Zastosowania zasobników energii w systemach zasilania - część 2

Zasobniki energii elektrycznej są w wielu przypadkach istotnym lub niezbędnym elementem systemu zasilania. Koszty zasobników energii stanowią często przeszkodę w ich ­wykorzystaniu. Ciągły rozwój technologii zasobników energii stanowi nadzieję, że w przyszłości będą one wykorzystywanie znacznie częściej i znajdą nowe zastosowania.

W przypadku gospodarstw domowych posiadających system fotowoltaiczny lub/i turbinę wiatrową możliwe jest wykorzystanie akumulatorów do magazynowania energii.

Akumulatory gromadzą niewykorzystaną w ciągu doby energię, którą można wykorzystać w okresach, gdy system fotowoltaiczny i turbina wiatrowa nie produkują energii. Nie marnuje się dzięki temu nadprodukcja energii w ciągu godzin, gdy system fotowoltaiczny lub/i turbina wiatrowa ją produkuje. Dodatkowo, w przypadku wykorzystywania systemu wielotaryfowego opłat za energię elektryczną, możemy zredukować pobór droższej energii elektrycznej pobieranej z sieci elektroenergetycznej w godzinach szczytu wieczornego zastępując ją zgromadzoną energią z akumulatorów.

W okresach gdy np. system fotowoltaiczny nie produkuje energii (brak nasłonecznienia) akumulatory gromadzą energię (ładują się do pełna) pobierając energię z sieci elektroenergetycznej, jeśli jest taka potrzeba (np. okres w nocy w czasie tańszej taryfy, okresy w ciągu dnia, gdy jest pochmurno).

Warto zauważyć, że zastosowanie takiej koncepcji zasilania ma jeszcze jeden dodatkowy atut – bezprzerwowe zasilanie w przypadku awarii zasilania z sieci elektroenergetycznej.

Domowy, ekologiczny system zasilania może składać się z następujących głównych elementów:

• moduły fotowoltaiczne,
• turbina wiatrowa,
• inwerter DC/AC (falownik), zmieniający prąd stały z akumulatorów w prąd zmienny, moc zastosowanej w systemie przetwornicy powinna być co najmniej równa łącznej mocy odbiorników, które będą z niej równocześnie zasilane,
• regulator ładowania – w czasie ładowania akumulatora urządzenie kieruje całą produkowaną przez OZE energię tylko do jego ładowania (istnieją regulatory pozwalające podłączyć jedno źródło prądu lub więcej źródeł prądu – np. moduły fotowoltaiczne, turbinę wiatrową i inne źródło prądu, np. niezależny zewnętrzny prostownik), regulator ładowania może być pominięty, ale wtedy brak jest zabezpieczenia akumulatora przed przeładowaniem oraz zbyt dużym rozładowaniem [37], w przypadku akumulatorów 12 V, regulatory ładowania odłączają zasilane odbiorniki od akumulatora przy napięciu około 9,5÷11 V,
• akumulatory podłączone do regulatora z zastosowaniem bezpiecznika (brak bezpiecznika może być przyczyną pożaru, gdy nastąpi zwarcie przewodów),
• dwukierunkowy licznik energii elektrycznej, tzw. licznik „inteligentny” – niezbędny w przypadku odsprzedaży energii elektrycznej.

Koszt prostego trójfazowego systemu fotowoltaicznego o mocy 3 kW wynosi około 17000 zł brutto z montażem (w skład zestawu wchodzą: moduły fotowoltaiczne o mocy 255 W, inwerter sieciowy o mocy 3,2 kW, konstrukcja montażowa na dach skośny, podstawowe zabezpieczenia AC i DC, przewód 4 mm² 40 mb).

Z kolei zestaw „wiatrowo-solarny” o mocy 6 kW z turbiną wiatrową o mocy 3 kW i modułami fotowoltaicznymi o mocy 3 kW to koszt około 53 000 zł brutto.

Koszt akumulatora żelowego 12 V o pojemności 120 Ah stosowanego w systemach OZE do magazynowania energii to około 1600 zł brutto.

