Неплохой абзорчик по перспективам аккумуляторов

Целый ряд областей человеческой жизнедеятельности потенциально может значительно перемениться в лучшую сторону при замещении нынешних энергоносителей на электроэнергию, либо при изменении существующих способов её передачи и хранения. Для создания запаса электрической энергии или ее распределения вне сети (например, для питания мобильных электронных устройств или запуска двигателя автомобиля) она должна быть преобразована в другие виды энергии. Наиболее популярным является использование для этой цели химических вторичных источников тока – электрохимических аккумуляторов, в которых происходит преобразование электрической энергии в химическую энергию связи веществ и соединений (заряд аккумулятора) или обратное преобразование (разряд).

Накопители электрической энергии являются важнейшим элементом активно-адаптивных сетей будущего. Они выполняют ряд функций:

  • выравнивание графиков нагрузки в сети (накопление электрической энергии в периоды наличия избыточной (дешевой) энергии и выдачу в сеть в периоды дефицита;
  • обеспечение повышения надежности сети;
  • отсрочка расширения мощности сети;
  • обеспечение бесперебойного питания особо важных объектов, собственных нужд электрический станций и ПС;
  • сглаживание колебаний мощности, стабилизации работы малоинерционных систем распределенной генерации.

Основные типы накопителей

Существует много различных классификаций накопителей электрической энергии. Наиболее удобной с практической точки зрения представляется классификация на электрохимические и физические накопители энергии. Первые – преобразуют электрическую энергию в химическую энергию веществ, вторые – в механическую энергию.

К электрохимическим накопителям энергии относятся аккумуляторные батареи, накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов и др. Все типы электрохимических накопителей подключаются  к сети через преобразователи (инверторы).

 

К физическим накопителям электрической энергии в основном относятся два вида комплексов:

  • кинетические накопители энергии (маховики);
  • гравитационные накопители энергии (ГАЭС).

Рассмотрим подробнее виды электрохимических накопителей энергии.

Свинцово-кислотные аккумуляторы  

Данная электрохимическая система является  одной из самых распространенных среди аккумуляторов в виду своей дешевизны, отработанной технологии производства и большому опыту эксплуатации. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях (СКА) электролитом является раствор серной кислоты, активным веществом положительных пластин – двуокись свинца РbО2, отрицательных пластин – губчатый свинец Рb. В процессе заряда и разряда аккумулятора на электродах происходят электрохимические окислительно-восстановительные реакции, а электролит является средой для транспорта ионов между электродами. Необходимо отметить, что любой электрохимический аккумулятор имеет в своем составе указанные  элементы, выполняющие аналогичные функции, меняются только применяемые вещества.

Как уже говорилось выше, СКА достаточно широко известны и распространены, однако, наряду с достоинствами, обладают и существенными недостатками – малой энергоемкостью (на уровне 10–30 Вт·ч/кг), в них используется токсичный свинец. Так же для СКА характерно малое количество циклов заряд/разряд и низкая допустимая глубина разряда у большинства их разновидностей.  СКА используются в самых различных приложениях, за исключением портативных — ограничением является большой вес исходя из требований по запасаемой энергии.

Отдельно можно выделить стартерные, тяговые и буферные СКА. Первые используются для запуска двигателей автомобилей, поэтому рассчитаны на разряд относительно высокими токами и имеют тонкие электродные пластины. Их удельная энергоемкость выше, чем у стационарных аккумуляторов. Стационарные аккумуляторы, наоборот, рассчитаны на длительный разряд относительно малыми токами, глубина их разряда несколько выше, а массогабаритные характеристики хуже. Тяговые аккумуляторы занимают промежуточное положение между этими двумя типами и предназначены для использования на цеховом транспорте (электрокары, погрузчики), до недавнего времени также широко использовались на электротранспорте [1].

В настоящее время доступны аккумуляторы с улучшенными ресурсными характеристиками, достигающими 3000 циклов при глубине разряда 50 %. Однако и цена таких аккумуляторов выше, чем у стандартных систем.

