Pełny numer elektro.info 7-8/2017 tylko dla Ciebie [PDF]

wystarczy założyć konto w portalu elektro.info.pl

Baterie litowo-jonowe - zastosowanie produktu w energetyce zawodowej i przemysłowej, w górnictwie miedzi i węgla kamiennego, w motoryzacji

Lithium-ion batteries in power systems, copper and coal mining and automotive applications
Fot. 1. Widok ogniwa litowo-jonowego typu NMC w szczelnej obudowie
Fot. 1. Widok ogniwa litowo-jonowego typu NMC w szczelnej obudowie
Fot. J. Sroczan

Rozwój infrastruktury sieciowej, dołączanie źródeł OZE, przebudowa struktury wytwarzania energii powodują, że powszechne jest stosowanie zasobników i magazynów energii. Pojawiają się obszary, gdzie zastosowanie tradycyjnych akumulatorów zbudowanych z ogniw kwasowo-ołowiowych lub niklowo-kadmowych jest już niewystarczające, kłopotliwe lub wręcz niezasadne.

W artykule:

• Walory ekonomiczno-użytkowe baterii litowo-jonowych
• System BMS kontrolujący i nadzorujący pracę baterii
• Opis akumulatora litowo-jonowego
• Przewagi technologiczne akumulatora litowo‑jonowego.

streszczenie

W artykule przedstawiono porównanie akumulatorów litowo-jonowych z kwasowo-ołowiowymi w kontekście zastosowań w energetyce rozproszonej. Rozwój źródeł odnawialnych, generacji rozproszonej i tzw. sieci inteligentnych wymaga zastosowania wielu zasobników energii.

Autorzy omówili wymagania dla akumulatorów wykorzystywanych w zasobnikach.
Przedstawiono tezę, że akumulatory ołowiowe nie mogą spełnić współczesnych wymagań.
Następnie opisana została zasada działania ogniw litowo-jonowych oraz najważniejsze rodzaje ogniw.
Porównano ich parametry i skonfrontowano z parametrami ogniw ołowiowych.
Szczególny nacisk został położony na żywotność cykliczną, odporność na temperaturę i małe wymagania eksploatacyjne, w tym możliwość stosowania w pomieszczeniach ogólnego przeznaczenia.

W podsumowaniu wspomniano metodę LCC, jako najlepsze narzędzie porównywania całkowitych kosztów zakupu i eksploatacji ogniw różnych typów.



abstract

The article presents a comparison of lithium-ion batteries with lead acid in the context of applications in distributed energy resources. The development of renewable energy, distributed generation and so called smart grids requires a lot of energy storage to be installed.

The authors discuss the requirements for batteries used in the battery energy storage systems.
There was a thesis that lead-acid batteries cannot meet modern requirements.
Then authors describe the principle of operation of the lithium-ion cells and the most important types of li-ion cells.
Authors compared their parameters and confronted with parameters of lead-acid ones.
Particular emphasis was placed on the cyclic lifetime, resistance to high operation temperature and low maintenance requirements, including the ability to be used in rooms for general use.

In summary LCC method was mentioned as the best tool for comparing the total cost of purchasing and operating of various types of cells.

W wymienionych we wprowadzeniu do niniejszej publikacji obszarach priorytetem mogą być następujące cechy:

1) możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur bez znaczącej utraty żywotności;
2) uzyskiwanie jak najmniejszych wymiarów oraz jak najmniejszej masy przy dużej pojemności, co jest związane z wymaganą dużą energią właściwą (Wh/kg) i gęstością energii (Wh/dm3) zasobnika;
3) uzyskanie jak największych przepływów mocy (prądów) w obu kierunkach, co jest związane z ograniczeniem czasu ładowania oraz z wysoką gęstością mocy zasobnika (kW/dm3);
4) zwiększona żywotność, także w pracy cyklicznej (większa liczba cykli ładowanie-rozładowanie);
5) brak emisji gazów żrących, wybuchowych i toksycznych;
6) zapewnienie niezawodności, pewności zadziałania, wytrzymałości mechanicznej;
7) małe samorozładowanie;
8) ograniczenie czynności eksploatacyjnych – wyeliminowanie testów pojemności.

