Akumulatorowe systemy magazynowania energii: wydajność i eksploatacja. CZĘŚĆ I

Niniejszy poradnik opisuje techniczne aspekty konstrukcji i zasady działania akumulatorowych systemów magazynowania energii oraz ich wpływ na efektywność i okres eksploatacji tych systemów. Różne role systemów magazynowania energii elektrycznej opisano przede wszystkim w celu wyjaśnienia sposobu zastosowania tych systemów. Następnie przedyskutowano najczęściej stosowane technologie konstrukcji akumulatorów i mechanizmy ich starzenia się.

Z uwagi na fakt, że transformatory i rozdzielnice są elementami bardzo ważnymi i także od nich zależy wydajność systemów magazynowania energii, omówiono tu również czynniki mające wpływ na efektywność i okres eksploatacji energoelektroniki.

Częstym czynnikiem mającym wpływ na okres eksploatacji zarówno akumulatorów, jak i elektroniki, jest ciepło: im wyższa temperatura, tym szybsze starzenie się komponentów. Straty energii wynikają przede wszystkim z wytwarzania ciepła. Dążenie do wysokiej efektywności energetycznej akumulatorów i energoelektroniki daje podwójną korzyść: poza oszczędnością energii obniżenie wytwarzania ciepła zmniejsza wymagania w stosunku do urządzeń chłodzących i przedłuża okres eksploatacji komponentów dzięki obniżeniu temperatury roboczej.

Wprowadzenie

Cel magazynowania energii?

Każda sieć elektryczna — zarówno publiczna, jak i wewnętrzna odbiorcy energii — musi nieprzerwanie dbać o równowagę między podażą a zapotrzebowaniem na energię energetyczną. Nie zawsze jest to łatwe. Zapotrzebowania na energię elektryczną zawsze było zmienne, jednak zastosowanie odnawialnych źródeł energii spowodowało, że również pobór energii stał się bardziej zmienny i mniej przewidywalny niż w sieciach poprzedniej generacji. Systemy magazynowania energii mogą zaradzić tak skomplikowanemu bilansowaniu sieci.

Operatorzy sieci energetycznych używają systemów magazynowania energii w celu:

• Uniknięcia potrzeby modernizacji urządzeń przesyłowych i dystrybucyjnych. Na końcach linii przesyłowych lub dystrybucyjnych mogą występować problemy, ponieważ możliwość modernizacji sieci nie nadąża za tempem wzrostu liczby odbiorców. Prowadzi to do czasowych przeciążeń infrastruktury energetycznej. Aby zapobiec potrzebie natychmiastowych modernizacji, można zastosować system magazynowania energii w celu niwelacji szczytowych wartości obciążenia. Spowoduje to lepsze wykorzystanie dostępnej pojemności, a tym samym wydłuży żywotność połączeń
• Regulowania częstotliwości. Energia dostarczana do sieci publicznej jest tradycyjnie wytwarzana przez generatory synchroniczne. Generatory napędzane są przez turbiny, które są regulowane w taki sposób, aby dostarczały energię mechaniczną niezbędną do utrzymania znamionowej prędkości obrotowej tych urządzeń. Pozwala to utrzymać stałą częstotliwość napięcia sieci. Elektroniczne źródła energii, takie jak falowniki fotowoltaiczne i turbiny wiatrowe, nie oferują tego rodzaju regulacji częstotliwości. Co więcej, mogą powodować brak równowagi pomiędzy dostawą i zapotrzebowaniem, dostarczając do sieci zmienną moc i wywołując dodatkowe zachwiania częstotliwości. System magazynowania energii może służyć do wyrównywania tej zmienności i zapewniania prawidłowej regulacji częstotliwości.

