině průtokových baterií jsou nehořlavé, což snižuje obavy o bezpečnost.

Nevýhody

• Nižší hustota energie: Průtokové baterie vyžadují k uložení stejného množství energie více prostoru než jiné technologie, například lithium-iontové.
• Složitý systém: V důsledku potřeby velkých nádrží na elektrolyt jsou průtokové baterie mechanicky složitější než baterie s pevným elektrolytem.
• Vyšší počáteční náklady: Složitost průtokových bateriových systémů často vede k vyšším počátečním nákladům, i když tuto skutečnost může kompenzovat jejich dlouhá životnost.
• Možnost úniku elektrolytu: Pro prevenci kontaminace životního prostředí únikem elektrolytu je velmi důležité jeho správné hermetické uzavření a údržba.

 

Sodík-iontové baterie

Sodík-iontové baterie jsou nová technologie, která potenciálně nabízí udržitelnější alternativu k lithium-iontovým bateriím. Využívá běžně dostupné nenákladné materiály a mohla by významně zlepšit budoucí aplikace úložišť energie.

Chemické složení

Technologie je podobná lithium-iontové, ale pro přenos náboje používá místo iontů lithia ionty sodíku. Katoda je obvykle vrstvený oxid kovu, anoda často tvrdý uhlík.

Typické aplikace

• Úložiště energie na úrovni rozvodné sítě
• Obytné a komerční úložiště energie
• Elektromobily
• Přenosná elektronika (ve vývoji)

Výhody

• Běžnější a levnější suroviny: Sodík je běžnější než lithium, což potenciálně vede k nižším nákladům a udržitelnější výrobě.
• Potenciálně ohleduplnější k životnímu prostředí: Materiály použité v sodík-iontové baterie jsou obecně méně toxické a jejich recyklace snazší než těch, které jsou použity v lithium-iontové baterii.
• Možnost úplného vybití pro bezpečnější přepravu: Na rozdíl od lithium-iontových baterií lze sodík-iontové baterie zcela vybít, což zjednodušuje logistiku dopravy a skladování.

Nevýhody

• Nižší hustota energie v porovnání s lithium-iontovou technologií: Sodík-iontové baterie nemusí být vhodné pro aplikace, u kterých jsou kritickými faktory hmotnost a rozměry.
• Technologie je stále v raných stádiích komerčního využití: Protože se jedná o novější technologii, musí sodík-iontové baterie teprve prokázat svoji dlouhodobou spolehlivost a výkon v aplikacích v reálném světě.
• Omezená doložitelnost použití ve velkých aplikacích: Vzhledem k absenci dat z rozsáhlého použití v terénu lze jen obtížně předvídat dlouhodobý výkon a potenciální problémy.

 

Baterie na bázi niklu

I když jsou v nových instalacích méně běžné, v některých stacionárních aplikacích se baterie na bázi niklu stále používají. Nabízejí spolehlivý výkon a jsou schopny odolávat náročnému prostředí.

Chemické složení

V bateriích na bázi niklu je použit jako kladná elektroda oxid-hydroxid niklitý (NiOOH). Záporná elektroda a elektrolyt se u jednotlivých typů liší. Při vybíjení elektroda z oxid-hydroxidu niklitého redukuje na hydroxid nikelnatý, záporná oxiduje. Tento proces probíhá při nabíjení obráceně.

Typy

1. Nikl-kadmiové baterie (NiCd): Známé svou odolností.
2. Nikl-metal hydridové baterie (NiMH): Nabízejí vyšší hustotu energie než baterie NiCd bez použití toxického kadmia.

Typické aplikace

• Průmyslové záložní napájecí systémy
• Železniční signalizace
• Spouštění a nouzové napájení letadel
• Vzdálené telekomunikační systémy

Výhody

• Robustní a odolné: Baterie na bázi niklu jsou schopny odolávat náročným podmínkám včetně fyzikálního namáhání.
• Dobrá životnost: Pokud jsou správně udržované, mohou baterie na bázi niklu vydržet mnoho let a tisíců cyklů.

Nevýhody

• Nižší hustota energie v porovnání s lithium-iontovou technologií: Z tohoto důvodu jsou méně vhodné pro aplikace, kde je důležitá úspora prostoru a hmotnosti.
• Paměťový efekt (zejména u baterií NiCd): Cykly částečného vybití mohou vést ke ztrátě užitečné kapacity, což vyžaduje pravidelné provedení cyklů úplného vybití.
• Obavy o životní prostředí s ohledem na obsah kadmia v bateriích NiCd: Toxická povaha kadmia vedla v mnoha regionech k omezení použití baterií NiCd.

 

Důležitost správného testování

Každá z těchto technologií baterie vyžaduje pro zajištění optimálního výkonu, bezpečnosti a dlouhé životnosti specifický režim testování. Metody testování a frekvence se u různých typů baterií významně liší. Příklad:

• Olověné baterie často vyžadují pro vyhodnocení stavu pravidelné měření hustoty, testování kapacity a měření odporu.
• Výhodou lithium-iontových baterií je sofistikované sledování jejich stavu a testování impedance pro detekci raných příznaků degradace.
• U průtokových baterií může být pro zajištění optimálního výkonu kromě standardních elektrických testů nutná analýza složení elektrolytu.

Správné testování je zásadně důležité nejen pro udržení výkonu baterie, ale i pro zajištění bezpečnosti a spolehlivosti systémů úložišť energie. Pravidelné testování může pomoci identifikovat potenciální problémy předtím, než mohou vést k poruše, optimalizovat strategie řízení baterie a prodloužit celkovou životnost systému úložišť energie.

 

Závěr

Stacionární baterie existují v různém provedení. Každá technologie nabízí jedinečné výhody a přináší vlastní problémy. Je pravděpodobné, že s rozvojem funkčních vlastností úložišť energie se u technologie baterií setkáme s dalšími inovacemi a zlepšeními.

Porozumění charakteristikám různých typů baterií je nezbytné pro volbu správné technologie pro specifické aplikace. Stejně důležitá je i implementace odpovídajícího režimu testování a údržby pro zajištění toho, aby baterie podávaly po celou dobu životnosti optimální výkon.

V příštím příspěvku prozkoumáme spletitost testování různých technologií baterie i to, jak mohou řešení společnosti Megger pomoci zajistit spolehlivost a dlouhou životnosti systémů úložišť energie.