W takich aplikacjach konieczne jest zastosowanie bardziej innowacyjnych akumulatorów niż dotychczasowe.

Dobrze pasują tu akumulatory litowo-jonowe z elektrolitem ciekłym lub polimerowym. Tego typu akumulatory charakteryzują się dużą gęstością energii, wysokim napięciem nominalnym ogniwa (także siły elektromotorycznej SEM), niskim współczynnikiem samorozładowania, dobrą trwałością cykliczną oraz szerokim dopuszczalnym zakresem temperatur pracy.

Problemem może być bariera cenowa, ponieważ ceny zakupu ogniw w tej technologii są jeszcze kilkukrotnie wyższe niż tradycyjnych rozwiązań.

Należy dodać, że z roku na rok te ceny znacząco spadają. Bariera cenowa może być jednak iluzoryczna, bo wstępna niska cena zakupu nie oznacza taniej eksploatacji.

Do pełnego policzenia kosztów produktu konieczne jest zastosowanie analizy LCC (ang. life cycle costs), gdzie sumujemy cenę zakupu i do tego dołączamy żywotność produktu oraz koszty eksploatacji i utylizacji [1]. Po takiej analizie może się okazać, że w niektórych zastosowaniach jest jak najbardziej zasadne zakupienie akumulatorów litowo-jonowych.

Jeżeli akumulatory litowo-jonowe są stosowane jako zamienniki napędu spalinowego, to pojawiają się dodatkowe przewagi, niemierzalne kosztami eksploatacyjnymi, a polegające na:

  • ograniczeniu problemów z prądami rozruchowymi,
  • ograniczeniu emisji spalin,
  • poprawie czystości powietrza,
  • ograniczeniu temperatury,
  • ochronie zdrowia ludzkiego i środowiska.

Kluczowym elementem, zapewniającym poprawną pracę oraz bezpieczeństwo eksploatacyjne ogniw litowo-jonowych, jest zastosowanie systemu kontrolującego i nadzorującego pracę baterii zwanego BMS (ang. battery management system).

Taki układ jest koniecznym wyposażeniem baterii litowo-jonowej:

  • mierzy on napięcia, prądy, temperatury każdego ogniwa,
  • wykonuje wyrównanie napięć poszczególnych ogniw (ang. balancing),
  • może wyliczać stan naładowania SoC (ang. state of charge) i/lub dyspozycyjną pojemność oraz żywotność SoH (ang. state of health).

BMS zapewnia też:

  • bezpieczną pracę układu,
  • chroni przed głębokim rozładowaniem, przeładowaniem oraz nadmierną temperaturą wewnętrzną ogniw,
  • możliwością wystąpienia rozbiegania termicznego (ang. thermal runaway) ogniw.

BMS jest kluczowym układem gwarantującym poprawną i bezpieczną pracę baterii litowo-jonowej.

Jakość pracy BMS jest równie istotna jak jakość zastosowanych ogniw. W wysokojakościowych rozwiązaniach BMS musi mieć certyfikat i zatwierdzenie poprawności działania wydane przez producenta ogniw, z którymi ma współpracować. Dopiero układ jako całość musi mieć przeprowadzone testy końcowe, walidację i certyfikację.

Zanim przejdziemy do opisania przewag eksploatacyjnych oraz przykładowych zastosowań, krótko przedstawimy zasadę działania ogniw litowych, podamy ich podział i nazewnictwo.

Opis akumulatora litowo-jonowego

Ogniwa litowo-jonowe jest to grupa akumulatorów odwracalnych (wtórnych) magazynujących elektrochemicznie energię, w których:

  • anoda to grafit interkalowany jonami litu,
  • katoda to niestechiometryczne tlenki lub siarczki metali przejściowych, np. MnO2 mogące ulegać interkalacji kationami litowymi,
  • elektrolit to roztwory soli litu w silnie polarnych rozpuszczalnikach organicznych, elektrolity mogą być ciekłe, ceramiczne, szkliste lub polimerowe.

