Technologie magazynów energii

Zasada działania magazynów energii

Magazynowanie energii w akumulatorach polega na zamianie energii elektrycznej w chemiczną podczas procesu ładowania oraz energii chemicznej w elektryczną podczas konsumowania zgromadzonej energii. W większości przypadków najważniejszą funkcją magazynu energii w fotowoltaice jest kompensacja cykli pracy. Bowiem podstawową cechą instalacji PV jest nadprodukcja energii w ciągu dnia, zwłaszcza w południe oraz latem i niedobory produkcji wieczorami i całym okresie zimowym. Oczywiście, nocą mamy całkowity brak produkcji prądu. Celem działania magazynu energii jest pewne uniezależnienie się od sieci. Może chodzić zarówno o zapewnienie ciągłości zasilania w razie wyłączenia sieci jak i o przesunięcie godzin poboru największej ilości energii.

Wśród ocenianych parametrów akumulatorów w centrum uwagi konsumentów zazwyczaj znajdują się pojemność i cena. Chociaż żywotność powinna być wśród tych cech równie ważna, często jest niedoceniana lub niezauważalna. Ale to właśnie ten wskaźnik powie nam równie dużo o sensie inwestycji w daną technologię akumulatorową. Parametr ten ma decydujące znaczenie przy rozpatrywaniu wydatków na magazyny energii w dłuższym czasie, takim jak 5 czy 10 lat. W przypadku rozwiązań cyklicznych dla fotowoltaiki poszukujemy akumulatorów, które cechuje jak największa liczba cykli ładowania i rozładowania. Akumulatory, które co prawda są drogie w zakupie, ale zachowują swoją pojemność przez wiele lat są zdecydowanie lepszą inwestycją niż te, które są wprawdzie tańsze, ale bardzo szybko tracą nominalną pojemność. Istotnym parametrem jest również bezpieczeństwo. Niewłaściwie eksploatowane i starzejące się akumulatory stanowią istotne zagrożenie nie tylko dla funkcjonowania instalacji elektrycznej, ale mogą nawet spowodować pożar, zagrażając w ten sposób majątkowi, a nawet zdrowiu i życiu domowników.

Nie może dziwić fakt, że dominującymi na rynku typami akumulatorów są obecnie akumulatory litowo-jonowe. Przewyższają one parametrami, zwłaszcza swoją pojemnością i długowiecznością, inne rodzaje akumulatorów. Jednak wśród tych mniej docenianych technologii także możemy znaleźć interesujące pozycje, które w niektórych scenariuszach użycia mogę być dobrym rozwiązaniem.

Zasada działania magazynu energii w instalacji PV fot. Depositphotos

Akumulatory jonowo-sodowe

Akumulator pracujący w tzw. technologii słonej wody czyli jonowo-sodowy jest rozwiązaniem wchodzącym na rynek, z którym wiązane są nadzieje analityków zajmujących się fotowoltaiką. Ten modułowy system magazynowania energii, należy także do najbardziej ekologicznych. Jednocześnie rozwiązania te cechuje możliwość całkowitego głębokiego rozładowania akumulatora, co jest cechą wysoce pożądaną w zastosowaniach dla fotowoltaiki. Baterie sodowo-jonowe już obecnie są relatywnie tanie w produkcji, bo nie wymagają trudnych do pozyskania surowców. Jedynie ich gęstość energii pozostawia jeszcze wiele do życzenia. Akumulatory sodowo-jonowe zapewniają pełne możliwości ładowania przy 3000 cykli ładowania i rozładowania oraz 80 procent pojemności dla 5000 cykli. Jest to wynik nieco gorszy niż w przypadku rozwiązań litowo-jonowych, jednak biorąc pod uwagę inne korzyści, nie dyskwalifikuje on tego rodzaju urządzeń. Zastosowanie w tych akumulatorach sodu, który dostępny jest m.in. jako produkt uboczny w wydobyciu soli potasu jest jedną z najważniejszych zalet tego rozwiązania. Obróbka sodu wymaga mniej energii, co oznacza jednocześnie mniejszy ślad węglowy przy produkcji tych urządzeń oraz niższe ich koszty.

Dużą zaletą akumulatorów sodowo-jonowych jest ich wysoka stabilność termiczna. Nawet w temperaturze minus 20 stopni Celsjusza urządzenie zachowuje około 90 proc. pojemności. Jednocześnie moc ładowania nie spada tak bardzo jak w akumulatorach litowo-jonowych.

