Systemy akumulatorowe

W ostatnich latach nastąpił znaczny spadek cen systemów magazynowania energii odnawialnej (ESS). Magazynowanie energii wytwarzanej w elektrowniach fotowoltaicznych (PV) odbywa się głównie w akumulatorach, które muszą mieć określone właściwości. Obejmują one wysoki stopień cykliczności, wyjątkową gęstość mocy, zdolność do regeneracji po głębokim rozładowaniu itp.

O ile w przeszłości do magazynowania energii preferowane były trakcyjne akumulatory kwasowo-ołowiowe, obecnie większość elektrowni fotowoltaicznych wyposażona jest w litowe akumulatory SSE lub przepływowe akumulatory redoks.

Porównanie najczęściej używanych typów akumulatorów:

Źródło: https://www.fg-forte.cz/cz/kategorie/lithiove--lithium-ion-baterie.aspx

Akumulatory trakcyjne ołowiowe (żelowe) (SSE)

To sprawdzona technologia magazynowania energii. Akumulator kwasowo-ołowiowy ma wysoką sprawność energetyczną (około 85%), co oznacza, że odda dużą część dostarczonych amperogodzin. Akumulatory kwasowo-ołowiowe mogą pracować w wielu trybach, a ich charakterystyka ładowania i rozładowywania jest również dość korzystna. Zaleca się stosowanie nowoczesnych akumulatorów z technologią AGM (nierozkładalne - kwas wsiąka we włókna szklane) lub żelowych - bardzo wytrzymałych o długiej żywotności (elektrolit - kwas - jest zestalony w postaci żelu). Modele AGM i GEL są całkowicie bezobsługowe, nie kruszą się i są wysoce odporne na wstrząsy.

Głównymi wadami ołowiowych SSE są ich ograniczona żywotność i wysoka waga.

Systemy magazynowania energii (SSE) oparte na ogniwach litowo-jonowych

Największą zaletą litowych SSE jest wyższa gęstość energii tych akumulatorów, zarówno pod względem objętości, jak i masy. Kolejną zaletą tych akumulatorów jest niższe samorozładowanie niż w przypadku większości innych akumulatorów, zasada ładowania jest prosta, a ładowanie można przeprowadzić w dowolnym momencie (stan rozładowania) bez negatywnego wpływu na wydajność akumulatorów.

Obecnie na rynku dostępnych jest kilka wariantów litowych SSE. Najpopularniejszym typem baterii litowych są ogniwa litowo-jonowe (Li-Ion) z ciekłym elektrolitem. Baterie te są zatem stosunkowo bezpieczne i wytrzymałe mechanicznie. Napięcie ładowania wynosi 4,2 V na ogniwo, nominalnie 3,6 V. Gęstość energii wynosi około 150-200 Wh/kg.

Główną zaletą akumulatorów litowo-jonowych jest fakt, że można je bardzo często ładować - bez efektu pamięci, który spowalnia i komplikuje proces ładowania. Kolejna zaleta: wysoka gęstość energii. Głębokość rozładowania (DOD): Akumulatory mogą być głęboko rozładowane (100% DOD) w porównaniu do akumulatorów kwasowo-ołowiowych są bardziej wydajne, ponieważ jeśli akumulator kwasowo-ołowiowy przekroczy 80% głębokości rozładowania, zostanie uszkodzony.

Systemy magazynowania energii (SSE) oparte na LiFe/LiFePO4

Kolejnym szeroko rozpowszechnionym typem jest ogniwo litowo-żelazowo-fosforanowe, w skrócie LiFe/LiFePO4. Napięcie ładowania ogniw wynosi 3,6 V, nominalnie 3,2 V. Ogniwa LiFePO4 mają niższą gęstość energii (około 90-120 Wh/kg). Ich przewagą nad ogniwami Li-Ion jest wyższa obciążalność prądowa i pewna odporność na głębokie rozładowanie.

Tlenek litowo-tytanowy (LTO)

Trzecim typem wykorzystywanych SSE na bazie litu są baterie litowo-tytanowe (LTO lub Li4Ti5O12 = tlenek litowo-tytanowy). Katoda jest taka sama jak w akumulatorach Li-Ion/Li-Pol. Materiał LTO ma dużą powierzchnię właściwą w stosunku do masy, dzięki czemu możliwe jest szybkie ładowanie i rozładowywanie.