 

Никель-кадмиевые аккумуляторы  

Никель-кадмиевые аккумуляторы также известны достаточно давно. Принцип действия основан на формировании гидроокиси кадмия на аноде и гидроокиси никеля – на катоде. Их энергоемкость почти в два раза выше, чем у СКА, они работоспособны при низких температурах, при этом допустимые токи заряда и разряда также существенно выше. Эти достоинства позволили никель-кадмиевым аккумуляторам найти широкое применение на транспорте, в авиации и стационарных системах. В то же время никель-кадмиевым аккумуляторам присущ такой недостаток как эффект памяти – их энергоемкость резко падает при не полном разряде или заряде, для ее восстановления требуются специальные алгоритмы заряда. Также они наиболее критичны из всех типов электрохимических аккумуляторов к точному соблюдению требований по правильной эксплуатации. Несмотря на эти недостатки, никель-кадмиевые аккумуляторы рассматривались как альтернатива СКА в электротранспортных применениях до появления более совершенных и менее требовательных в эксплуатации систем. Однако полностью вытеснить СКА им не удалось, прежде всего, в силу более высокой цены [2].

 

Натрий-серные аккумуляторы

Теоретическая энергоемкость данной системы может достигать 925 Вт·ч/кг, однако в реальности достигнуты гораздо меньшие цифры, 100–150 Вт·ч/кг. Есть ряд существенных нюансов – электролит в данной системе керамический, что обуславливает высокую рабочую температуру аккумулятора (290–360 °С). В конце восьмидесятых годов XX века интерес к натрий-серным аккумуляторам проявился в сфере их применения в энергетике – интенсивно развивалась возобновляемая, прежде всего – ветровая энергетика, а доступные на тот момент аккумуляторы иных систем существенно уступали как по удельным характеристикам, так и по ресурсным показателям [3].

Достигнутые на практике ресурсные характеристики натрий-серных аккумуляторов демонстрируют значения от 2000 до 4000 циклов при глубине разряда до 80-90 %. Наибольших успехов в разработке и производстве высокотемпературных аккумуляторов достигла японская компания NGK Insulators LTD. Несмотря на неспособность хранить запасенную энергию в течение длительного времени (вся она будет израсходована на поддержание рабочей температуры электролитов), натрий-серные аккумуляторы оказались востребованы для регулирования графиков выдачи мощности и поддержания частоты переменного тока в крупных сетях. Следует отметить широкое применение подобных систем в Японии и США, как для возобновляемой, так и централизованной энергетики. Отсутствие дорогостоящих материалов привело к тому, что стоимость запасенной энергии для данной системы находится на уровне СКА.

Литий-ионные аккумуляторы

Первые идеи использования литий-ионных аккумуляторов появились в начале 50-х годов, а первые реальные аккумуляторы на литии появились только в конце 80-х годов у компании Sony. В них анод состоял из лития, а катод – из оксидов металлов.

Принцип действия данной электрохимической системы основан на интеркаляции[1]ионов лития в различные соединения при разных электрохимических потенциалах. Открытие явления обратимой интеркаляции лития в углерод, а позже – кобальтит лития, позволило создать аккумулятор на его основе. Транспорт ионов лития между электродами осуществляется посредством органического электролита, включающего в себя смесь органических растворителей и соли лития. Применение органических электролитов позволяет повысить напряжение на единичном элементе до 3–4,5 В по сравнению с 1–1,5 для кислотных и щелочных систем. При заряде аккумулятора происходит интеркаляция ионов лития в анодный материал (обычно используется углеродный анод). При разряде ионы лития деинтеркалируются и переносятся на катод, а высвободившиеся электроны формируют электрический ток во внешней цепи.

Для данного типа аккумуляторов характерны высокая энергоемкость, глубокие циклы заряда  разряда (70–80 %), отсутствие эффекта памяти. В то же время ресурс и стоимость таких аккумуляторов зависят от типа электрохимических систем, применяемых на катоде и аноде, а также от температуры и режимов эксплуатации. Несмотря на высокие удельные характеристики, до середины 2000-х годов литий  ионные аккумуляторы применялись, в основном, в портативных электронных устройствах.

Еще записи на эту же тему:



Страницы: 1 2 3

Оставить комментарий (Зарегистрируйтесь и пишите коментарии без CAPTCHи !)

 
© 2008-2017 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.