Użytkownicy sieci energetycznych używają systemów magazynowania energii w celu:

• Magazynowanie energii odnawialnej „poza licznikiem”. W coraz większej liczbie krajów stopniowo rezygnuje się z taryf gwarantowanych w przypadku produkcji energii odnawialnej na miejscu. W rezultacie opłacalne stało się korzystanie z energii odnawialnej w miejscu jej wytworzenia. Domowy system zarządzania energią zaopatrzony w akumulator może znacznie zwiększyć stopień wykorzystania lokalnie wytworzonej energii odnawialnej. Akumulator jest ładowany, kiedy produkcja przewyższa zapotrzebowania na energię, i rozładowywany w sytuacji odwrotnej, gdy zapotrzebowanie na energię byłoby pokrywane z sieci publicznej. Szczegółowe informacje na temat systemów magazynowania energii „poza licznikiem” do celów integracji odnawialnych źródeł energii można znaleźć w odpowiedniej nocie aplikacyjnej projektu Leonardo Energy(10).
• Niwelacji szczytowych wartości obciążenia. W przypadku niwelacji szczytowych wartości obciążenia system magazynowania energii wspomaga sieć w okresach największego obciążenia i jest ładowany w czasie niższego zapotrzebowania na energię. Prowadzi to, na przykład, do lepszego wykorzystania wydajności agregatu przenośnego lub lepszego wykorzystania połączeń z siecią, co przekłada się na redukcję kosztów. W pewnych wypadkach obniżenie kosztów kompensuje koszt zakupu samego
• Handlu energią. Ładowanie systemu magazynowania energii w okresie niskich (a nawet ujemnych) cen chwilowych i rozładowywanie w okresach cen wysokich jest prostym mechanizmem generowania przychodów dzięki systemowi magazynowania energii. Niestety przychody generowane przez ten mechanizm rzadko kompensują koszty systemu magazynowania. Jeśli system magazynowania energii zostanie zainstalowany do innych celów i będzie mieć wystarczającą pojemność, mechanizm ten może nieco podwyższyć przychody w stosunku do zakontraktowanych usług.
• Zasilania awaryjnego (UPS). Jest to klasyczne zastosowanie akumulatorowego magazynowania energii. Zasilacze awaryjne służą do podtrzymania zasilania ważnych urządzeń podczas przerw lub niedoborów energii. Urządzenia UPS zasilane z akumulatora muszą zapewnić zasilanie zabezpieczanych urządzeń przez określony czas minimalny. Ten czas waha się od kilku minut do kilku.

CZYTAJ TAKŻE: Magazynowanie energii. Istotny element wspierania przejścia na niskoemisyjny system energetyczny

Typowe miary wydajności systemu magazynowania energii

Każdy system magazynowania energii podłączony do sieci można uznać za tak zwaną czarną skrzynkę z pewnymi miarami wydajności. Definicja miary wydajności jest taka sama dla każdego rodzaju systemu, bez względu na zawartość czarnej skrzynki, ale wartość systemu zależy tylko od jego konstrukcji i zastosowanej technologii. Poniższa tabela przedstawia minimalny zestaw charakterystyk akumulatorowego systemu magazynowania energii. Jest to część definicji zawartych w dokumencie GRIDSTOR RP (1). W odniesieniu do systemów magazynowania energii elektrycznej (9) stosowane są definicje zawarte w normie IEC 62933-1 CDV.

KRÓTKI PRZEGLĄD TYPÓW OGNIW

Ogniwa dzielą się przede wszystkim na pierwotne i wtórne. Ogniwa pierwotne (baterie) są całkowicie naładowane podczas produkcji i nie mogą być ponownie ładowane. Baterie odgrywają tylko pomocniczą rolę w systemach magazynowania energii, na przykład jako baterie podtrzymujące zegar komputera sterującego lub baterie zapasowe w czujnikach dymu czy miernikach energii. Ogniwa wtórne to akumulatory ładowalne, są więc jedynymi typami ogniw, które są wykorzystywane w systemach magazynowania energii.

CZYTAJ TAKŻE: Systemy magazynowania energii: Wydajność i żywotność

Najczęstsze typy akumulatorów

Akumulatory kwasowo-ołowiowe

Akumulatory kwasowo-ołowiowe są od ponad wieku najczęściej stosowane w różnych systemach magazynowania energii i w tej roli były niemal bezkonkurencyjne do przełomu XX i XXI wieku, kiedy to dostępne stały się akumulatory litowo-jonowe. Choć akumulatory kwasowo-ołowiowe są najczęściej stosowane w zasilaczach UPS (z powodu relatywnie niskich kosztów w przeliczeniu na jednostkę magazynowanej energii i były w przeszłości także stosowane do wspomagania sieci), obecnie ich użycie jest dość ograniczone. Znanym systemem był akumulator 17 MW/14 MWh BEWAG działający w Berlinie, który w latach 1987–1995 zapewniał regulację częstotliwości i rezerwę mocy w sieci, która nie miała wtedy połączenia z resztą Niemiec.

