АННОТАЦИЯ
Электрохимические накопители энергии используют энергию химических реакций для накопления и возврата энергии. Они называются гальваническими элементами или батареями.
В статье в целом излагаются основные положения, относящиеся ко всем системам батарей. В качестве примеров рассматриваются, в основном, свинцовые или никель-кадмиевые накопители энергии. Они замещают вращающийся резерв в энергосистемах и применяются для регулирования частоты. Как и в случае с эффективностью, рентабельность накопителя энергии напрямую зависит от его срока службы. Срок службы зависит от многих факторов, в том числе от циклического заряда и разряда, глубины разряда и условий окружающей среды. Также описываются основные принципы электрохимического накопления энергии. Электрохимические системы хранения энергии могут играть важную роль в внедрение устойчивой энергетики.
Ключевые слова: Накопители энергии, Литий-ионные, Натрий-серные, Никель-кадмиевые, аккумуляторы.
Электрохимическое накопление энергии — это метод, используемый для хранения электричества в химической форме. Этот метод хранения имеет преимущества от того факта, что и электрическая, и химическая энергия используют один и тот же носитель - электрон. Эта общая схожесть позволяет ограничить потери из-за перехода из одной формы в другую.
Существует два основных типа электрохимических накопителей энергии: батареи первичных элементов, которые разряжаются только один раз и не могут заряжаться повторно; батареи вторичных элементов, которые могут вновь заряжаться посредством подачи электрической энергии.
Известно огромное количество типов аккумуляторов, которое постоянно увеличивается. Наиболее популярны свинцово-кислотные, никель-кадмиевые (NiCad), литий- ионные (Li-ion), натрий-серные (Na/S), бром-цинковые (Zn/Br), ванадиевые, никель-металлгидридные. Накопители на базе литий-ионных аккумуляторов получают наиболее широкое применение в энергетике. Примером может служить накопитель, установленная мощность которого 100 МВт и емкость 129 МВт·ч, который вступил в строй 1 декабря 2017 года в Австралии. Он аккумулирует энергию с ближайшей ветряной электростанции. С такой ёмкостью литий-ионных аккумуляторов HornsdalePowerReserve в настоящее время является крупнейшим в мире накопителем [4].
Рисунок 1 – Установленная мощность электрохимических накопителей (2020г.)
Установленная мощность накопителей энергии продолжает расти во всем мире в геометрической прогрессии. В период с 2017 по 2018 год глобальная мощность увеличилась вдвое до 8 ГВтч (IEA, 2018) [5].
Ниже приведена таблица с приближенными требованиями к накопителям электроэнергии в зависимости от цели применения.
Таблица 1 - Цели применения накопителей электроэнергии [1].
|
Применение
|
Необходимая мощность (МВт)
|
Длительность разряда
|
Циклы
|
|
Регулирование частоты
|
От 1 до 2000
|
от 1 до 15 минут
|
от 20 до 40 (в день)
|
|
Покрытие максимумов нагрузок
|
От 1 до 2000
|
от 15 минут до 1 дня
|
от 1 до 29 (в день)
|
|
Поддержание напряжения
|
От 1 до 40
|
от 1 секунды до 1 минуты
|
от 10 до 100 (в день)
|
|
После аварийный режим
|
От 0,1 до 400
|
от 1 до 4 часов
|
1 раз в год
|
|
Интеграция ВИЭ
|
От 1 до 400
|
от 1 минуты до 1 часа
|
от 0.5 до 2 (в день)
|
|
Вращающийся резерв
|
От 10 до 2000
|
от 15 минут до 2 часов
|
от 0.5 до 2 (в день)
|
Свинцово-кислотные аккумуляторы. Этот тип вторичного элемента широко используется в транспортных средствах и других приложениях, требующих высоких значений тока нагрузки. Его основные преимущества - низкие капитальные затраты, зрелость технологий и эффективная переработка. Ввиду своей дешевизны, отработанной технологии производства и большому опыту экплуатации данная электрохимическая система является одной из самых распространенных. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях электролитом является раствор серной кислоты, активным веществом положительных пластин — двуокись свинца РЬО2, отрицательных пластин — свинец РЬ. В процессе заряда и разряда на электродах происходят электрохимические окислительно-воостановительные реакции, а электролит является средой транспорта ионов между электродами.
