Akumulatory: jaki mamy wybór?

Świat w coraz większym stopniu przechodzi na odnawialne źródła energii i magazynowanie energii na skalę sieci, dlatego warto zapoznać się z dostępnymi technologiami akumulatorowymi. Poszczególne rodzaje akumulatorów różnią się właściwościami,co sprawia, że przeznaczone są do konkretnych zastosowań, od stabilizacji sieci po systemy zasilania rezerwowego. W tym tekście przybliżymy różne rodzaje akumulatorów stacjonarnych, wykorzystywane w nich substancje chemiczne, typowe zastosowania oraz zalety i wady poszczególnych technologii. 

Jednak zanim przejdziemy do konkretnych typów akumulatorów, warto zwrócić uwagę na jedną rzecz. Wszystkie akumulatory są urządzeniami elektrochemicznymi i, w związku z tym, zawsze będą podlegać prawom rządzącym szybkością reakcji chemicznych. Mówiąc dokładniej, na wszystkie akumulatory wpływa temperatura. Wysokie temperatury skracają czas pracy akumulatora, a niskie zmniejszają pojemność i wydajność. Dlatego akumulatory, które mają pracować w wyjątkowo chłodnych lub gorących miejscach, muszą zostać starannie dobrane pod względem typu i wielkości.

 

Akumulatory kwasowo-ołowiowe

Akumulatory kwasowo-ołowiowe to jedna z najstarszych i najbardziej rozpowszechnionych technologii akumulatorów. Od ponad stu lat są wykorzystywane, od motoryzacji po zasilacze bezprzerwowe i magazynowanie energii w systemach wyspowych.

Aspekt chemiczny

Akumulatory kwasowo-ołowiowe zawierają płyty dodatnie z dwutlenku ołowiu (PbO2) i płyty ujemne z ołowiu gąbczastego (Pb) zanurzone w elektrolicie, którym jest kwas siarkowy (H2SO4).

Rodzaje

1. Otwarte akumulatory kwasowo-ołowiowe (VLA): Znane również jako zalewane akumulatory kwasowo-ołowiowe wymagają regularnego dolewania wody.
2. Akumulatory kwasowo-ołowiowe z zaworem (VRLA): Zamknięte akumulatory, zawierające absorbującą matę szklaną i różne rodzaje żelów. Wymagają regularnego sprawdzania, ponieważ działają w trybie niedoboru elektrolitu.

Typowe zastosowania

• Zasilanie rezerwowe dla telekomunikacji i centrów danych
• Sieciowe i wyspowe systemy energii odnawialnej
• Zasilacze bezprzerwowe (UPS)
• Stacje ładowania pojazdów elektrycznych
• Rozruch pojazdów z silnikami benzynowymi i z silnikami Diesla

Zalety

• Ugruntowana technologia o długiej historii: to oznacza, że możemy korzystać z bogatej wiedzy i doświadczenia dotyczącej ich stosowania konserwacji.
• Niskie koszty: akumulatory kwasowo-ołowiowe często są najtańszym rozwiązaniem w przypadku krótkoterminowego magazynowania energii.
• Duży potencjał recyklingu: akumulatory kwasowo-ołowiowe to ekologiczny wybór, niemal 100% z nich można poddać recyklingowi.
• Niezawodność i tolerancja na przeładowanie: prawidłowo konserwowane akumulatory kwasowo-ołowiowe są w stanie wytrzymać sporadyczne przeładowanie bez znacznych uszkodzeń.

Wady

• Mniejsza gęstość energii w porównaniu z nowszymi technologiami: w porównaniu z bardziej zaawansowanymi typami akumulatorów wymagają większej przestrzeni do przechowywania tej samej ilości energii.
• Krótszy okres eksploatacji, zwłaszcza w przypadku głębokiego rozładowania: regularne głębokie rozładowywanie może znacznie skrócić żywotność akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

 

Akumulatory litowo-jonowe

Akumulatory litowo-jonowe zrewolucjonizowały magazynowanie energii ze względu na swoją wysoką gęstość i wydajność energetyczną. Ich popularność w magazynowaniu energii na skalę sieci, pojazdach elektrycznych i przenośnej elektronice ciągle rośnie.