Mniej korzystnie w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych wygląda natomiast gęstość energii, która wynosi około 160 watogodzin na kilogram (Wh/kg). W efekcie, akumulatory jonowo-sodowe są około dwa razy większych rozmiarów niż akumulatory litowe z podobną pojemnością. Żywotność akumulatora sodowo-jonowego jest podobna do żywotności akumulatora litowo-żelazowo-fosforanowego. Jednocześnie technologia jonów sodowych wykazuje duże przewagi w obszarach bezpieczeństwa i zgodności ze środowiskiem.

Akumulatory litowo-jonowe

Akumulatory litowo-jonowy (Li-Ion) są obecnie najpopularniejsze w zastosowaniach PV, co wynika z długowieczności tych urządzeń oraz wysokiej gęstości przechowywanej energii, która osiąga wartości 120-200 Wh/kg. Wysoka gęstość mocy charakteryzująca te urządzenia pozwala akumulatorowi o małej pojemności na ładowanie i rozładowywanie ich dużymi prądami. Ma to istotne znaczenie, kiedy działa jednocześnie wiele odbiorników energii. Kolejną zaletą jest niemal całkowity brak efektu pamięciowego oraz duża liczba cykli ładowania i rozładowania, decydująca o żywotności tych akumulatorów, która w tym przypadku wynosi 5000-10000. Technologia litowo-jonowa ma także wady, do których należy wysoka cena pojedynczej jednostki, konieczność dokładnej kontroli parametrów prądu ładowania i wrażliwość na przeładowanie.

Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe

Rozwiązania litowo-żelazowo-fosforanowe (Li-FePO4) są rodzajem akumulatorów litowo-jonowych (Li-Ion) o dużej mocy. Akumulatory te, podobnie jak i akumulatory litowo-jonowe wykorzystują anodę grafitową, która może przechowywać dość duże ilości jonów litu podczas ładowania. Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe są nowszymi akumulatorami, które zyskały uznanie z powodu mniej toksycznych i tańszych materiałów, jak również ze względu na ich stabilność przy wyższych temperaturach. Gęstość energii wynosi w przypadku tych urządzeń 90-120 Wh/kg. Akumulatory te cechuje odporność na samorozładowanie, duża pojemność i szybki proces ładowania. Dużym plusem tych ogniw jest także ich czas eksploatacji, który osiąga kilka tysięcy cykli ładowania i rozładowania. Szacuje się, że liczba cykli ładowań wynosi 1000-10000 cykli i jest w dużej mierze zależna od temperatury. Akumulator ten trudno jest doładować podczas mroźnych zim, kiedy temperatura spada poniżej minus 10 stopni Celsjusza.

Dla przedsiębiorcy magazyn energii może zapewniać rezerwowe zasilanie w razie awarii sieci, ale również służyć zmniejszeniu poboru mocy w godzinach obowiązywania najwyższych stawek za energię fot. Zeneris Projekty

Klasyczne akumulatory kwasowo-ołowiowe

Te wciąż popularne akumulatory ze względu na liczne swoje ograniczenia nie są polecane w przypadku większości instalacji fotowoltaicznych. Ich zaletą jest w zasadzie niska cena i powszechna dostępność. Główną wadą jest natomiast ograniczona żywotność tego akumulatora w zastosowaniach cyklicznych, typowych przecież w fotowoltaice. Ten rodzaj akumulatorów oparty jest na ogniwach galwanicznych zbudowanych z elektrody ołowiowej oraz roztworu wodnego kwasu siarkowego, spełniającego funkcję elektrolitu. W przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych zazwyczaj jednostki tańsze łączone są w baterie akumulatorów, by zapewnić właściwą pojemność. Gęstość energii na kilogram ogniwa wynosi w tym przypadku 50 Wh/kg, natomiast liczba cykli ładowania i rozładowania oscyluje wokół 1000.

W instalacjach fotowoltaicznych dość często dochodzi do całkowitego lub znacznego rozładowania akumulatorów, co w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych powoduje znaczący spadek ich wydajności w czasie. Ponadto, akumulator ten w zastosowania PV należy co jakiś czas poddawać konserwacji, czyli okresowo przeprowadzać wyrównanie poziomu elektrolitu i od czasu do czasu mierzyć jego ciężar właściwy za pomocą areometru. Należy także pamiętać o wadach związanych z bezpieczeństwem tych urządzeń. W pewnych warunkach ładowania akumulator ten może wydzielać wodór, co powoduje konieczność odpowietrzenia go w celu uwolnienia oparów.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe sprawdzają się za to dobrze, gdy nie dochodzi do ich głębokiego rozładowania. Z powodzeniem mogą więc pracować w zastosowaniach buforowych, gdzie ważne jest zapewnienie ciągłości zasilania urządzeń, a nie długotrwałe zasilanie wyłącznie z akumulatora. Dobrze znoszą też krótkotrwały pobór prądu o dużym natężeniu, dlatego sprawdzają się jako akumulatory służące rozruchowi silników elektrycznych. Wykazują też dużą tolerancję na przeładowanie i zmiany parametrów prądu ładowania. Z tych względów w dużych systemach bywają instalowane jako uzupełnienie magazynów bazujących na innych technologiach. 

Akumulatory żelowe

Akumulatory żelowe, należące do grupy kwasowo-ołowiowych, cechuje wysoka sprawność ładowania. Elektrolit w tej konstrukcji otrzymuje się poprzez zmieszanie kwasu siarkowego z krzemionką, co pozwala uzyskać konsystencję żelową. Z uwagi na to, że nie występuje w nich zjawisko redukcji poziomu elektrolitu, akumulatory te są urządzeniami całkowicie bezobsługowymi. Są one także mniej podatne na starzenie w porównaniu do klasycznych akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Dobrze znoszą dłuższy okres, w którym nie są całkowicie naładowane. Stosowane są zarówno w rozwiązaniach do podtrzymywania energii instalacji komputerowych jak i w instalacjach fotowoltaicznych ponieważ w porównaniu do klasycznych rozwiązań kwasowo-ołowiowych cechuje je wyższa odporność na efekt rozwarstwienia elektrolitu podczas wolnego ładowania. Gęstość energii na kilogram ogniwa wynosi w tym przypadku 30 Wh/kg, natomiast liczba cykli ładowania i rozładowania wynosi około 1000. Istotną wadą akumulatorów żelowych, na przykład w stosunku do omawianych także AGM, są między innymi mniejsze moce uzyskiwane podczas rozładowania dużymi prądami, zwłaszcza w niskich temperaturach. Rozwiązania te źle znoszą także głębokie rozładowanie, które trwa dłużej niż 24 godziny.

Akumulatory AGM

Akumulatory AGM (ang. absorptive glass mat) to rozwiązania, w których elektrolitem nasączona jest mata wykonana z włókna szklanego. Taka konstrukcja pozwala zapobiegać wyciekowi elektrolitu z uszkodzonych mechanicznie akumulatorów oraz poprawia maksymalną moc akumulatora ze względu na niską rezystancję wewnętrzną tego typu konstrukcji. Akumulatory AGM, podobnie jak żelowe, są urządzeniami bezobsługowymi, nie wymagającymi kontroli poziomu elektrolitu. Odporność na wstrząsy i uderzenia to kolejna cecha, wspólna dla obu technologii. Liczba cykli ładowania i rozładowania wynosi w tym przypadku około 1000. W przeciwieństwie do klasycznych akumulatorów kwasowo-ołowiowych można je montować w każdej pozycji. Konstrukcja zawiera także zawór ciśnieniowy zabezpieczający przed nadmiernym gromadzeniem się gazów, co może mieć miejsce w przypadku przeładowania akumulatora. Jednak z założenia nie wolno dopuszczać do przeładowania akumulatorów AGM ani żelowych. Zawór bezpieczeństwa nie powinien się otwierać w czasie normalnej eksploatacji. Ważną zaletą akumulatorów AGM jest wysoka gęstość gromadzonej energii. Akumulatory AGM nie dorównują jednak parametrom akumulatorów żelowych w zastosowaniach cyklicznych. Istotną wadą tych akumulatorów jest mała liczba cykli pełnego naładowania i rozładowania w czasie ich życia.

Porównanie parametrów różnych typów akumulatorów. Gęstość energii wyrażona jest w możliwej do zmagazynowania liczbie watogodzin na kg akumulatora. W większości przypadków pojedyncze jednostki akumulatorów można łączyć ze sobą, by w ten sposób zwielokrotniać ich pojemność. Trwałość definiowana jest poprzez liczbę cykli. Parametr ten w dużej mierze mówi o trwałości baterii, jednak do pełnego obrazu konieczne jest dołączenie informacji o warunkach eksploatacji, tzn. w jakim stopniu akumulator może być rozładowywany podczas normalnej pracy. W przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych parametr ten jest krytyczny dla trwałości baterii, które przy rozładowaniu istotnie tracą swoją pierwotną pojemność. Podane ceny za pojemność są przybliżone. Podane parametry techniczne akumulatorów to wartości osiągnięte w warunkach laboratoryjnych co oznacza, że mają charakter orientacyjny i dla poszczególnych modeli mogą się znacząco różnić

Marek Rzewuski

Fot. Zeneris Projekty/Depositphotos