Liczba akumulatorów potrzebna w praktyce do zagwarantowania zasilania w przypadku braku zasilania z sieci elektroenergetycznej oraz braku produkcji energii z OZE przez 1 dobę to co najmniej 5 akumulatorów o pojemności 120 Ah (1440 Wh), przyjmując, że w gospodarstwie domowym dobowe zapotrzebowanie na energię to około 6700 Wh na dobę (zakładając miesięczne zapotrzebowania równe 200 kWh). Akumulatory muszą ponadto zagwarantować niezbędną moc zapotrzebowaną, która może wynosić w pewnych okresach czasu nawet kilka kW.

W systemie semi off grid preferowane jest zasilanie domowych odbiorników energii elektrycznej z OZE lub z akumulatorów, o ile w akumulatorach zgromadzona jest energia.

W przypadku, gdy akumulatory są rozładowane, a OZE nie produkują energii elektrycznej, gospodarstwo domowe zasilane jest z publicznej sieci elektroenergetycznej. Przełączenie źródła zasilania następuje automatycznie zapewniając ciągłość dostawy energii.

Taki system polecany jest właścicielom domów, którzy nie chcą odsprzedawać energii i oprócz poczucia niezależności, chcą mieć poczucie bezpieczeństwa w postaci rezerwowego źródła zasilania z sieci elektroenergetycznej. Na rys. 1. przedstawiono schemat koncepcji systemu semi off grid.

W systemie off grid (autonomiczny) brak jest stałego zasilania z sieci elektroenergetycznej. Energia produkowana jest przez OZE (system fotowoltaiczny lub/i turbina wiatrowa).

Domowe odbiorniki energii elektrycznej zasilane są z energii elektrycznej produkowanej przez OZE lub z energii zmagazynowanej w akumulatorach.

Rozwiązanie takie jest bardzo drogie z uwagi na wymaganą bardzo dużą pojemność akumulatorów, które gwarantowałyby zasilanie w okresach, gdy produkcja energii z OZE jest zerowa.

Warto dodać, że okresy bezwietrzne i bez nasłonecznienia mogą trwać wiele dni. System ten różni się od systemu semi off grid tym, że nie występuje tu przełącznik źródła zasilania i gospodarstwo domowe jest w pełni niezależne od sieci zewnętrznej.

Na rys. 2. przedstawiono schemat koncepcji systemu off grid.

Najbardziej popularna koncepcja to system on grid. Stałe połączenie z siecią elektroenergetyczną gwarantuje zasilanie odbiorników domowych, gdy brak produkcji energii elektrycznej z OZE.

W okresach, gdy OZE produkuje energię elektryczną, zasilanie odbiorników domowych może być całkowicie lub częściowo (w zależności od mocy zapotrzebowanej) zapewnione z tej produkcji, a gdy zapotrzebowanie na energię jest mniejsze, możliwa jest odsprzedaż nadwyżek energii produkowanej przez OZE.

Zastosowanie akumulatorów jest w takiej koncepcji możliwe ale mniej istotne i wpływa na wzrost kosztów inwestycji – może być natomiast ważne w przypadku gospodarstw domowych wrażliwych na przerwy w zasilaniu (zapewnia gwarantowane zasilanie na wypadek braku zasilania z sieci elektroenergetycznej). Ponadto w przypadku użytkowników taryfy dwustrefowej możliwe jest ładowanie akumulatorów w czasie, gdy energia z sieci jest tańsza i sprzedaż tejże energii w ciągu dnia za wyższą cenę.

Poza oczywistymi korzyściami finansowymi dla użytkownika, takie działanie wpływa korzystnie na stabilność systemu elektroenergetycznego wyrównując nieco dobowy profil zapotrzebowania na energię.

Na rys. 3. przedstawiono schemat koncepcji systemu on grid bez zastosowania akumulatora.

Trendy i nowości w rozwoju technologii magazynowania energii elektrycznej

W zakresie elektrochemicznych zasobników energii badania koncentrują się głównie na następujących elementach:

• obniżenie kosztów produkcji,
• zwiększenie pojemności akumulatorów przy zachowaniu tej samej masy lub zmniejszeniu masy (wzrost gęstości energii),
• zwiększenie okresu eksploatacji akumulatorów (wzrost liczby cykli ładowania i rozładowywania),
• zwiększenie mocy przy tej samej objętości/masie lub mniejszej objętości/masie (zwiększenie gęstości mocy),
• redukcja czasu ładowania akumulatorów,
• zmniejszenie lub wyeliminowanie ryzyka pożaru akumulatorów.

Z punktu widzenia zastosowań w elektroenergetyce najważniejsze są prace badawczo-rozwojowe mające na celu obniżenie kosztów produkcji akumulatorów, zwiększenie okresu eksploatacji akumulatorów, redukcję czasu ładowania akumulatorów oraz zwiększenie gęstości mocy i energii. Badania i wdrażanie prototypów prowadzone są na całym świecie. Najwięcej prototypów akumulatorów powstaje z przeznaczeniem do urządzeń mobilnych (laptopy, telefony komórkowe itd.) oraz do samochodów elektrycznych. Oczywiście nowe technologie mogą być również wykorzystane w wielu przypadkach do produkcji akumulatorów stosowanych w elektroenergetyce.

Popularne klasyczne konstrukcje akumulatorów litowo-jonowych mają sporo wad [26]. Już po 1000 cyklach ładowania osiągają już tylko 80% swojej początkowej pojemności. Optymalna temperatura pracy akumulatorów litowo-jonowych to 10÷25°C. Przy temperaturze zewnętrznej niższej niż 10°C ich wydajność wyraźnie spada, a powyżej 25°C starzeją się znacznie szybciej. Oprócz tego akumulatory litowo-jonowe przy dużym obciążeniu mocno się grzeją i z tego powodu ich maksymalna temperatura pracy jest najczęściej ograniczona do 60°C. O ile najbardziej popularne akumulatory ołowiowe osiągają gęstość energii około 30 W*h/kg, to modele litowo-jonowe osiągają 150 W*h/kg czyli pięć razy więcej. Tym niemniej gęstość energii nadal jest zbyt mała.

Firma Tesla ogłosiła w 2016 roku, że niebawem zbuduje zasobnik energii wykorzystujący akumulatory litowo-jonowe nowej generacji o długiej żywotności mający stanowić zapas bezpieczeństwa dla Kalifornii [38]. Na terenie południowej Kalifornii powstanie magazyn akumulatorów o łącznej pojemności 80 MWh. Pozwoli to według szacunków na zasilenie 2,5 tysiąca gospodarstw domowych przez 1 dobę lub naładowanie tysiąca samochodów elektrycznych. Konstrukcja jest prosta i możliwa do montażu w ciągu maksymalnie 3 miesięcy.

Innym przykładem nowatorskiego rozwiązania w zakresie zasobników energii jest domowy akumulator litowo-jonowy Powerwall oferowany przez firmę Tesla (fot. 1.).

Urządzenie przeznaczone jest głównie do magazynowania wyprodukowanej na własne potrzeby energii z systemu fotowoltaicznego. Urządzenie jest możliwe do instalacji na zewnątrz i wewnątrz budynku, waży 100 kg i ma wielkość szafy (wymiary 130 x 86 x 18 cm). Pojemność zasobnika energii w zależności od wersji wynosi 7 kWh (moc maksymalna 3,3 kW) lub 10 kWh (ten model został wycofany ze sprzedaży w 2016 roku). Cena urządzenia na rynku amerykańskim to około 3000 USD.

W Polsce firma Soltech Energy [30] oferuje urządzenie za 16 500 zł brutto. Akumulatory można łączyć modułowo zwiększając ich pojemność.

Tesla Powerwall działa prawidłowo w zakresie temperatur od –20 do +50°C. Żywotność wynosi wg producenta co najmniej 5000 cykli ładowania (gwarancja 10-letnia), a sprawność wynosi 92%.

Powerwall w wersji 7 kWh, przeznaczony jest do codziennego użytku i ma być źródłem energii elektrycznej głównie w porach wieczornych, gdy nie pracuje już system fotowoltaiczny.

Ekonomicznie jest to rozwiązanie bardzo drogie, szczególnie w przypadku głównego zastosowania urządzenia jedynie jako źródła energii elektrycznej w czasie awarii zasilania.

Taką samą funkcję jak Powerwall mogą spełniać np. klasyczne akumulatory ołowiowo-kwasowe, które są w stanie zapewnić 1000 cykli ładowania i kosztują około 1500 USD, czyli o połowę mniej niż Powerwall. Natomiast przy optymalnym wykorzystaniu różnic w taryfie nocnej i dziennej, szacowany okres zwrotu inwestycji wyniósłby znacznie ponad 10 lat wg obliczeń z rynku amerykańskiego [32].

W przypadku wykorzystania dodatkowo systemu fotowoltaicznego, okres zwrotu z inwestycji uległby skróceniu do około 4 lat (brak jest niestety informacji, czy koszt zakupu systemu fotowolaticznego jest zawarty w obliczeniach).

Na rys. 4. przedstawiono ideowy schemat instalacji elektrycznej z wykorzystaniem urządzenia Powerwall współpracującego z systemem fotowoltaicznym.

Jako ciekawostkę podać można, że Jehu Garcia – entuzjasta aut elektrycznych z Kalifornii wykonał z częściowo zużytych ogniw litowo-jonowych akumulator o mocy 4,4 kWh kosztem 300 USD, czyli za ułamek wartości urządzenia Powerwall [28].

Akumulator grafenowy

W lipcu 2016 r. chińscy naukowcy zaprezentowali w Pekinie akumulator grafenowy o nazwie G-King (fot. 2.) [13, 19].Grafen to materiał zbudowany z pojedynczej warstwy atomów węgla ułożonych w sieć heksagonalną. Jest ponad 100-krotnie mocniejszy i 6-krotnie lżejszy od stali, ma wyjątkowe właściwości elektryczne i nie przepuszcza gazów.

Zastosowanie grafenu pozwoliło skrócić pełne ładowanie akumulatora do 13–15 minut, czyli jest to czas około 10–20 razy krótszy niż w standardowych akumulatorach litowo-jonowych, które obecnie są stosowane w większości urządzeń mobilnych.Akumulator grafenowy ma o wiele większą żywotność – wytrzymuje około 3500 cyklów ładowania.Warto dodać, że grafen jest niezwykle lekkim materiałem, zatem jeśli technologia upowszechni się, możemy spodziewać się spadku masy akumulatorów.

Akumulator grafenowo-polimerowy. W lutym 2016 r. hiszpańska firma Grabat Energy, współpracująca z chińską grupą Chint ogłosiła, że wkrótce wprowadzi do produkcji nowoczesne akumulatory grafenowo-polimerowe [14]. Cztery razy dłuższy czas życia i pięć razy większa pojemność w stosunku do akumulatorów litowo-jonowych, przy podobnej masie akumulatorów mogą istotnie poprawić osiągi np. samochodów elektrycznych. Dzięki zastosowanej technologii samochód może przejechać do 1000 km po 10-minutowym ładowaniu. Akumulatory grafenowo-polimerowe mają być o 77% tańsze w produkcji od akumulatorów litowo-jonowych. Na rys. 5. przedstawiono schemat ideowy akumulatora grafenowo-polimerowego.

Akumulator litowo-jonowy z anodą z czystego litu

W dzisiejszych akumulatorach litowo-jonowych, kationy litu znajdują się przede wszystkim w elektrolicie i w czasie pracy akumulatora osadzają się na anodzie wykonanej z grafitu lub krzemu.

Wprowadzenie do tego układu anody wykonanej z czystego litu umożliwi zwiększenie pojemności produkowanych obecnie akumulatorów litowo-jonowych nawet czterokrotnie, dzięki nieporównywalnej z innymi materiałami zdolności gromadzenia ładunków. Niestety anoda z czystego litu podczas gromadzenia ładunków rozszerza się nierównomiernie, powodując w materiale szczeliny, przez które następnie uciekają jony litu, tworząc dendryty (krystaliczne struktury), które z kolei powodują spięcia, skracając żywot akumulatorów [20]. Innym problemem tych akumulatorów jest wysoka reaktywność litowej anody z elektrolitem, czyli szybkie ich zużycie.

Ostatni istotny problem to ciepło wytwarzane podczas kontaktu elektrolitu z anodą. Warto wspomnieć, że najnowsze akumulatory stosowane w samochodach Tesla oraz samolotach Dreamliner ulegały już zapłonom.

W roku 2014 na Uniwersytecie Stanforda naukowcy opracowali anodę z czystego litu, dzięki konstrukcji węglowych kopuł ochronnych, które chronią litową anodę [15]. Naukowcy wzorowali się na plastrze miodu, co pozwoliło stworzyć warstwę ochronną, która jest elastyczna, jednolita, wytrzymała mechanicznie (wytrzymuje rozszerzanie litu podczas ładowania) i chemicznie stabilna (uniemożliwia reakcję z elektrolitem). Ścianka węglowej nanosfery ma grubość 20 nanometrów. Prace nad technologią nadal trwają, w tym w zakresie doboru właściwego elektrolitu. Dotychczas udało się uzyskać 150 cykli ładowania i rozładowania akumulatora w tej technologii.

Akumulator litowo-jonowy z anodą z tlenku tytanu

Profesor Chen Xiaodong z singapurskiego Nanyang Technology University wraz ze swoim zespołem opracował nową technologię, która jest rozwinięciem używanej obecnie w akumulatorach litowo-jonowych [24]. Akumulator będzie miał żywotność do 10 000 cykli ładowania i będzie miał znacznie skrócony czas ładowania (samochód elektryczny naładuje w 15 minut). Anoda została wykonana z tlenku tytanu.

Akumulator litowo-aluminiowy

Przeprowadzone na Uniwersytecie Stanforda próby z aluminiową anodą są bardzo obiecujące w zakresie szybkości ładowania [27].

Opracowany prototyp o rozmiarze baterii do smartfona został naładawany w ciągu 60 sekund. Co więcej, po 7500 cyklach ładowania nie do doszło do istotnej utraty pojemności.Zaletą akumulatorów jest brak niebezpieczeństwa wybuchu.Do wad należą: niewielka pojemność oraz gęstość energii mniejsza niż w akumulatorach litowo-jonowych.

Akumulator litowo-tlenowy

Naukowcy z Uniwersytetu Cambridge rozpoczęli w 2015 roku testy akumulatorów litowo-tlenowych [18].Akumulatory mogą mieć nawet 10 razy większą gęstość energii, powinny być tańsze niż akumulatory litowo-jonowe oraz o 20% od nich lżejsze.

Sprawność akumulatorów ma wynosić około 93%, a liczba cykli ładowania i rozładowywania ma wynosić około 2000. Prace nad akumulatorami nadal trwają i być może dopiero za 8–10 lat pojawią się one w masowej produkcji.

Akumulator litowo-siarkowy

Zwiększone możliwości ogniw litowo-siarkowych są zasługą modyfikacji elektrody dodatniej (katody): podobnie jak krzem na anodzie, siarka na katodzie wiąże jony litu w korzystniejszych proporcjach [25]. Prototypy takich ogniw charakteryzują się gęstością energii do 350 Wh/kg.

Uzyskanie większej wydajności utrudniają dwa problemy. Maksymalną teoretyczną gęstość energii można by uzyskać jedynie budując anodę z czystego litu. To niełatwe zadanie, gdyż bardzo aktywny lit reaguje z elektrolitem.Ten sam problem dotyczy siarki tworzącej jony wielosiarczkowe, które następnie wędrują na anodę i wiążą lit w postaci stabilnego siarczku litu.

Dopóki nie wyeliminuje się tych reakcji, akumulator będzie w stanie przetrwać zaledwie kilka cykli ładowania.Naukowcom z Instytutu Fraunhofera udało się osłonić siarkę, umieszczając anodę oraz katodę w grafitowych otoczkach [25]. Prototyp wytrzymał 2000 cykli ładowania, a badacze przewidują, że w 2020 roku pojawią się komercyjne ogniwa litowo-siarkowe o gęstości energii około 600 Wh/kg.

Z kolei na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley opracowano prototypowe ogniwo o żywotności 1500 cykli ładowania przy gęstości energii 500 Wh/kg.

Akumulator z wykorzystaniem organicznej bawełny

Firma Power Japan Plus w 2014 roku podała, że planuje produkcję akumulatorów, które nie wykorzystują rzadkich i drogich pierwiastków, a rozszczelnienie ogniwa nie grozi pożarem [17].

Akumulator ma mieć znacznie większą żywotność niż akumulatory litowo-jonowe, nie tracąc jednocześnie pojemności po kolejnych ładowaniach, przy większej gęstości energetycznej i 20 razy szybszym ładowaniu.

Odpowiednia preparacja włókien węglowych umożliwiła stworzenie unikalnego ogniwa z katodą, anodą i organicznym, elektrolitycznym płynem wewnątrz z wykorzystaniem organicznej bawełny.

Akumulator magnezowo-jonowy

W 2012 firma motoryzacyjna Toyota oraz kilka innych koncernów zainicjowała wstępny proces wprowadzania do produkcji akumulatorów magnezowo-jonowych [16].

Główną trudnością w opracowaniu technologii było znalezienie odpowiedniego elektrolitu, który nie powodowałby szybkiej korozji elektrod – zastosowano elektrolit oparty na magnezowych solach monokarboranów (MMC).Magnez jest od litu powszechniejszy, bardziej stabilny (a więc jego zastosowanie praktycznie wyeliminuje niebezpieczeństwo pożaru, jakie stwarzają ogniwa litowe), a jako pierwiastek dwuwartościowy tworzy jony przenoszące dwukrotnie większy ładunek, niż w przypadku jednowartościowego litu.

Gęstość energii wynosi w przypadku magnezu 3,833 mAh/cm³ w porównaniu do 2,036 mAh/cm³ dla litu.Akumulatory mają mieć dwukrotnie większą pojemność niż akumulatory litowo-jonowe przy tej samej masie, a ich produkcja ma być tańsza.

Akumulator z technologią nanokropek

W 2014 roku izraelska firma nanotechnologiczna StoreDot Ltd. zaprezentowała prototypowy akumulator, przeznaczony do urządzeń mobilnych, którego proces ładowania trwał zaledwie 30 sekund [21].

Opracowany akumulator zawiera tzw. nanokropki, które są syntetyzowanymi chemicznie bioorganicznymi cząsteczkami peptydu – umożliwiło to wzrost pojemności oraz wydajności.

Akumulator z cieczą jonową

Ogniwa „Metal-Air Ionic Liquid” zaprojektował profesor inżynierii materiałowej Uniwersytetu Stanowego w Arizonie Cody Friesen [22]. Jako elektrolity wykorzystywane są w nich ciecze jonowe, czyli płynne w temperaturze pokojowej sole. Ich zaletą jest to, że nie parują, w porównaniu do wody są bardziej lepkie, ale wystarczająco dobrze przewodzą prąd elektryczny. Trwają prace nad opracowaniem elektrolitu. Akumulatory mogą posiadać teoretycznie gęstość energii do 1600 W*h/kg. Wyzwaniem jest także konstrukcja porowatego rusztowania elektrody. Taka budowa ma zapobiegać powstawaniu krystalicznych struktur – dendrytów, które występują na elektrodach podczas ładowania, ograniczając liczbę cykli ładowania i zmniejszając żywotność akumulatora.

Akumulator z nanowłóknami ze złota

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornia badają możliwości zastąpienia litu w akumulatorach [23]. Wadą litu jest wrażliwość na temperatury – w przypadku przegrzania akumulator może nawet eksplodować.

Naukowcy zastosowali elektrolit w postaci żelu z nanowłóknami ze złota. Nanorurki ze złota pokryli dodatkowo tlenkiem manganu i nałożyli warstwę żelu elektrolitowego.

Klasyczne akumulatory litowo-jonowe mają żywotność do 1000 cykli ładowania.Opracowany w 2016 roku akumulator stracił jedynie 5% pojemności po 200 000 cyklach ładowania. Gdyby ładować taki akumulator raz dziennie, to byłby sprawny przez 50 lat. Z uwagi na cenę złota trwają obecnie prace nad zastosowaniem niklu.

Akumulatory metalowo-powietrzne

Podczas ich rozładowywania atomy metalu z anody rozkładają się pod wpływem tlenu, oddając elektrony i w formie jonów dodatnich przepływają przez elektrolit na katodę.Potencjalna gęstość energii jest znacznie wyższa niż w ogniwach litowo-jonowych i przekracza 1100 W*h/kg.

Już od wielu lat znane są akumulatory powietrzne z cynkiem jako materiałem anodowym, jednak podczas ich ładowania reakcjom ulega coraz mniejsza liczba atomów cynku. Małej mocy ogniwa cynkowo-powietrzne o gęstości energii porównywalnej z tą w litowo-jonowych są montowane na przykład w aparatach słuchowych. Ogniwa cynkowo-powietrzne wymagają dopływu tlenu, nie nadają się więc specjalnie do urządzeń mobilnych, ale mogą znaleźć zastosowanie w przyszłości w samochodach elektrycznych oraz w energetyce do magazynowania energii.

Baterie przepływowe z wykorzystaniem materiałów organicznych – bioogniwa

Naukowcy z Uniwersytetu z Harvardu opracowali ogniwo przepływowe oparte na chinonie AQDS, naturalnie występującym w rabarbarze (fot. 3.) [25,34,35].

Niestety, nie udało im się wyeliminować szkodliwego bromu, za to ich ogniwo osiągnęło gęstość energii wielokrotnie wyższą niż np. w przepływowym ogniwie wanadowym.

Zredukowano również koszty materiałowe: ogniwo wanadowe kosztowałoby w przeliczeniu na jedną kilowatogodzinę około 320 zł, natomiast chinonowe – około 120 zł.

Żywotność ogniwa wynosi około 100 cykli.

Trwają badania nad poprawą żywotności.

Z kolei na Uniwersytecie Virgina zbudowano prototypowy akumulator typu cukier-powietrze, dziesięciokrotnie pojemniejszy od klasycznych akumulatorów litowo-jonowych [25]. Anoda wykonana została z maltodekstryny i pływa w roztworze enzymów, które stopniowo ją rozkładają, uwalniając elektrony.

Oczywiście w przypadku rozwoju technologii magazynowania energii można również zastanawiać się, czy np. producenci klasycznych akumulatorów nie będą wstrzymywali procesu wdrażania i produkcji akumulatorów nowej generacji?

W przypadku gdy np. żywotność akumulatora ma wynosić do 20 lat, producenci staną przed problemem spadku popytu na akumulatory i zmniejszeniem wielkości sprzedaży (spadek zysków). Większość nowości w zakresie technologii to efekt badań naukowców.

Podsumowanie

• Zasobniki energii elektrycznej są bardzo cennym i pożądanym uzupełnieniem pracy w systemach zasilania. W przypadkach szczególnych np. mikrosieci jest to element niezbędny.
• Podstawowym problemem dotyczącym zasobników energii jest ich nadal bardzo wysoka cena. Nakłady inwestycyjne w większości przypadków są wyższe niż zyski związane z możliwością magazynowania energii.
• Prace nad nowymi rozwiązaniami, które obniżyłyby koszty produkcji, trwają.
• Innym problemem w przypadku elektrochemicznych zasobników energii jest ograniczona liczba cykli ładowania i rozładowywania.
• W niektórych zastosowaniach problem zbyt małej gęstości mocy oraz zbyt małej pojemności również występuje i czeka na przełom technologiczny.
• Obiecujące prototypy powstają, ale nadal brak doniesień o wprowadzeniu do masowej produkcji prototypów o znacząco lepszych parametrach.

Literatura

1. Paska J.: Zasobniki energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym – zastosowania i rozwiązania, Przegląd Elektrotechniczny, nr 9a/2012 (88), str. 50-55
2. Paska J., Kłos M., Antos, P., Błajszczak G.: Koncepcja zasobnika energii elektrycznej o zdolności magazynowania 50 MWh, Acta Energetica, 2/11 (2012), str. 32-37
3. Paska J., Kłos M., Michalski Ł., Molik L.: Układy hybrydowe – integracja różnych technologii wytwarzania energii elektrycznej, Elektroenergetyka, nr 4 (6)/2010, str. 46-57
4. Baczyński D., Księżyk K., Parol M., Piotrowski P., Wasilewski J., Wójtowicz T.: Mikrosieci niskiego napięcia. Praca zbiorowa pod redakcją M. Parola. Monografia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2013
5. Wiatr J., Orzechowski M.: Poradnik projektanta elektryka, Dom Wydawniczy MEDIUM, Warszawa 2012
6. Wiatr J., Miegoń M., Orzechowski M., Przasnyski A.: Poradnik projektanta systemów zasilania awaryjnego i gwarantowanego, EATON Powerware, 2008
7. Sutkowski T. Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną – Urządzenia i układy, Centralny Ośrodek Szkolenia i Wydawnictw, Warszawa 2007
8. Wiatr J., Miegoń M. „Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego”, Zeszyt dla elektryków nr.4, Dom Wydawniczy MEDIUM, Warszawa 2009
9. Bednarek K., Kasprzyk L.: Zasobniki energii w systemach elektrycznych – część 1. Charakterystyka problemu, Academic Journals, Electrical engineering, No 69, Poznan University of Technology, Poznań 2012, p. 199-207
10. Bednarek K., Kasprzyk L.: Zasobniki energii w systemach elektrycznych – część 2. Analizy porównawcze i aplikacje, Academic Journals, Electrical engineering, No 69, Poznan University of Technology, Poznań 2012, p. 209-218
11. Bednarek K., Akumulatory czy superkondensatory – zasobniki energii w UPS-ach, Elektro.info, nr 1-2, 2012.
12. Sarniak M.: Zasobniki energii w systemach fotowoltaicznych, Warunki techniczne.pl, nr 1/2016 (12), str. 62-65
13. http://www.forbes.pl/chinczycy-pokazali-grafenowa-baterie-100-procent-w-15-minut,artykuly,205944,1,1.html
14. http://ise.pl/informacje/4988-wkrotce-ruszy-produkcja-przelomowych-baterii-grafenowo-polimerowych
15. http://www.dobreprogramy.pl/Smartfony-beda-dzialac-dluzej-W-koncu-przelom-w-rozwoju-akumulatorow-Liion,News,56780.html
16. http://autoflesz.com/rozwiazania-tecniczne/5397-prze%C5%82om-w-motoryzacji-%E2%80%93-akumulatory-magnezowo-jonowe,-a-mo%C5%BCe-redox-flow.html
17. http://www.tabletowo.pl/2014/05/14/przelom-w-technologii-baterii-realna-szansa-czy-kolejny-marketingowy-belkot/
18. http://motogazeta.mojeauto.pl/Technika/Litowo_tlenowe_baterie_nowej_generacji,a,262365.html
19. http://www.bateriegrafenowe.pl/
20. http://technowinki.onet.pl/technika/baterie-nowej-generacji-coraz-blizej/7r42e
21. http://tylkonauka.pl/wideo/prototypowa-bateria-nowej-generacji-moze-zostac-naladowana-w-ciagu-30-sekund
22. http://www.polskieradio.pl/23/267/Artykul/181202,Nowe-baterie-beda-11-razy-pojemniejsze-niz-ogniwa-litowojonowe
23. http://www.antyradio.pl/Technologia/Duperele/Naukowcy-stworzyli-przypadkiem-superbaterie-8094
24. http://www.ckm.pl/lifestyle/bateria-komorki-na-2-lat,13248,1,a.html
25. http://www.chip.pl/artykuly/trendy/2015/07/akumulatory-przyszlosci-1?b_start:int=1
26. http://www.komputerswiat.pl/jak-to-dziala/2015/07/akumulatory.aspx
27. http://www.komputerswiat.pl/jak-to-dziala/2015/07/akumulatory.aspx
28. http://samochodyelektryczne.org/domowy_magazyn_energii_tesla_powerwall_wlasnej_roboty_za_300_usd.htm
29. https://www.tesla.com/
30. http://www.sklep.soltechenergy.pl/pl/p/Tesla-Powerwall-7-kWh/137
31. Sabat M.: Analiza szeregów czasowych produkcji energii ze źródeł odnawialnych pod kątem niezależności energetycznej wybranego obszaru, Praca dyplomowa magisterska, Wydział Elektryczny, Politechnika Warszawska, promotor pracy – dr hab. inż. Dariusz Baczyński
32. http://gramwzielone.pl/trendy/16039/elon-musk-pokazal-domowy-magazyn-energii-tesli
33. http://ever.eu/
34. http://www.seas.harvard.edu/news/2014/01/organic-mega-flow-battery-promises-breakthrough-for-renewable-energy
35. http://www.smh.com.au/technology/sci-tech/new-lowcost-highenergy-batteries-could-be-powered-by-rhubarb-plants-20140108-30iok
36. https://www.pge.com/en_US/about-pge/environment/what-we-are-doing/compressed-air-energy-storage/compressed-air-energy-storage.page
37. http://www.gtb-solaris.pl
38. http://moto.onet.pl/aktualnosci/najwieksza-baterie-na-swiecie-stworzy-tesla/9xh2yd

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!