Działanie ogniw litowo-jonowych opiera się na zjawiskach interkalacji i deinterkalacji. Interkalacja jest to zjawisko wbudowywania się w strukturę krystaliczną ciała stałego elektrod jonów litu bez zmian tej struktury. Jony litu wchodzą w przestrzenie międzyatomowe kryształu.

Proces rozładowania ogniwa (dostarczanie energii do obwodu elektrycznego) polega na wytworzeniu jonu litu na anodzie.

Jony litu ulegają deinterkalacji, opuszczają strukturę krystaliczną anody. Następnie dyfundują w elektrolicie w kierunku katody i interkalują do materiału katody. Migracja jonów Li+ pomiędzy elektrodami powoduje obniżenie energii układu i równoczesny przepływ elektronów w obwodzie zewnętrznym akumulatora. Podczas ładowania zachodzą procesy odwrotne.

Proces ładowania uzyskuje się przez przyłożenie do elektrod zewnętrznego źródła napięcia.

Pod wpływem różnicy potencjałów na elektrodzie dodatniej następuje reakcja elektrochemiczna, w wyniku której lit ulega utlenieniu do jonu litu Li+.
Reakcji tej towarzyszy deinterkalacja jonów Li+ z materiału katody i ich migracja przez elektrolit i interkalacja do anody.|
Szczegółowo przedstawia to praca [3].

Obecnie najpowszechniej są stosowane następujące typy ogniw litowych (ze względu na skład chemiczny elektrod):

  • NMC – katoda jest zbudowana z tlenków litowo-niklowo-kobaltowych, anodą jest grafit;
  • LMO – katoda jest zbudowana z tlenków litowo-magnezowych, anodą jest grafit;
  • LFP – katoda jest zbudowana z tlenków litowo-żelazowych, anodą jest grafit;
  • LTO – katodą jest tlenek litowo-kobaltowy, anodą jest grafit z tlenkiem litowo-tytanowym.

Wyżej wymienione typy ogniw mają wspólne cechy, zasadę działania, jednakże na tyle w szczegółach różnią się parametrami eksploatacyjnymi, że będzie konieczne odwoływanie się do tych nazw przy omawianiu zalet eksploatacyjnych.

Literatura

1. M. Skoda, Analiza kosztu cyklu trwałości (LCC) w ocenie efektywności środków transportu szynowego, „Logistyka” nr 3/2011.
2. M. Bakierska, A. Chojnacka, Akumulatory litowe jako współczesne systemy magazynowania energii, „Wiadomości Chemiczne” 68/2014.
3. M. Marcinek, W. Wieczorek, Miniaturowe baterie litowe i litowo- jonowe z elektrolitem polimerowym, VII Międzynarodowa Konferencja „Nowoczesne urządzenia zasilające w energetyce”, 2004.
4. P. Biczel, Hybrid energy storage systems in electric traction, TTS Technika Transportu Szynowego, nr 10/2015, ISSN 1232–3829, s. 63–69.

Czytaj też: Przewody szynowe w układach zasilania gwarantowanego >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

Ten artykuł jest PŁATNY. Aby go przeczytać, wykup dostęp.
DOSTĘP ABONAMENTOWY
DOSTĘP SMS
Dostęp za pomocą SMS czasowo zawieszony







