Юрий Степанович Почанин
Современные системы накопления энергии в энергетике и на транспорте
Глава 2. Архитектура систем накопителей электрической энергии
. Согласно ГОСТ Р 58092.2.1-2020 “Системы накопления электрической энергии (СНЭЭ). Параметры установок и методы испытаний. Общее описание” содержит следующую архитектуру, рис. 2.1, а структура СНЭЭ с одной точкой подключения напряжения к сети (ТПН), рис.2.2, с двумя ТПН, рис.2.3.
Рис.2.1. Архитектура СНЭЭ
Рис. 2.2 Структура СНЭЭ с одним типом ТПН
Накопитель электрической энергии (НЭЭ) согласно ГОСТ Р 58092.1-2018 «Системы накопления электрической энергии (СНЭЭ). Термины и определения», представляет собой установку с определенными границами, подключенная к электрической сети, включающая как минимум один накопитель электрической энергии, которая извлекает электрическую энергию из электроэнергетической системы, хранит эту энергию внутри себя в какой-либо форме и отдает электрическую энергию обратно в электроэнергетическую систему и которая включает в себя инженерные сооружения, оборудование преобразования энергии и связанное с ними вспомогательное оборудование.
Обычно СНЭЭ включает в себя несколько НЭЭ (аккумуляторов или др.) и множество иных элементов
Рис.2.3. Структура СНЭЭ с двумя типами ТПН
Размещение подсистем СНЭЭ может быть выполнено следующим образом, рис.2.4.
Рис.2.4. Пример размещения подсистем СНЭЭ
К основным функциям СНЭЭ можно отнести:
1.Выдача или потребление активной мощности. Используя эту функцию, можно найти направления применения СНЭЭ, а именно: выравнивание графика нагрузки, регулирование частоты, интеграция ВИЭ, бесперебойное питание и др.
2. Выдача или потребление реактивной мощности. При управлении реактивной мощностью энергия носителей не используется, задействуется лишь преобразователь и конденсатор в его составе.
3. Компенсации не симметрии.
4. Компенсация не синусоидальности.
Возможные места установки СНЭЭ в энергосистеме представлены на рис. 2.5
Рис. 2.5. Возможные места установки СНЭЭ в энергосистеме
Классификация направлений применения СНЭЭ по соотношению энергоемкости к мощности СНЭЭ представлена на рис.2.6, а по типу энергосистемы- на рис. 2.7.
Рис.2.6. Классификация направлений применения СНЭЭ
Рис. 2.7. Классификация по типу энергосистемы
СНЭЭ обеспечивает эффективность работы ВИЭ в энергосистеме:
1.Выравнивание неравномерности генерацию
2. Баланс электроэнергии и мощности.
3. Устойчивость параллельной работы.
4. Качество электроэнергии.
5.Оптимальное распределение загрузки.
6. Резервирование и повышение надежности.
Основные эксплуатационные показатели, которыми описываются накопители энергии вообще:
1.Удельная энергетическая емкость.
2. Время, затрачиваемое на накопление и рассеивание в нагрузке.
3. Объем (габариты) и масса накопителя.
4. Сроки его хранения и безопасность эксплуатации.
5. Возможность вторичного использования энергоносителя, представленного в той или иной форме.
Первый из приведенных показателей измеряется в специальных единицах (для электрической и электрохимической разновидности это будут кВт в час/кг или плотность накопления энергии).
Большое внимание уделяется безопасности хранения и использования накопленного энергоносителя. Особую важность этот вопрос приобретает при обращении с кислотными электролитами, вращающимися маховиками (кинетические накопители) и с охлажденным воздухом.
Основными критериями устройств накопления энергии, необходимыми для конкретного применения являются:
–количество энергии с точки зрения удельной энергии и плотности энергии;
–электрическая мощность, т.е. требуемая электрическая нагрузка;
–объем и масса;
–надежность;
–долговечность;
–безопасность;
–стоимость;
–возможность вторичной переработки;
–воздействие на окружающую среду.
При выборе устройств накопления энергии следует учитывать следующие характеристики:
–удельная мощность;
–емкость накопителя;
–удельная энергия;
–время отклика;
–эффективность;
–скорость саморазряда / циклы зарядки;
–чувствительность к теплу;
–срок службы заряда-разряда;
–воздействие на окружающую среду;
–капитальные / эксплуатационные расходы;
–обслуживание.
Электрические устройства хранения энергии являются неотъемлемой частью телекоммуникационных устройств (сотовые телефоны, дистанционная связь, рации и т. д.), резервных систем питания и гибридных электромобилей в виде компонентов хранения (батарей, суперконденсаторов и топливных элементов).
Устройства для хранения энергии, электрические или тепловые, признаны основными технологиями экологически чистой энергии.
2.1. Преимущества систем накопления энергии
Системы накопления энергии могут использовать, чтобы поддержать стабильность ее поставок, снизить затраты и обеспечить устойчивость энергетической системы в целом.
––Еще одно преимущество систем накопления энергии – их быстрое реагирование. Большинство технологий хранения могут компенсировать нехватку мощности электроэнергии в сети очень быстро, в то время как источники на основе ископаемого топлива имеют тенденцию довольно медленно увеличивать добавочную мощность. Такая скорость важна для обеспечения стабильного энергоснабжения в случаях, когда происходит неожиданное резкое увеличение нагрузки.
Резервное питание. Системы накопления энергии могут служить надежным источником резервного питания на случай потери питания от электросети из-за тяжелых погодных условий или иных проблем. Помогая объектам оставаться в рабочем состоянии, такие системы исключают потери из-за сокращения времени простоя и обеспечивают повышенную устойчивость к критическим ситуациям. Один из примеров – источник бесперебойного питания, но возможен и больший масштаб.
Ограничение пика и сдвиг нагрузки. Функциональность систем накопления энергии типа «потребность – ответ» позволяет им участвовать в стимулирующих поставщиков коммунальных услуг программах энергопотребления, которые направлены на снижение использования энергии в периоды пиковой нагрузки на электрическую сеть.
Цена на энергию, как правило, обычно самая высокая в периоды пикового спроса. Ограничение максимума пиковых нагрузок обычно достигается путем смещения ряда нагрузок на время более низкого спроса на электроэнергию.
Именно системы накопления энергии могут поддерживать сглаживание потребления электрической мощности для снижения затрат на электроэнергию. При этом, например, аккумуляторная батарея может заряжаться в периоды низкой нагрузки – в ночное время или в периоды более низкого потребления в течение дня. с использованием альтернативных источников энергии. Затем такая батарея разряжается во время периодов высокой нагрузки или аварийного отключения, смягчая воздействие больших нагрузок и сбоев напряжения в пределах объекта или энергосистемы в целом. Такой подход наиболее экономически эффективен для коммунальных потребителей, чей тариф основан на пиковом спросе энергопотребления.
Сдвиг нагрузки (также называемый «управлением тарифами») подобен пиковому сокращению потребляемой мощности, но вместо того, чтобы фокусироваться исключительно на пиковых ценах, он направлен на снижение общих затрат на кВт·ч. По сути, он использует разницу между низкой и высокой стоимостью энергии, сохраняя энергию при низких затратах и отдавая при высоких. Сдвиг нагрузки обычно обеспечивает дополнительную ценность для системы, которая уже предоставляет другие преимущества, такие как ограничение пика (максимума) нагрузки.
Качество электрической энергии. Системы накопления энергии обладают возможностью частотного регулирования. Это позволяет конкретному объекту поддерживать работу энергосистемы в целом и решать одну из ее основных задач, а именно обеспечивать постоянную частоту генерируемого напряжения переменного тока. Как известно, электрическая система все время находится в динамическом состоянии и постоянно балансирует между предложением (генерацией) и спросом (потреблением). Способность отдельной системы накопления энергии поглощать или высвобождать энергию, а также быстро компенсировать пики потребления представляет собой потенциальную услугу балансирования, приносящую доход. Система накопления энергии может повысить коэффициент мощности объекта, одновременно обеспечивая улучшение качества электроэнергии и экономию на ежемесячных счетах за коммунальные услуги.
Глава 3. Промышленные типы систем накопления электрической энергии
Накопители энергии представляют собой системы, которые хранят энергию в различных формах, с использованием, топливных элементов, батарей, конденсаторов, маховиков, сжатого воздуха, гидроаккумуляторов, суперпроводников и т. д. Распределение различных видов накопителей энергии по плотности и мощности энергии представлено на рис.3.1.
Рис. 3.1. Распределение различных видов накопителей энергии по плотности и мощности энергии
3.1. Электрохимические накопители
В зависимости от электрохимической технологии можно выделить следующие основные типы современных батарей:
–герметизированные свинцово-кислотные (SLA, Sealed Lead Acid);
–никель-кадмиевые (NiCd);
–никель-металлгидридные (NiMH);
–литий-ионные (Li-Ion);
–литий-полимерные (Li-Pol).
Сравнительные характеристики данных батарей представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1. Сравнительные характеристики батарей
Рассмотрим основные аккумуляторы (батареи) электрической энергии.
3.1.1. Свинцово-кислотные аккумуляторы
Для обозначения свинцово-кислотных аккумуляторов применяется аббревиатура SLA (Sealed Lead Acid – герметизированные свинцово-кислотные). Это старейшие перезаряжаемые аккумуляторы, предназначенные для коммерческого использования, причем они до сих пор остаются наиболее дешевыми автономными источниками энергии. Сегодня SLA-аккумуляторы применяются в основном там, где требуется большая мощность при низкой стоимости устройств, а их вес и габаритные характеристики несущественны (например, в блоках бесперебойного питания, охранных системах, системах резервного освещения). В портативных приборах используются герметичные (необслуживаемые) аккумуляторы или аккумуляторы с регулирующим клапаном давления. Подобными SLA-устройствами иногда комплектуются переносные сотовые телефоны большой мощности и некоторые видеокамеры, но в целом их применение для портативных систем нехарактерно. Появились необслуживаемые и мало обслуживаемые аккумуляторы, основанные на внутренней рекомбинации газа, а также различные герметизированные аккумуляторы
Аккумулятор – это химический источник тока, способный многократно преобразовывать химическую энергию в электрическую и аккумулировать, запасать ее на длительное время. Упрощенно аккумулятор можно представить следующим образом: два электрода, в виде пластин, помещены в раствор серной кислоты с плотностью 1,27-1,29 г/см3. При этом положительный электрод выполнен из двуокиси свинца (PbO2), а отрицательный из свинца (Pb). При прохождении тока между ними протекают окислительно-восстановительные реакции.
При разряде происходит химическая реакция, в результате которой активная масса обоих электродов начнет изменять свой химический состав, преобразуюсь из губчатого свинца и его двуокиси в сернокислый свинец (сульфат свинца – PbSO4), а плотность электролита начнет падать. В результате внутри батареи образуется направленное движение ионов и в цепи потечет электрический ток. При заряде аккумулятора происходит обратный процесс – направление тока меняется на противоположное, активные массы восстанавливают свой первоначальный химический состав, а плотность электролита растет. Процесс этот, называемый циклом, может быть многократным. Количество запасаемой при этом электрической энергии зависит от площади активного взаимодействия электродов и электролита и его объема. Номинальное напряжение, вырабатываемое таким аккумулятором, составляет 2 вольта. Для получения большего значения напряжения одиночные аккумуляторы соединяют последовательно. Например: 12-ти вольтовый аккумулятор состоит из шести аккумуляторов, последовательно соединенных в общем корпусе.
Рассмотрим 5 видов свинцово-кислотных аккумуляторов: WET, гибридные АКБ, AGM, GEL и EFB. Практически любой тип этих батарей, содержит в своей конструкции одни и те же составные элементы, рис.3.2.
Конструкция состоит:
1.Герметичный корпус или оболочка. В нем могут быть пробки для доливки воды, относится для WET-батарей с обслуживанием, предохранительный клапан для экстренного сброса давления и индикаторы состояния заряда. Производится из специального очень упругого пластика, устойчивого к химикатам.
2. Внутри корпус разделен на ячейки, в каждой из которых находится комплект свинцовых пластин, называемых электродами. На крышке стандартной 12-вольтовой батарее находится 6 пробок, соответственно, 6 пакетов, выдающий по 2 В каждый. В общем формируется напряжение 12 В.
Рис.3.2. Конструкция свинцово-кислотного аккумулятора
3. В каждой паре пластин имеется положительная и отрицательная. Первая обмазывается свинцово-оксидным составом, а вторая – свинцовой губкой. Между пластинами располагается разделитель из волокнистого или перфорированного материала. Через него свободно проходят электроны, но не проникают частицы активной пасты. 4.Аккумуляторы типа EFB оснащены сепараторами в виде конверта, что заведомо исключает короткое замыкание между банками. Их использование позволило продлить срок эксплуатации АКБ.
5.В батареях нового вида с жидким электролитом в крышке нет пробок, но применена лабиринтная структура, поэтому испаряющаяся серная кислота конденсируется и возвращается обратно. Это обеспечивает сохранность количественного состава электролита в любых условиях эксплуатации АКБ.
6.Токосъемные выводы расположены снаружи. Отличаются по стране происхождения и соблюденным стандартам. Это могут быть винты с наружной резьбой, отверстия под болты, конусовидные клеммы. В европейских и азиатских батареях выводы находятся сверху на крышке, а в американских – сбоку.
7. Для переноски все аккумуляторные батареи оснащаются ручками, одной или двумя в зависимости от габаритов источника постоянного тока.
В отличие от обычных свинцово-кислотных аккумуляторов, в частности автомобильных, SLA-аккумуляторы для электроники разрабатываются с низким потенциалом перезарядки с целью предотвращения выделения газа. Поэтому SLA-аккумулятор имеет длительный срок хранения, но никогда не заряжается до своей полной емкости, а следовательно, по сравнению с другими типами заряжаемых батарей имеет самую низкую плотность энергии (удельную энергоемкость), которая выражается в количестве запасенной энергии к единице веса или объема. Вследствие низкого саморазряда, отсутствия эффекта памяти и минимальных требований по обслуживанию такие батареи в некоторых областях до сих пор остаются весьма выгодным решением.
Емкость портативных SLA-аккумуляторов составляет 1-30А, а габаритных стационарных – 50-200А. У них не бывает эффекта памяти. Они подходят для долгосрочной эксплуатации в буферном режиме подзарядки, без периодов полной разрядки батареи. Служат они не менее 10 лет. Цикличный режим, то есть регулярная зарядка-разрядка на треть- половину емкости, для этого типа аккумуляторов подходит меньше. Саморазрядка свинцово-кислотного аккумулятора составляет примерно 40% в год при температуре воздуха +20°С, что в 4 раза медленней, чем у никелево-кадмиевых элементов питания. Зарядка занимает 8-16 часов.
Среди плюсов SLA-аккумуляторов нужно отметить:
–низкую стоимость;
–отсутствие затрат по сервису и обслуживанию;
–высокую мощность тока;
–нетребовательность к температуре внешней среды, их можно использовать в диапазоне от -10 до +50 градусов;
–виброустойчивость;
–пожарную безопасность.
Но, есть и минусы:
–большой вес;
–при глубокой разрядке и хранении без подзарядки пластины аккумулятора портятся из-за сульфитации;
–довольно малый срок службы – до пятисот циклов зарядки/разрядки;
–токсичность оксида свинца, который используется в их производстве.
Основные виды свинцово-кислотных батарей.
1. WET. Автомобильный аккумуляторный элемент питания типа WET является классическим представителем источников постоянного тока. В нем содержится жидкий электролит, представляющий собой раствор серной кислоты. Конструкция включает герметичный корпус с ячейками, электродные пары с сепаратором и есть крышки для долива дистиллированной воды. Такие батареи стали первыми в линейке. Они бывают разные в зависимости от ряда деталей и поколений. Чистый свинец выдает большие пусковые токи, но быстро разрушается. Именно срок службы ставил под сомнение их массовое применение во всех видах техники и оборудовании. Свинец быстро растворялся и АКБ выходила из строя. При легировании кальцием одного и сурьмой другого электродов эти батареи стали более долговечными и выносливыми к выдаваемым токам.