Kolejną zaletą jest możliwość pracy w niskich temperaturach i bardzo długa żywotność (tysiące cykli). Z drugiej strony, wadą jest niższe napięcie nominalne wynoszące 2,4 V. Gęstość energii jest zatem niższa niż w poprzednich typach.

Systemy magazynowania energii (ESS) oparte na akumulatorach przepływowych

Według wielu ekspertów, akumulatory przepływowe mogą być w przyszłości "filarem" wielu systemów ESS, zarówno na poziomie sieci, jak i w domach.

Zasadniczo, baterie przepływowe składają się z dwóch zbiorników wypełnionych elektrolitem przepływającym przez ogniwo elektrochemiczne. Krytyczne procesy zachodzą w elektrolicie, który jest podzielony na dwa duże zbiorniki. Każdy zbiornik ma własną pompę i wtryskuje elektrolity do regeneracyjnego ogniwa paliwowego, gdzie zachodzi reakcja chemiczna poprzez membranę jonowymienną. Energia jest przenoszona przez membranę i magazynowana w zbiornikach elektrolitu.

Zalety i wady technologii VRB

Oddzielenie elektrolitu ma pewne zalety. W przypadku VRB elektrolit nie ulega procesom degradacji, dzięki czemu możliwe jest użytkowanie akumulatora przez niemal nieograniczoną liczbę cykli ładowania i rozładowania. Akumulator VRB można pozostawić w stanie rozładowania przez dłuższy czas bez szkody dla jego żywotności. Według ekspertów żywotność baterii szacuje się na 30 do 50 lat przy liczbie cykli rzędu dziesiątek tysięcy.
Elektrolit nie ulega degradacji, co w praktyce oznacza, że pojemność baterii nie zmienia się w czasie. Głębokość ładowania i rozładowania wynosi od 0% do 100%. Technologia VRB charakteryzuje się minimalnym procesem samorozładowania. Baterie przepływowe VRB są niezwykle stabilne. Wydajność tych akumulatorów waha się od 75% do 85%, napięcie ogniwa zależy od zastosowanego elektrolitu i waha się od 1,4 V do 1,8 V.
Jedyną wadą VRB jest niska gęstość energii w zakresie od 15 do 25 kWh/m3 (dla porównania, akumulatory litowo-jonowe mają gęstość energii około 300 kWh/m3). Dlatego akumulatory VRB są dość nieporęczne i stosunkowo ciężkie. Gęstość energii tych akumulatorów zależy od ilości elektrolitu w zbiornikach, podczas gdy na gęstość mocy wpływają reakcje chemiczne zachodzące na elektrodach.

Jak rozpoznać baterię wysokiej jakości?

Akumulator wysokiej jakości powinien zawierać system BMS, czyli "Battery Management System", który dba o jego bezpieczeństwo, aktywnie balansując ogniwa i utrzymując całą GSS w jak najlepszym stanie. BMS gwarantuje zatem całkowicie bezpieczną długoterminową pracę przy 100% wykorzystaniu możliwości zastosowanych ogniw baterii. Dla każdego ogniwa układ elektroniczny precyzyjnie monitoruje aktualne napięcie, natężenie i temperaturę oraz koryguje proces ładowania i rozładowywania zgodnie ze zmierzonymi wartościami.

Główne funkcje systemu BMS:
- precyzyjny pomiar napięcia, natężenia i temperatury każdego ogniwa
- ochrona przed głębokim rozładowaniem i przeładowaniem każdego ogniwa
- ograniczenie nadmiernych prądów ładowania i rozładowania.

Zasady wyboru dobrej jakości GSS

Zdecydowanie odradza się wybór tanich trakcyjnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Porównując cenę za przechowywaną kWh (ale także porównując wymiary lub wagę), przechowywanie baterii litowych wyraźnie wypada lepiej. Ponadto, wysokiej jakości bateria litowa (lub bateria przepływowa) jest bezobsługowym, czystym i bezpiecznym rozwiązaniem, które jest lepsze i bardziej opłacalne pod każdym względem w porównaniu z bateriami Pb.
Przy wyborze baterii obowiązuje zasada, że wyższa cena = wyższa wartość dodana. Akumulator wysokiej jakości można rozpoznać po tym, że zawiera system BMS - tj. system kontroli, który aktywnie równoważy ogniwa i utrzymuje całą SSE w jak najlepszym stanie.

WSKAZÓWKA: Wybierając baterię, zwróć uwagę na następujące parametry:
- żywotność
- pojemność (użytkowa)
- liczba cykli ładowania/rozładowania
- zdolność do głębokiego rozładowania.