Reklamacje usługi prosimy zgłaszać przez formularz reklamacyjny
Masz już abonament - zaloguj się:
:
:
zapomniałem hasła
Nie posiadasz konta - kliknij i załóż »
Nie masz abonamentu - wykup dostęp:
Abonament umożliwia zalogowanym użytkownikom dostęp do wszystkich płatnych treści na naszym portalu.
Dostępne opcje abonamentowe:
Pakiet: dwuletnia prenumerata papierowa (20 numerów) + dwuletni dostęp do wszystkich treści portalu (730 dni) - 185,00 zł
Prenumerata + on-line w promocyjnej cenie. ► ZAMÓW
Pakiet: roczna prenumerata papierowa (10 numerów) + roczny dostęp do wszystkich treści portalu (365 dni) - 105,00 zł
Prenumerata + on-line w promocyjnej cenie. ► ZAMÓW
Pakiet: półroczna prenumerata papierowa (5 numerów) + półroczny dostęp do wszystkich treści portalu (183 dni) - 75,00 zł
Prenumerata + on-line w promocyjnej cenie. ► ZAMÓW
Prenumerata elektroniczna (365 dni) - 79,00 zł
Roczny dostęp do wszystkich płatnych treści naszego portalu.
Prenumerata elektroniczna (30 dni) - 15,00 zł
30 dniowy dostęp do wszystkich płatnych treści naszego portalu.
Prenumerata edukacyjna - roczna elektro.info - 75,00 zł
dla studentów: prenumerata + dostęp do treści portalu
Roczny dostęp dla prenumeratorów w specjalnej cenie - 0,00 zł
Jeśli zakupiłeś roczną prenumeratę papierową, masz możliwość skorzystania z bezpłatnego dostępu do wszystkich treści elektronicznych. Po weryfikacji danych skontaktujemy się z Tobą). Dostęp na czas trwania prenumeraty papierowej!
Dwuletni dostęp dla prenumeratorów w specjalnej cenie! - 0,00 zł
Jeśli zakupiłeś dwuletnią prenumeratę papierową, masz możliwość skorzystania z bezpłatnego dostępu do wszystkich treści elektronicznych. Po weryfikacji danych skontaktujemy się z Tobą). Dostęp na czas trwania prenumeraty papierowej!
30 dniowy dla prenumeratorów w specjalnej cenie - 0,00 zł
Jeśli zakupiłeś roczną prenumeratę papierową, masz możliwość skorzystania z bezpłatnego dostępu do wszystkich treści elektronicznych. Po weryfikacji danych skontaktujemy się z Tobą). Dostęp na czas trwania prenumeraty papierowej!
Prenumerata elektroniczna (730 dni) - 138,00 zł
Dwuletni dostęp do wszystkich płatnych treści naszego portalu.
Regulamin korzystania z portalu elektro.info.pl - zobacz regulamin
Uwagi prosimy zgłaszać na adres:
Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 6/2017

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Zakręć kołem i wygraj! »

Zakręć kołem i wygraj Każdego dnia możesz odebrać zniżkę (...) chcę zakręcić »


Zasilanie awaryjne - ups, agregaty, akumulatory...»

Czy znasz, ekologiczną alternatywę dla agregatów »

drukarka etykiet systemy zasilania
Zasilacze awaryjne trzeciej generacji z bardzo wysoką sprawnością 96% w trybie On-Line oraz ze znakomitym współczynnikiem mocy 1(...) czytam więcej » W połączeniu z elektroniką prezentuje ona szczyt nowoczesnej technologii agregatów prądotwórczych (...) czytam dalej »

 


Szukasz producenta komponentów przemysłowych? Sprawdź ich »

Kamery termowizyjne Dzięki wykorzystaniu innowacyjnych rozwiązań stosowanych w sektorze opieki zdrowotnej, zastosowaniach konsumenckich i przemysłowych, te podstawowe (...) czytam dalej »


Automatyka przemysłowa i sterowanie - na jakie produkty zwrócić uwagę »

Jak zmniejszyć swój rachunek za energię »

automatyka przemysłowa zmniejsz rachunki za prąd
Jak sztuczna inteligencja wspomoże pracę elektrowni i fabryk? Aż 63 proc. respondentów twierdzi, że sztuczna inteligencja pomoże zwalczyć (...) czytam więcej » Oszczędzaj na rachunkach za prąd w domu lub firmie. Wystarczy Po Prostu Energia (...) zobacz ile możesz oszczędzić »

 


Gdzie znajduje zastosowanie współczesna termowizja?

Kamery termowizyjne Zadbaj o bezpieczeństwo i uniknij awarii. Za pomocą kamery termowizyjnej możliwe jest bezdotykowe sprawdzenie instalacji elektrycznej przy pełnym obciążeniu. Dzięki temu można (...) czytam dalej »

 


Potrzebujesz pomocy w wyborze UPS-a? Sprawdź ten przewodnik »

Bezpanelowe pozyskiwanie energii słonecznej - jak to zrobić?