Таблица-2. Преимущества и недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов [2]
|
Преимущества
|
Недостатки
|
|
Недорогое и простое изготовление
|
Относительно низкая удельная энергия по сравнению с более новыми системами
|
|
Низкая стоимость ватт-часа
|
Эффект памяти; требует периодической полной разрядки
|
|
Высокая удельная мощность, способная выдерживать большие токи разряда
|
Кадмий - токсичный металл; нельзя утилизировать
|
|
|
Высокий саморазряд; нуждается в подзарядке после хранения
|
Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы. В никель-кадмиевом аккумуляторе анодным электродом является гидрат дигидроксида никеля Ni(OH)2, смешанный для повышения проводимости с графитом (5- 8 % масс.%) , катодным электродом — гидрат закиси кадмия Cd(OH)2 или металлический кадмий Cd (в виде порошка).Электролит — водный раствор калиевой щелочи KOH плотностью 1,2 г/см3 . Напряжение холостого хода никель-кадмиевого аккумулятора около 1,37 В, удельная энергия около 50 Вт·ч/кг
В зависимости от конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды) и чистоты применяемых материалов, срок службы составляет от 100 до 9000 циклов заряда-разряда. Современные (ламельные) промышленные никель-кадмиевые батареи могут служить до 20-25 лет. Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) - единственный вид аккумуляторов, которые могут храниться разряженными. Для данного типа аккумуляторов также характерна устойчивая работа при пониженных (-20°С) температурах и малый нагрев при заряде и разряде высокими токами за счет применения щелочного электролита. Основным недостатком данного типа аккумуляторов является так называемый «эффект памяти» - когда зарядке подвергается не полностью разряженный аккумулятор, его рабочее напряжение снижается из-за формирования дополнительного двойного электрического слоя на электродах, как бы «запирающего» остаточную емкость. Многократное повторение этого явление приводит к выходу аккумулятора из строя, поэтому аккумуляторы данного типа целесообразно применять в системах, для которых характерен глубокий разряд. Другим существенным недостатком является применение в элементах токсичного кадмия, который требует специальных технологий утилизации аккумуляторов и отходов их производства.
Ni – MH батареи превосходят другие аккумуляторные батареи и имеют большую емкость и меньшее падение напряжения (Таблица 2).
Таблица-3. Преимущества и недостатки никель-кадмиевых аккумуляторов
|
Преимущества
|
Недостатки
|
|
Устранение ограничений, накладываемых на производство, использование и утилизацию аккумуляторов из-за опасений по поводу токсичности кадмия.
|
Ограниченный срок службы: при многократных циклах глубокого цикла, особенно при больших токах нагрузки производительность начинает ухудшаться после 200–300 циклов.
|
|
Упрощенное включение в продукты, которые в настоящее время используются
|
Необходимость в более сложном алгоритме заряда: Ni-MH выделяет больше тепла во время зарядки и требует более длительного время заряда, чем у Ni – Cd.
|
|
Большее преимущество в обслуживании по сравнению с другими первичными батареями
|
Высокий саморазряд: у Ni – MH примерно на 50% больше саморазряд по сравнению с Ni – Cd.
|
Литий-ионные аккумуляторы. Литий-ионные аккумуляторы развиваются наиболее интенсивно в последнее время, находя все большее применение в электротранспорте, портативных источниках питания, космической и авиационной технике.
В настоящее время целый ряд компаний, ориентированных на производство ЛИА для электромобилей, начинает выпуск систем ЛИА для бесперебойных, резервных и аварийных нужд, а также буферного аккумулирования электроэнергии. Высокие удельные характеристики ЛИА позволяют разместить такие системы в стандартных морских или автомобильных контейнерах.
В Калифорнии в 2017 году был открыт крупнейший сетевой накопитель энергии на основе ЛИА. Установленная мощность 30 мегаватт, а емкость 120МВт*ч
Литий-ионные аккумуляторы обладают самой высокой плотностью энергии и считаются безопасными. Их преимущества и недостатки приведены в Таблице 3.
Таблица-4. Преимущества и недостатки литий-ионных аккумуляторов [3]
|
Преимущества
|
Недостатки
|
|
Высокая удельная энергия и высокая нагрузочная способность
|
Невозможность быстрой зарядки при отрицательных температурах (<0 ° C, <32 ° F)
|
|
Длительный цикл и увеличенный срок хранения
|
Необходимость соблюдения правил перевозки при отгрузке в большие количества
|
|
Простой алгоритм зарядки и достаточно короткая зарядка
|
|
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
-
-
Источник «Technology Roadmap Energy storage», 2014 International Energy Agency
-
-
Источник: Корейская ассоциация производителей аккумуляторов, 2017 г. «Технология и бизнес-модель систем накопления энергии».
-
Handbook on Battery Energy Storage System, ASIAN DEVELOPMENT BANK 2018.