Choć istnieje wiele rodzajów akumulatorów ołowiowych (mokre, żelowe, AGM, Advanced Lead Acid) wszystkie wykorzystują tę samą parę reakcji chemicznych ładowania/rozładowania, które przedstawiono poniżej.

Podczas rozładowywania akumulatora kwasowo-ołowiowego reakcje przebiegają od strony lewej do strony prawej. Podczas ładowania kierunek reakcji jest odwrotny. Podczas rozładowywania ołów w płycie ujemnej jest utleniany ze stanu wolnego do stopnia utlenienia +2, tworząc siarczan ołowiu, natomiast ołów w płycie dodatniej jest redukowany ze stopnia utlenienia +4 do +2, przechodząc z ditlenku ołowiu w siarczan ołowiu. Podczas rozładowywania zużywany jest kwas siarkowy zawarty w elektrolicie. Choć nie wynika to wprost z powyższych reakcji, transport ładunku wewnątrz ogniwa (wewnętrzny transport ładunków) odbywa się przez transport jonów wodorowych w elektrolicie.

Reakcja przeładowania w akumulatorach kwasowo-ołowiowych polega na elektrolizie wody w elektrolicie. Prowadzi ona do (nieznacznej) utraty wody i przyspieszonej korozji płyty dodatniej spowodowanej wysokim stężeniem tlenu w ogniwie. Utratę wody można kompensować przez okresowe dolewanie do akumulatorów mokrych wody zdemineralizowanej lub, w zamkniętych akumulatorach zaworowych, przez cykl rekombinacji tlenu. W przypadku niezrównoważenia stanu naładowania w szeregu akumulatorów, można go skorygować przez podłączenie wydłużonego ładunku do szeregu. W ogniwach o wysokim stanie naładowania zajdzie reakcja przeładowania, a ogniwa niedoładowane naładują się.

ZOBACZ TAKŻE: Magazynowanie energii: Struktura rynku i zachęty regulacyjne

Akumulatory kwasowo-ołowiowe korzystają ze sprawdzonej i dobrze opracowanej technologii. Konstrukcja, procesy i błędy w działaniu tych akumulatorów zostały doskonale poznane w ciągu 150 lat prac rozwojowych. Z tego powodu jest mało prawdopodobne, że w przyszłości nastąpią jakieś istotne zmiany w kwestii redukcji kosztów, gęstości energii czy czasu eksploatacji akumulatorów tego typu. Akumulatory kwasowo-ołowiowe są technologią EES dominującą w zasilaczach UPS. Na Rysunku 1 przedstawiono mały zespół składający się z 12 szczelnie zamkniętych ogniw. Ten zespół ma nominalne napięcie 24 V.

Rysunek 1 — Mały zespół szczelnie zamkniętych ogniw kwasowo-ołowiowych.

Istnieją również tak zwane zaawansowane akumulatory kwasowo-ołowiowe. Akumulatory te korzystają z nowoczesnych materiałów i technik konstrukcyjnych pozwalających rozwiązać wiele problemów typowych dla tradycyjnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych, dzięki czemu mogą być stosowane tam, gdzie dotąd nie można było stosować tego typu akumulatorów. Wśród korzyści płynących z zastosowania technik, takich jak ramy stalowe, płytki karbonowe, płytki bipolarne itp., można wymienić lepszy cykl głębokiego ładowania i rozładowywania, krótszy czas natychmiastowego ładowania i rozładowywania oraz możliwość produkcji kompaktowych akumulatorów wysokonapięciowych. Jednak żadna z tych technologii nie znalazła większego odbioru rynkowego, nie będą one więc bardziej szczegółowo omawiane w niniejszej publikacji.

CZYTAJ WIĘCEJ ARTYKUŁÓW Z DZIAŁU MAGAZYNOWANIE ENERGII

Akumulatory litowo-jonowe

Nazwa akumulatory litowo-jonowe jest nieco myląca, ponieważ nie odnosi się do konkretnego typu akumulatora z dobrze zdefiniowaną parą reakcji ładowania/rozładowania, jak ma to miejsce w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych, ale raczej do całej klasy akumulatorów, które do wewnętrznego transportu ładunków wykorzystują jony litu. W konsekwencji akumulatory określane ogólnie jako Li-Ion mogą mieć bardzo zróżnicowane właściwości. Cechą, która łączy te akumulatory, jest to, że ich katoda — a najczęściej także anoda — działa na zasadzie interkalacji. Jony litu nie są wiązane chemicznie z żadną substancją, ale wnikają w pory materiału i przylegają do jego powierzchni. Zaprezentowano to graficznie na Rysunku 1. W efekcie do konstrukcji akumulatorów Li-ion nadają się najlepiej materiały o otwartej strukturze i bardzo dużej powierzchni. Doskonałym i tanim materiałem na anodę jest na przykład grafit — dzięki swojej porowatej strukturze.

Uproszczona reakcja interkalacji na anodzie na bazie węgla (grafit, węgiel aktywny lub nawet grafen) wyraża się następującym wzorem, rozładowanie od lewej do prawej:

Choć powyższe równanie sugeruje, że związek litowo-węglowy jest tworzony podczas ładowania, w rzeczywistości tak nie jest. Ponieważ dodatnio naładowane jony litu są interkalowane wewnątrz struktury anody, węgiel musi zawierać dodatkowe elektrony, aby zachować obojętny ładunek całej anody. Podczas rozładowania, kiedy jony litu są uwalniane z anody, uwalniają się również dodatkowe elektrony zawarte w węglu w celu zachowania obojętnego ładunku anody. Ani węgiel, ani jony litu nie ulegają w tym czasie żadnym chemicznym przekształceniom.

Uproszczona reakcja na anodzie litowo-tytanianowej (LTO) wyraża się następującym wzorem, rozładowanie od lewej do prawej:

Reakcja na anodzie:

W przeciwieństwie do anody węglowej, podczas ładowania jony litu na anodzie LTO tworzą związek chemiczny. Oznacza to, że jej skład chemiczny po rozładowaniu jest inny, niż po naładowaniu. Z powodu tej zmiany chemicznej następuje również zmiana strukturalna i zmiana ta kompensuje niemal całkowicie przyrost objętości spowodowany dodatkowymi jonami litu. Efektem jest niemal całkowity brak zmiany objętości anody w zależności od stanu naładowania. Katoda akumulatora litowo-jonowego także wykorzystuje interkalację do wiązania jonów litu, jednak tutaj jon metalu lub mieszanina jonów różnych metali będących częścią związku chemicznego (tlenku lub soli) wchodzi w reakcję utleniania-redukcji. Dla uproszczenia związek metalu oznaczony został jako HOST w reakcji na katodzie, rozładowanie od lewej do prawej.

Reakcja na katodzie

W celu zachowania obojętnego ładunku katoda musi zaabsorbować jeden elektron na każdy jon litu wiązany przez interkalację. Przez związanie elektronu podczas rozładowania substancja HOST jest redukowana elektrochemicznie i zyskuje ładunek ujemny. Jon litu nie bierze udziału w tej reakcji, jego rolą jest zachowanie równowagi ładunku przez interkalację, co utrzymuje obojętny ładunek katody. Nazwy akumulatorów litowo- jonowych zazwyczaj pochodzą od substancji HOST. Poniższa tabela zawiera przegląd najczęściej stosowanych substancji i ich reakcji utleniania-redukcji.

Kolumna z reakcją redoks wskazuje substancje, które biorą udział w reakcji utleniania-redukcji na katodzie. Do budowy ogniw litowo-jonowych mogą być używane same tlenki niklu, manganu i kobaltu. Katoda może być również zbudowana z mieszaniny tych tlenków. Taka katoda jest nazywana katodą NMC. Katody tego typu są często używane do zapewniania gęstości energii na poziomie zbliżonym do tego, który zapewniają ogniwa z tlenkiem kobaltu, jednocześnie zapewniając bezpieczeństwo porównywalne z ogniwami z tlenkiem manganu. Należy zauważyć, że katoda akumulatora litowo-jonowego zawsze zawiera jony litu, nawet w przypadku jego całkowitego naładowania. Całkowicie delitowana katoda staje się niestabilna, szybciej się starzeje i jest podatna na uszkodzenia termiczne. Z tego powodu w całkowicie naładowanym ogniwie na katodzie pozostaje zawsze od 20% do 50% jonów litu.

Rysunek 2 — „Reakcja” interkalacji w baterii jonowo litowej.

Wody nie można używać jako elektrolitu w akumulatorze litowo-jonowym z dwóch powodów. Po pierwsze, potencjał ogniw jest zbyt wysoki, by mogły być używane z elektrolitem wodnym — w wyniku elektrolizy woda zostałaby rozdzielona na wodór i tlen. Po drugie, anoda z interkalowanymi jonami litu wykazuje reaktywność zbliżoną do litu jako metalu. Oznacza to, że podczas ładowania zachodziłaby reakcja anody z elektrolitem wodnym skutkująca powstaniem wodorotlenku litu i wodoru w stanie gazowym. Dlatego jako elektrolitu używa się rozpuszczalnika niepolarnego. Zazwyczaj jest to mieszanina rozpuszczalników organicznych z rozpuszczoną solą litu. Najczęściej stosowana sól to heksafluorofosforan litu — LiPF₆. Rozpuszczony LiPF₆ stanowi źródło jonów ruchomych odpowiedzialnych za transport ładunków wewnątrz ogniwa.

W odróżnieniu od akumulatorów o składzie chemicznym na bazie wody (tj. akumulatorów kwasowo- ołowiowych i różnych rodzajów akumulatorów niklowych), w przypadku ogniw litowo-jonowych przeprowadzenie bezpiecznej i zrównoważonej reakcji przeładowania nie jest możliwe. Przeładowanie ogniw litowo-jonowych skutkuje nadmiernym usunięciem litu z katody, osadzeniem się litu na anodzie i rozkładem elektrolitu. Te procesy nieodwracalnie uszkadzają ogniwo i ostatecznie mogą prowadzić do niestabilności cieplnej, a w konsekwencji do zapłonu akumulatora. Z tego powodu systemy wykorzystujące akumulatory litowo-jonowe muszą być wyposażone w system zarządzania akumulatorami (BMS). Taki system musi umożliwiać pomiar napięcia poszczególnych ogniw, monitorowanie temperatury i korektę niezrównoważenia stanu naładowania ogniw akumulatora bez konieczności przeładowania. Decyzję o zaprzestaniu rozładowywania lub redukcji prądu ładowania akumulatora powinno się podejmować, gdy tylko napięcie pierwszego ogniwa akumulatora osiągnie wartość przewidzianą dla zakończenia ładowania lub rozładowywania. Z tego względu jakiekolwiek niezrównoważenie stanu naładowania akumulatora skutkuje pozorną utratą jego pojemności. Niezrównoważenie musi zostać skorygowane przy użyciu funkcji bilansowania systemu BMS. Natomiast w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych system BMS jest rzadko stosowany na poziomie ogniw, a niezrównoważenie kompensuje się poprzez celowe przeładowanie akumulatora.

Ogniwa litowo-jonowe są zawsze zamykane w hermetycznej osłonie, ponieważ wystawienie na działanie wody i tlenu w atmosferze szybko doprowadziłoby do uszkodzenia elementów składowych tych ogniw. W przypadku przeładowania lub innego zdarzenia skutkującego wzrostem ciśnienia gazu urządzenie odcinające dopływ prądu (CID) wewnętrznie rozłącza ogniwo z zewnętrznymi połączeniami. W ogniwach pryzmatycznych często do tego celu służy dysk wypychany na zewnątrz przez nadmierne ciśnienie gazu. Do dysku przyłączony jest dodatnio naładowany wypust, który w takiej sytuacji przerywa połączenie. W ogniwach cylindrycznych przewężenie w obwodzie ściany ogniwa umożliwia jego wydłużanie się, co skutkuje przerwaniem wewnętrznego połączenia. Oprócz CID w skład ogniwa czasem wchodzi również element PTC (oporowy czujnik temperatury, którego rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury). Ten element cechuje bardzo niska (niemal bez znaczenia) rezystancja w temperaturze pokojowej, natomiast powyżej określonej temperatury jego rezystancja gwałtownie wzrasta. Takie zabezpieczenia mogą być wbudowane w ogniwo w celu zmniejszenia ryzyka niestabilności cieplnej wywołanej przez przyczyny zewnętrzne.

Rzadziej spotykane rodzaje akumulatorów

Akumulatory sodowo-siarkowe

Obecnie akumulatory sodowo-siarkowe na skalę komercyjną produkuje wyłącznie japońska firma NGK Insulators. W tych akumulatorach na anodzie stosuje się roztopiony sód, a na katodzie — roztopioną siarkę, przy czym za warstwę rozdzielającą służy cylindryczna membrana z porowatego tlenku glinu (zwanego β- aluminium). Membranę umieszcza się wewnątrz cylindra ze stali nierdzewnej, który stanowi zewnętrzną ścianę ogniwa. Pierścieniowata przestrzeń między membraną a cylindrem jest wypełniana siarką, a wnętrze cylindrycznej membrany zawiera sód. Podczas rozładowywania sód jest utleniany i pod postacią jonów dodatnich migruje przez separator z β-aluminium do zbiornika z siarką. Tam, łącząc się z siarką redukowaną na biegunie ujemnym, tworzy związki siarczku sodu. Aby ogniwo działało, wszystkie reagenty muszą być w stanie ciekłym, co oznacza, że standardowa temperatura robocza dla tego ogniwa to około 300°C.

Podczas zwykłej cyklicznej pracy niewielka strata energii wewnątrz ogniw zapewni dość ciepła, aby reagenty pozostały roztopione. Blok ogniw zawiera element grzejny umożliwiający ogrzewanie ogniw w czasie bezczynności.

Dużym atutem akumulatora sodowo-siarkowego jest dostępność i niska cena materiałów aktywnych. Siarka to produkt uboczny procesów odsiarczania paliw, co sprawia, że jej zapasy są duże, a ceny niskie. Sód jest szóstym pod względem rozpowszechnienia pierwiastkiem na Ziemi. Występuje w skałach, złożach mineralnych i morskiej wodzie. Popyt na obie substancje jest stosunkowo niski, biorąc pod uwagę ich dostępność. Tym samym niedobór tych materiałów jest mało prawdopodobny.

Wadą akumulatora sodowo-siarkowego jest wysoka reaktywność gorących elementów składowych. Roztopiony sód przy kontakcie z powietrzem ulega spontanicznemu zapłonowi. Ponadto reakcja rekombinacji, podczas której sód zostaje zmieszany z siarką, uwalnia dużą ilość ciepła. Zatem ogniwo, które ulega uszkodzeniu podczas pracy, stanowi poważne zagrożenie pożarowe, a ogień rozprzestrzenia się szybko w bloku, o ile nie zastosowano solidnych środków zapobiegających. Taki pożar miał miejsce 21 września 2011 r. w należącym do firmy TEPCO zakładzie magazynowania energii w oparciu o akumulatory sodowo-siarkowe (źródło 7). W związku z tym wydarzeniem firma NGK udoskonaliła konstrukcję swoich akumulatorów, wprowadzając bezpieczniki na poziomie poszczególnych ogniw i wzmacniając bariery zapobiegające rozprzestrzenianiu się ognia.

Akumulatory niklowe

Akumulatory niklowe stosowane w instalacjach o większej skali szybko stają się przestarzałym rozwiązaniem z uwagi na ich wysoką cenę. Akumulatory niklowo-kadmowe do zastosowań wymagających wysokiej mocy chwilowej i niezawodności w szerokim zakresie temperatur utrzymały się na rynku, ale z uwagi na toksyczność kadmu, są one w miarę możliwości stopniowo wycofywane. Akumulatory niklowo-metalowo- wodorowe pod względem niezawodności mają niewielką przewagę nad konwencjonalnymi mokrymi akumulatorami kwasowo-ołowiowymi. Jednakże są one droższe. Z tego względu, jak również z uwagi na coraz większą konkurencję ze strony systemów litowo-jonowych, w systemach magazynowania energii podłączonych do sieci akumulatory niklowe stosuje się coraz rzadziej.

Akumulatory z wykorzystaniem roztopionej soli

Kolejny rodzaj akumulatora wysokotemperaturowego to akumulator sodowo-niklowo-chlorkowy. Akumulator ZEBRA wprowadzony na rynek przez firmę FIAMM to wersja komercyjna akumulatora o takim składzie chemicznym. Obecnie ich udział na rynku jest niewielki i nic nie wskazuje, aby miał ulec zmianie w najbliższej przyszłości. Dlatego ten rodzaj akumulatorów nie jest omawiany bardziej szczegółowo w niniejszej nocie aplikacyjnej.

Inne rodzaje akumulatorów

Akumulatory wymienione poniżej nie są omawiane szczegółowo, ale mimo to zasługują na wzmiankę.

• W akumulatorach cynkowo-powietrznych na anodzie stosuje metaliczny cynk, a katoda jest powietrzna. Z uwagi na fakt, że reagent katody nie musi znajdować się wewnątrz ogniwa, akumulatory te umożliwiają uzyskanie wysokiej objętościowej gęstości energii. Jednakże ich całkowita efektywność energetyczna jest gorsza niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych (których udział na rynku wynosi obecnie 75%). W momencie przygotowywania niniejszej publikacji znany jest jeden producent: firma Fluidic Energy.
• Akumulatory wykorzystujące słoną wodę to akumulatory sodowo-jonowe z wodnym elektrolitem. Obecnie w sprzedaży komercyjnej dostępne są akumulatory tylko jednego producenta — firmy Aquion. Gęstość energii tych akumulatorów jest nieco niższa niż akumulatorów kwasowo-ołowiowych, a efektywność energetyczna — porównywalna. Są one odpowiednie do zastosowań wymagających długich cykli (magazynowanie typu dzień-noc), a ich okres eksploatacji wynosi około 3000 pełnych cykli ładowania i rozładowania w przypadku tego typu zastosowań. Ponadto elementy składowe są

nietoksyczne, dzięki czemu akumulatory te stanowią atrakcyjną propozycję dla zastosowań na terenach mieszkalnych.

Akumulatory przepływowe

Tradycyjne akumulatory składają się z ogniw, w których zamknięte są wszystkie reagenty. Te reagenty są często w stanie stałym (aczkolwiek nie jest to regułą). Natomiast w akumulatorach przepływowych reagent dodatni i reagent ujemny są magazynowane na zewnątrz ogniwa. Samo ogniwo składa się z membrany jonowymiennej, która rozdziela reagent dodatni od ujemnego, ale umożliwia wymianę jonów (najczęściej jonów dodatnich) między ujemną i dodatnią połową ogniwa. Na obu połowach ogniwa znajdują się odbieraki prądu zapewniające połączenia elektryczne. Reagenty, które są rozpuszczone, zawieszone lub skompleksowane w cieczy, pompuje się ze zbiorników przez obie połowy ogniwa. Reagent ujemny nazywany jest anolitem a dodatni — katolitem. Akumulator przepływowy składa się z kilku ogniw połączonych elektrycznie w szereg. Takie połączenie szeregowe zazwyczaj ma postać kilku warstw pojedynczych ogniw przepływowych nazywanych stosem ogniw.