UPS zasilacze bezpanelowa energia słoneczna
Urządzenia elektroniczne, których używasz do codziennej komunikacji, rozrywki i zapewnienia rodzinie bezpieczeństwa, są narażone na uszkodzenia spowodowane nieoczekiwanymi przerwami w dostawach energii elektrycznej, (...) czytam więcej » Innowacje i technologia przeszły długą drogę. Rzeczywiście wkroczyliśmy w nową generację nowoczesnych udogodnień, które nie tylko sprawiają, że nasz styl życia jest bardziej luksusowy i komfortowy, ale... czytam dalej »

Szybki i łatwy sposób na budowę Twojego indywidualnego systemu wizyjnego»

system wizyjny Dziś trudno sobie wyobrazić nowoczesną, elastyczną produkcję bez przemysłowego przetwarzania obrazu. A to dlatego, że systemy wizyjne zapewniają jakość produktów i wspierają efektywne ... czytam dalej »


Automatyka przemysłowa - zobacz najlepsze rozwiązania »

Kontenerowa stacja transformatorowa Minibox »

Czujniki i automatyka Rozdzielnice kontenerowe
Zarówno w sektorze energetyki tradycyjnej jak i odnawialnej, czujniki oraz automatyka muszą być odporne na oddziaływaniu warunków środowiskowych. Ekstremalne ... czytam więcej » Zasilane są najczęściej z sieci SN o napięciu znamionowym od 6 do 36 kV. Ze względu na budowę stacje mogą być wnętrzowe lub napowietrzne. Funkcją stacji transformatorowej SN/nn jest transformacja ... czytam dalej »

Jaką zastosować ochronę urządzeń elektrycznych i elektronicznych przed przepięciami »

ochrona przed przepięciami Każdy ogranicznik przepięć ma pewną określoną zdolność do przenoszenia przez siebie pewnej energii udaru. Jeśli po zadziałaniu ... czytam dalej »


Złącza silnoprądowe - czy silikon sobie poradzi?

Złącza silnopradowe Czy możemy zastosować elastyczne przewody silikonowe i czy są one odporne na uszkodzenie i wysokie temperatury? Przykładowo dla przekroju kabla 240 mm2 ... chcę obejrzeć »


Może Cię to zainteresuje ▼

Wyświetlacz cyfrowy - jaki wybrać?

Osprzęt elektroinstalacyjny dla elektryka »

wyświetlacze cyfrowe kable i przewody - jakie wybrać
Współpracujący z dowolnym nadajnikiem sygnału w standardzie 4-20 mA. Urządzenia nie wymagające dodatkowego zasilania. Do obszaru zastosowań ... czytam więcej » Zobacz jaki osprzęt wybrać i porównaj parametry... czytam dalej »


Transformatory oraz dławiki dostosowane do indywidualnych wymagań »

transformatory ei Mają zastosowanie w sieciach przesyłowych i rozdzielczych. Stosowane są do zasilania układów trakcyjnych w pojazdach szynowych, w instalacjach wykorzystujących napędy (...) czytam dalej »


Liczniki energii elektrycznej - poznaj nowe »

Switch zarządzalny – czy warto? Jaki wybrać?

Liczniki energii jakie wybrać Switche niezarządzalne
Wymagania stawiane licznikom energii elektrycznej zawarte są w normach oraz przepisach (...) czytam dalej » Switch zarządzalny daje możliwość nie tylko stworzenia siecilokalnej, ale daje wiele innicf możliwości. Między innymi pozwala także dostosować porty, a więc i parametry sieci do... czytam dalej »

Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
7-8/2019

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 7-8/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Obciążalność prądowa ciągła przewodów szynowych wielkoprądowych SN
  • - Instalacje elektryczne w osiedlowych budynkach wielorodzinnych
Zobacz szczegóły
Enkodery ETHERNET AFS/AFM60A

Enkodery ETHERNET AFS/AFM60A

Rynek systemów przemysłowych dynamicznie się rozwija, a standard Industrial Ethernet jest przyszłością systemów komunikacji. Wydajność standardu Fast Ethernet,...
Cantoni Motor S.A. Cantoni Motor S.A.
Grupa Cantoni została pionierem w produkcji silników elektrycznych już w XIX wieku i od tego czasu kontynuuje misję wdrażania...
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl