Обзор аккумуляторных накопителей
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 электроэнергии 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 электростанций и подстанций;
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 электроэнергии 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.
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 катодом
Устройство 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
Тип АКБ
Параметр
СКА NiСd NaS Li-ion Супер-
конденса-
тор Стоимость, $/кВт*ч 200-1100 650-2300 230-950 650-2900 100-250 Стоимость, $/кВт 350-850 650-1400 1000-2700 1300-3800 250-650 Плотность, Вт*ч/кг 30-60 45-80 100-160 120-200 3-10 Срок службы, циклы 160-1200 1200-2800 1700-3000 2900-5500 10000-
100000 КПД, % 75 80 81 96 95 Экологичность Загрязнение свинцом Токсичны Нетоксичны Нетоксичны Экологи-
чески
безопасны Саморазряд,% в мес. 5 20 0 5 300
Примеры применения накопителей энергии в различных отраслях.
Помимо описанных в начале статьи функций, накопитель энергии также может быть эффективно использован при решении ряда задач [5].
Применение накопителей энергии совместно с малой генерацией на органическом топливе (ДГУ, ГПУ, ГТУ) позволяет:
обеспечить работу объектов малой генерации с постоянной, наиболее экономичной нагрузкой. Результат — снижение затрат топлива, в среднем, на 15–20 %, улучшение экологической обстановки;
улучшить динамические характеристики установок малой генерации;
стабилизировать напряжение и частоту при сбросах и набросах нагрузки;
обеспечить бесперебойное снабжение потребителей при пусках и остановах объектов малой генерации.
Применение накопителей энергии в энергосистемах, содержащих возобновляемые источники энергии (ВИЭ) позволяет:
выравнивать переменные графики работы;
снизить колебания мощности;
обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей.
Применение накопителей энергии в системе тягового электроснабжения позволит:
уменьшить установленную мощность понижающих и преобразовательных трансформаторов тяговых подстанций;
уменьшить расход энергии на тягу за счет использования избыточной энергии рекуперации на тягу поездов;
снизить потери электроэнергии в тяговой сети.
Заключение
В настоящее время в мире резко возрос интерес к применению накопителей энергии в электроэнергетических системах. Это объясняется как тенденциями развития генерирующих мощностей, так и новыми технологиями производства некоторых типов накопителей энергии, в частности аккумуляторными батареями большой мощности (АББМ). В связи с прогрессом в области эксплуатационных характеристик химических аккумуляторов (в частности литий-ионных), а также из-за наметившейся динамики на снижение их стоимости в результате применения в электрических транспортных средствах в ближайшем будущем ожидается значительное расширение сферы экономически обоснованного применения высокоемких накопителей энергии. Так, например, при регулировании электросетей можно избавиться от строительства крупных ГАЭС в пользу создания распределенной сети аккумуляторных накопителей.
АББМ, отличающиеся модульной структурой и энергоемкостью от единиц до десятков МВт*ч, позволят создать на их базе инвариантные к месту установки сетевые накопители электрической энергии (СНЭ). Установка таких накопителей возможна в точках, определяемых только требованиями электрической сети, что позволяет наиболее эффективно использовать их для решения ряда системных задач, а также для стабилизации графиков выдачи мощности ВИЭ. Последние тенденции, связанные с амбициозными планами ряда Европейских государств по интеграции ВИЭ как на национальном уровне, так и на уровне потребителя, позволяют рассчитывать на то, что СНЭ в самом скором времени будет рассматриваться не как инновация, а как ключевой элемент современной электрической сети.
Список литературы
Попель О.С., Тарасенко А.Б. Накопители электрической энергии // Энергоэксперт. 2011. №3. С. 28-37.
Goodman, Marty. Lead-Acid or NiCd Batteries? // Harris Cyclery. Retrieved 2009-02-18.
Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. // М.: ООО «Изумруд». 2003.
Jami Hossain. A case study of high wind penetration in the Tamil Nadu Electricity Utility // ENERGY POLICY. 1993. August. р. 868-874.
Шакарян Ю.Г. и др. Перспективы применения накопителей энергии в ЕНЭС и ЕЭС России // Вести в электроэнергетике.2010. №4. С. 16-22.