Aspekt chemiczny

W akumulatorach litowo-jonowych stosuje się związki litowe jako elektrodę dodatnią i zazwyczaj grafit jako elektrodę ujemną. Elektrolitem jest sól litu w rozpuszczalniku organicznym.

Rodzaje

1. Akumulator Li-NMC (tlenek litowo-niklowo-manganowo-kobaltowy): zapewnia dobrą równowagę między gęstością energii a mocą.
2. Akumulator LFP (litowo-żelazowo-fosforanowy): charakteryzuje się bezpieczeństwem i długim okresem eksploatacji.
3. Akumulator Li-NCA (tlenek litowo-niklowo-kobaltowo-glinowy): zapewnia wysoką gęstość energii.
4. Akumulator LMO (litowo-manganowy): zapewnia dobrą stabilność termiczną i bezpieczeństwo.

Typowe zastosowania

• Magazynowanie energii w skali sieci i jej stabilizacja
• Pojazdy elektryczne, w tym hybrydowe
• Systemy magazynowania energii w budynkach mieszkalnych i komercyjnych
• Przenośna elektronika i elektronarzędzia

Zalety

• Wysoka gęstość energii: umożliwia stworzenie bardziej kompaktowych i lżejszych rozwiązań magazynowania energii, które są kluczowe w takich rozwiązaniach, jak pojazdy elektryczne.
• Długi okres eksploatacji: wiele akumulatorów litowo-jonowych jest w stanie wytrzymać tysiące cykli ładowania-rozładowania, dzięki czemu są opłacalne w długiej perspektywie.
• Niski współczynnik samorozładowania: mogą utrzymywać ładunek przez dłuższy czas, gdy nie są używane, dzięki czemu nadają się do zastosowań przerywanych.
• Brak efektu pamięci: w odróżnieniu od niektórych dawnych technologii akumulatorów, litowo-jonowe nie wymagają całkowitego rozładowania przed ponownym naładowaniem.
• Zdolność szybkiego ładowania: jest to szczególnie ważne w przypadku zastosowań wymagających krótkiego czasu ładowania, takich jak pojazdy elektryczne.

Wady

• Wyższe koszty początkowe: chociaż ceny akumulatory litowo-jonowych spadają, korzystanie z nich nadal wiąże się z większym wydatkiem na początku inwestycji w porównaniu z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi.
• Potencjalne problemy z bezpieczeństwem (niestabilność cieplna): w rzadkich przypadkach baterie litowo-jonowe mogą się przegrzać i zapalić.
• Wymagają zaawansowanych systemów zarządzania akumulatorami: aby zapobiec przeładowaniu, nadmiernemu rozładowaniu, przegrzaniu i aby zrównoważyć ogniw, potrzebne są złożone systemy sterowania.
• Wydajność spada w wysokich temperaturach: narażenie na działanie wysokich temperatur może przyspieszyć utratę pojemności i skrócić całkowity okres eksploatacji akumulatora.

 

Akumulatory przepływowe

Akumulatory przepływowe to wyjątkowy rodzaj akumulatorów, w których energia jest magazynowana w płynnym elektrolicie. Oferują one korzyści wynikające z rozdzielenia mocy i pojemności energetycznej, dzięki czemu cechuje je dobra skalowalność do zastosowań w dużych magazynach energii.

Aspekt chemiczny

Najpopularniejszym typem są akumulatory VRFB (wanadowe akumulatory przepływowe redoks), które wykorzystują jony wanadowe o różnych stopniach utlenienia. Inne rozwiązania chemiczne obejmują cynk-brom i żelazo-chrom.

Typowe zastosowania

• Magazynowanie energie w sieciach o dużej skali
• Integracja energii odnawialnej
• Systemy mikrosieciowe i wyspowe
• Zarządzanie energią przemysłową i komercyjną

Zalety

• Długi okres eksploatacji: akumulatory przepływowe mogą wytrzymać dziesiątki tysięcy cykli ładowania- rozładowania bez znacznego pogorszenia jakości.
• Mogą ulec całkowitemu rozładowaniu bez uszkodzeń: w odróżnieniu od wielu innych typów akumulatorów, akumulatory przepływowe nie ulegają uszkodzeniom w wyniku całkowitego rozładowania.
• Łatwe skalowanie poprzez zwiększenie wielkości zbiornika: pojemność energetyczną można zwiększyć, stosując większe zbiorniki z elektrolitem, bez konieczności wymiany podzespołów układu zasilania.
• Mniejsze ryzyko pożaru niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych: elektrolity wodne wykorzystywane w większości akumulatorów przepływowych nie są palne, co zmniejsza obawy dotyczące bezpieczeństwa.

Wady

• Mniejsza gęstość energii: akumulatory przepływowe wymagają więcej miejsca do magazynowania takiej samej ilości energii w porównaniu z innymi technologiami, takimi jak litowo-jonowe.
• Złożony układ: akumulatory przepływowe wymagają dużych zbiorników elektrolitu, przez co są bardziej złożone pod względem mechanicznym w porównaniu z akumulatorami stałymi.
• Wyższe koszty początkowe: złożoność systemów akumulatorów przepływowych często prowadzi do wyższych kosztów na początku, chociaż ich długi okres eksploatacji może to zrównoważyć.
• Możliwość wycieku elektrolitu: prawidłowe zabezpieczenie i konserwacja mają kluczowe znaczenie dla zapobiegania zanieczyszczeniu środowiska przez wycieki elektrolitów.

 

Akumulatory sodowo-jonowe

Akumulatory sodowo-jonowe to technologia, która dopiero się rozwija, ale stanowi bardziej zrównoważoną alternatywę dla akumulatorów litowo-jonowych. Wykorzystują tanie materiały, których jest pod dostatkiem, i mogą znacznie udoskonalić przyszłe zastosowania magazynów energii.

Aspekt chemiczny

Przypominają litowo-jonowe, ale zamiast litu wykorzystują jony sodu jako nośniki ładunku. Katoda jest zwykle warstwowym tlenkiem metalu, a anoda jest często z węgla twardego.

Typowe zastosowania

• Magazynowanie energii w skali sieci
• Magazynowanie energii w budynkach mieszkalnych i komercyjnych
• Pojazdy elektryczne
• Przenośna elektronika (w trakcie opracowywania)

Zalety

• Tańsze i bardziej dostępne surowce: sód jest dostępny w znacznie większych ilościach niż lit, co potencjalnie może spowodować obniżenie kosztów i bardziej zrównoważoną produkcję.
• Potencjalnie bardziej przyjazne dla środowiska: materiały stosowane w akumulatorach sodowo-jonowych są zazwyczaj mniej toksyczne i łatwiej je poddawać recyklingowi niż te z akumulatorów litowo-jonowych.
• Możliwość całkowitego rozładowania w celu zapewnienia bezpieczeństwa transportu: w odróżnieniu od akumulatorów litowo-jonowych, sodowo-jonowe można rozładować całkowicie, co ułatwia logistykę związaną z ich transportem i przechowywaniem.

Wady

• Mniejsza gęstość energii w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi: akumulatory sodowo-jonowe mogą nie nadawać się do zastosowań, w których kluczowymi czynnikami są masa i rozmiar.
• Technologia wciąż na wczesnym etapie komercjalizacji: akumulatory sodowo-jonowe są stosunkowo nową technologią, muszą więc jeszcze udowodnić swoją długoterminową niezawodność i wydajność w rzeczywistych zastosowaniach.
• Ograniczone możliwości śledzenia stanu w przypadku zastosowań wielkoskalowych: brak obfitych danych dotyczących zastosowania w terenie utrudnia przewidywanie długoterminowej wydajności i ewentualnych problemów.

 

Akumulatory niklowe

Chociaż w nowych instalacjach akumulatory niklowe są rzadziej wykorzystywane, nadal stosuje się je do niektórych zastosowań stacjonarnych. Zapewniają niezawodną pracę i wytrzymują trudne warunki środowiskowe.

Aspekt chemiczny

W akumulatorach niklowych elektrodę dodatnią stanowi tlenowodorotlenek niklu (NiOOH). W różnych typach stosowane są różne elektrody ujemne i elektrolity. Podczas rozładowywania elektroda z tlenowodorotlenku niklu ulega redukcji do wodorotlenku niklu, a elektroda ujemna — utlenieniu. W trakcie ładowania proces zachodzi w odwrotnym kierunku.

Rodzaje

1. Akumulatory niklowo-kadmowe (NiCd): znane ze swojej trwałości.
2. Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH): zapewniają wyższą gęstość energii w porównaniu z NiCd i nie zawierają szkodliwego kadmu.

Typowe zastosowania

• Przemysłowe systemy zasilania rezerwowego
• Sygnalizacja kolejowa
• Rozruch samolotów i zasilanie awaryjne
• Systemy telekomunikacyjne

Zalety

• Wytrzymałość i trwałość: akumulatory niklowe są odporne na trudne warunki, w tym naprężenia fizyczne.
• Dobra żywotność: prawidłowo konserwowane akumulatory niklowe mogą wytrzymać wiele lat i tysiące cykli.

Wady

• Mniejsza gęstość energii niż w przypadku litowo-jonowych: przez to gorzej nadają się do zastosowań, w których przestrzeń i ciężar są bardzo istotne.
• Efekt pamięci (zwłaszcza w NiCd): niepełne cykle rozładowywania mogą prowadzić do utraty pojemności użytecznej, przez co wymagają okresowych cykli całkowitego rozładowania.
• Obawy środowiskowe związane z kadmem w akumulatorach NiCd: toksyczność kadmu spowodowała ograniczenie stosowania akumulatorów NiCd w wielu regionach.

 

Znaczenie właściwego badania

Każda ze wspomnianych technologii akumulatorów wymaga konkretnych procedur badania, aby zapewnić ich optymalną pracę, bezpieczeństwo i żywotność. Metody badania oraz ich częstotliwość są bardzo różne dla różnych rodzajów akumulatorów. Na przykład:

• Akumulatory kwasowo-ołowiowe często wymagają regularnych pomiarów ciężaru właściwego, badania pojemności i oporu do oceny ich kondycji.
• W przypadku akumulatorów litowo-jonowych korzystne jest zaawansowane monitorowanie stanu technicznego oraz pomiary impedancji w celu wykrycia wczesnych objawów degradacji.
• W celu zapewnienia optymalnej pracy akumulatory przepływowe mogą wymagać analizy składy elektrolitu oprócz standardowych pomiarów elektrycznych.

Prawidłowe wykonywanie pomiarów ma nie tylko fundamentalne znaczenia dla zachowania wydajności akumulatorów, ale także zagwarantowania bezpieczeństwa i niezawodności systemów magazynowania energii. Regularne badania mogą pomóc wykryć ewentualne problemy, zanim doprowadzą one do awarii, zoptymalizować strategie zarządzania akumulatorami oraz wydłużyć ogólną żywotność systemów magazynowania energii.

 

Wnioski

Dostępne są różnorodne akumulatory stacjonarne są różnorodne, a z każdą technologią wiążą się niepowtarzalne korzyści i wyzwania. Cały czas trwają prace na rozwojem naszej zdolności magazynowania energii, dlatego najpewniej doczekamy się kolejnych innowacji i udoskonaleń technologii akumulatorów.

Zrozumienie charakterystyki różnych typów akumulatorów jest podstawą doboru właściwej technologii do danego zastosowania. Równie ważne jest wdrożenie odpowiednich procedur badania i konserwacji, które zapewnią optymalną pracę akumulatorów przez cały cykl życia.

W kolejnym materiale przyjrzymy się szczegółom różnych technologii akumulatorów oraz pokażemy, jak rozwiązania firmy Megger mogą pomóc zapewnić niezawodność i żywotność systemów magazynowania energii.