Najważniejszą zaletą tego systemu jest niemal całkowita niezależność pojemności od mocy akumulatora. Osiągalna moc zależy od wielkości stosu ogniw, a pojemność — od ilości elektrolitu w zbiornikach. Aby zwiększyć pojemność systemu akumulatorów przepływowych, należy zainstalować większe zbiorniki i wypełnić je elektrolitem. Zatem wzrost ceny systemu w przeliczeniu na dodatkowe kWh może być bardzo niski. Jednakże, z uwagi na złożoność rozwiązania polegającego na pompowaniu cieczy reaktywnych przez system oraz wysoki koszt stosów ogniw, koszty w przeliczeniu na jednostkę mocy są wysokie w porównaniu do tradycyjnych akumulatorów. Dlatego akumulatory przepływowe są atrakcyjnym rozwiązaniem przede wszystkim w przypadku zastosowań, w których czas ładowania/rozładowywania to co najmniej kilka godzin.

Liczba reakcji chemicznych, które zachodzą w obecnie stosowanych akumulatorach przepływowych, jest zbyt duża, aby omawiać je w niniejszej publikacji. Z komercyjnego punktu widzenia najlepiej opracowany jest system, w którym wykorzystuje się wyłącznie wanad, przy czym system cynkowo-bromowy niewiele mu ustępuje. W tym drugim systemie cynk jest metaliczny, a więc jedynie połowa akumulatora jest typu przepływowego. Jednakże zwiększenie pojemności wymaga jedynie zwiększenia rozmiaru elementu z cynku, a rozwiązanie to jest równie proste i tanie jak zwiększenie rozmiaru zbiornika.

Główną wadą akumulatorów przepływowych jest niska gęstość energii. Technologia nieprzerwanie się rozwija. Mimo ciągłych postępów, objętościowa gęstość energii możliwa do osiągnięcia nadal jest ograniczona, ponieważ reagenty muszą być zmieszane z płynnym nośnikiem, który nie bierze udziału w reakcji wytwarzania magazynowanej energii. Z uwagi na fakt, że połowa jego reagentów jest w stanie stałym, gęstość energii akumulatora cynkowo-bromowego może być porównywalna lub nieco wyższa niż w przypadku akumulatora kwasowo-ołowiowego. Akumulatory o innym składzie chemicznym charakteryzują się niższą gęstością energii. Ogranicza to możliwości ich wykorzystania w zastosowaniach stacjonarnych.

Kondensatory

Kondensatory i akumulatory to dwie zupełnie różne historie. W kondensatorach energia jest magazynowana w polu elektrycznym, natomiast w akumulatorach magazynowanie energii następuje na skutek odwracalnej reakcji elektrochemicznej. Jednakże nowe rozwiązania, takie jak elektryczny kondensator dwuwarstwowy i kondensator litowo-jonowy, sprawiają, że ta różnica nie jest już tak wyraźna. Pod względem połączeń elektrycznych urządzenia te funkcjonują podobnie jak tradycyjne kondensatory, ale ich pojemność jest o trzy do czterech rzędów wielkości wyższa (licząc w tysiącach faradów) niż pojemność zwykłych kondensatorów, podczas gdy ich napięcie robocze jest rzędu kilku woltów, podobnie jak w przypadku akumulatorów. Chociaż wykracza to poza zakres niniejszego dokumentu, kondensatory te zasługują na wzmiankę, ponieważ doskonale sprawdzają się w przypadku zastosowań wymagających szybkiego ładowania, gdzie wykazują dłuższy okres eksploatacji w przeliczeniu na cykle (w porównaniu do zwykłych akumulatorów) oraz wysoką gęstość mocy i dobrą efektywność z uwagi na brak histerezy napięciowej. Z powodzeniem używa ich się do regulacji częstotliwości oraz jako elementy trakcji kolejowej służące do podtrzymywania napięcia. Mniej nadają się do zastosowań o dłuższym czasie ładowania z uwagi na niską objętościową gęstość energii i wysoki koszt w przeliczeniu na jednostkę magazynowanej energii.

CZYTAJ WIĘCEJ W DRUGIEJ CZĘŚCI RAPORTU – CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA OKRES EKSPLOATACJI SYSTEMU MAGAZYNOWANIA ENERGII

CAŁY RAPORT Akumulatorowe-Systemy-Magazynowania-Energii-wydajność-i-okres-eksploatacji_compressed