Неплохой абзорчик по перспективам аккумуляторов - Часть 2

Первые литиевые батарейки были очень хорошими по всем параметрам: быстро заряжались, быстро разряжались, имели хорошую емкость, не имели «эффекта памяти». Однако по мере эксплуатации на литиевом аноде постепенно вырастали металлические иголочки.

Они пробивали слой электролита, и происходило короткое замыкание, сопровождавшееся взрывом. Поэтому изначально к литиевым батарейкам относились настороженно. Большее распространение получили, например, никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные аккумуляторы, обладающие намного более скромными параметрами.

Второе поколение аккумуляторов на литии (их принято называть литий-ионными) отличалось тем, что в качестве анода использовался углерод, графит. Эта идея была предложена учеными из Оксфордского университета. Применение графита позволило избежать возникновения «иголок» из лития, которые возникали на литиевом аноде

Однако и у этих аккумуляторов – второго поколения – были серьезные недостатки. Они могли отдать не больше половины запасенной емкости, так как при более сильной разрядке разлагаться начинает уже катод – с выделением кислорода и металлического кобальта. И здесь снова возможно короткое замыкание и взрыв.

Этот фактор до последнего времени принципиально ограничивал применение литий-ионных аккумуляторов большого размера – например, в масштабах, необходимых для питания электротранспорта или применения в качестве сетевых накопителей энергии, где нужны тысячи киловатт-часов энергии.

Однако огромный потенциал литий-ионных аккумуляторов поддерживал постоянный интерес ученых к их усовершенствованию, и в 2003 году в Массачусетском технологическом институте впервые было предложено использовать ферро-фосфат лития (LiFePO4) в качестве катодного материала. Это доступное и нетоксичное соединение, в отличие от использующихся в аккумуляторах кадмия и никеля, всегда считалось очень перспективным для промышленности.

Устройство литий-ионного аккумулятора с литий-ферро-фосфатным катодомУстройство литий-ионного аккумулятора с литий-ферро-фосфатным катодом

 

Ферро-фосфат лития оказался очень удачным материалом для использования в аккумуляторах. Он способен отдать практически весь накопленный литий, оставаясь устойчивым. При этом сохраняется главное свойство литий-ионных аккумуляторов – большая удельная емкость. Таким образом, третье поколение литий-ионных аккумуляторов стало безопасным, высокоэнергоэффективным  и экологичным.

Именно аккумуляторы третьего поколения будут выпускаться на недавно (в декабре 2011 года) запущенном заводе под Новосибирском.

 

Суперконденсаторы

Суперконденсатор представляет собой импульсное электрохимическое устройство, предназначенное для компенсации быстрых переходных процессов в различных электрических схемах. От аккумуляторов различных типов он отличается существенно меньшей энергоемкостью (единицы Вт·ч/кг) и повышенной удельной мощностью (2–10 кВт/кг). Процесс запасания энергии в суперконденсаторах осуществляется за счет разделения заряда на двух электродах с достаточно большой разностью потенциалов между ними.

Так как химических превращений веществ в процессе работы суперконденсатора не происходит (если не допускать превышения зарядных напряжений), ресурс системы достаточно велик и может превышать 100 000 циклов заряда разряда. Учитывая вышеупомянутые особенности суперконденсаторов, целесообразно их использование в гибридных схемах с аккумуляторами. В этом случае суперконденсатор реагирует на короткие пики генерации или потребления электроэнергии, увеличивая ресурс аккумулятора и снижая время отклика всей системы на внешние воздействия.

 

Маховики или кинетические накопители

Данный тип накопителей относится к классу физических систем накопления – энергия запасается путем раскрутки массивного тела до высокой скорости. Электрическая энергия при этом переводится в кинетическую. Основным достоинством является практически мгновенный «подхват» нагрузки, в то время как энергоемкость достаточно мала. Современные маховики выдерживают 105–107 циклов разгона и торможения. Значительное внимание уделяется применению композитных материалов для повышения прочности и оптимизации массогабаритных характеристик, а также проблемам обеспечения безопасности – сход раскрученного маховика с оси или его разрушение чреваты серьезными последствиями. Как и в случае с суперконденсаторами, удельная мощность кинетических накопителей достаточно высока. Известны проекты достаточно крупных накопителей для компенсации колебаний в электросетях, а также для кратковременного обеспечения аварийного питания. Маховики также интенсивно используются для рекуперации энергии торможения метропоездов (устройство располагается на подстанции, а не в поезде) и в системах аварийного электропитания ответственных потребителей – например, для выдачи мощности во время запуска дизеля.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)

ГАЭС являются одной из самых ранних технологий запасания больших объемов энергии. Следует заметить, что основными факторами, определяющими возможность постройки ГАЭС, её максимальную емкость и капитальную стоимость, являются особенности рельефа местности, а также необходимость затопления значительных территорий. Применение ГАЭС может оказаться эффективным в том случае, когда регулируется работа не одной электростанции на основе традиционных технологий или возобновляемых источников энергии, а более крупной энергосистемы [4]. Сейчас в мире насчитывается более 460 ГАЭС суммарной мощностью около 300 млн. кВт. На сегодняшний день в России действует только одна ГАЭС – Загорская, мощностью 1 200 МВт в режиме выработки электроэнергии.

Покрытие переменной электрической нагрузки энергосистемы в настоящее время осуществляется ГЭС и ГАЭС. Это обусловлено нехваткой мощности, обостряющейся в последние годы, и практически полным исчерпанием гидроэнергетического потенциала в Европейской части страны. В этих условиях резко возросла потребность в маневренных мощностях, а лучшим способом ее удовлетворить является строительство накопительных систем большой энергоёмкости. В странах со значительной долей АЭС технологические ограничения, связанные с режимом их работы, во многом преодолеваются благодаря наличию в системе гидроаккумулирующих станций, доля которых, например, во Франции составляет 10 % мощности АЭС, а в Японии — до 30 %. Существенными недостатками ГАЭС являются малая удельная энергоемкость, низкий КПД, высокие требования к месту установки.

Структура системы накопления энергии

Для того, чтобы накопитель энергии обеспечивал дальнейшее использование накопленной энергии он должен включать в себя три функциональных блока:

  • устройство преобразования мощности;
  • систему управления потоком мощности;
  • аккумулирующий элемент, непосредственно запасающий и хранящий энергию.

Система преобразования мощности связывает энергосистему с аккумулирующим элементом и управляет перетоком энергии между ними.

Система управления перетоком мощности должна иметь способность управлять балансом перетоков в режиме реального времени, при этом необходимо учитывать требование по точности оценки состояния электроэнергетической системы для достижения оптимального режима функционирования.

Отметим, что различные типы электрохимических накопителей энергии используют различные виды химических источников тока,  поэтому их прямое сопоставление затруднительно. Следовательно, необходимо выбрать общие для всех типов электрохимических накопителей параметры и проводить сопоставление с их использованием. К этим параметрам можно отнести:

  • Стоимость удельных энергии и мощности;
  • Удельная энергоемкость;
  • срок службы;
  • КПД;
  • Число циклов заряд-разряд;
  • Влияние на окружающую среду.

 

 

По описанным выше типам электрохимических накопителей  предложенные показатели сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Еще записи на эту же тему:



Страницы: 1 2 3

Оставить комментарий (Зарегистрируйтесь и пишите коментарии без CAPTCHи !)

 
© 2008-2018 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.

Тип АКБ

 

 

Параметр

СКА NiСd NaS Li-ion Супер-
конденса-
тор
Стоимость, $/кВт*ч 200-1100 650-2300 230-950 650-2900 100-250