2.Гибридные АКБ. Главная проблема была решена за счет внедрения в состав кальция. Доля кальция в свинцовом сплаве менее 1/10%, но этого достаточно, чтобы источник работало вдвое дольше. Улучшенная версия – легирование двух электродов кальцием, такие батареи имеют обозначение Ca+ или Ca/Ca. Такие батареи называются гибридными и имеют пометку Hybrid и Calcium Plus. Гибридные аккумуляторные батареи совместили в себе низкий саморазряд и отсутствие необходимости в обслуживании. При этом была решена проблема глубокой разрядки. Этот момент особенно важен для тех, кто часто оставляет автомобиль простаивать.
Пластины с положительным зарядом у гибридного аккумулятора производится из свинца с добавкой сурьмы. Отрицательный электрод производится из сплава свинца с кальцием. В результате совмещаются преимущества двух технологий и устраняются их недостатки. Положительный электрод из свинцово-сурьмянистого сплава даёт устойчивость к глубокому разряду, а отрицательный электрод с кальцием снижает саморазряд и выкипание воды из электролита.
При выборе гибридного аккумулятора стоит помнить о некоторых моментах, связанных с их маркировкой. В ней для таких автомобильных аккумуляторов отражается расход воды. Маркируется он следующим образом:
Буква N в конце маркировки говорит о нормальном расходе воды; L– малый расход воды; VL – очень малый расход; VRLA – аккумулятор имеет регулирующий клапан.
Преимущества гибридных батарей. Гибридные аккумуляторы имеют больший срок службы, чем классическая батарея. Отдельные модели при соблюдении технологий производства способны отработать до 7 лет, но без обслуживания он работает 4-5 лет. Для продления срока службы рекомендуется вовремя доливать жидкость. Обладают высокими пусковыми токами в отличие от обычных кислотных источников постоянного тока. Если пластины подверглись сульфитацией, то такую батарею можно восстановить. Для этого используют автоматическое импульсное зарядно-разрядное устройство с большими зарядными токами.
Недостатки. Традиционно, такие батареи чувствительны к высоким и низким температурам и состоянию с неполным зарядом. За такой батареей нужен уход. Необходимо регулярно следить за уровнем кислоты и вовремя ее доливать. В процессе заряда происходит испарения кислоты, которая опасна для окружающих. Поэтому делать это нужно в закрытом и проветриваемом помещении.
3. AGM. Конструктивно аккумуляторы AGM сильно не отличаются от WET. В них также имеются парные пластины, формирующие энергетические ячейки и погруженные в электролит. Положительный электрод обмазан свинцово-оксидной пастой, а отрицательный – губчатой массой. В отличие от батарей с жидким электролитом, в этих источниках используется губчатый пористый материал, который был пропитан электролитической кислотой. В итоге он содержит как минимум 95% электролита. Чтобы увеличить электронную проводимость в состав пористой массы производители добавляют частицы алюминия. Это решение позволило увеличить генерируемый ток и намного быстрее зарядить АКБ. Такие батареи отличаются большими отдаваемыми токами. Они способны выдать до 900 А (батареи с круглыми пластинами) в отличие от классической с жидкостью. Также АКБ данного типа обладают следующими преимуществами:
–быстрее заряжаются;
–более устойчивы к глубоким разрядам;
–отсутствие эффекта снижения площади контакта пластин, потому что на них не скапливаются пузырьки газа;
–в конструкции корпуса имеется клапан для отвода газа в случае роста внутреннего давления.
4. GEL. Автомобильные аккумуляторы с гелем в качестве рабочей среды отличаются от классических составом электролита и его консистенции. Он представляет собой густую тягучую массу из оксида кремния. Электроды, как и в предыдущих моделях, легированы кальцием и сурьмой. За счет плотного прилегания среды обеспечивается высокая токоотдача и как следствие, такие АКБ быстрее заряжаются. Аккумуляторам такого типа присущи следующие преимущества:
–большой разброс емкости от 20 до 200 А/ч;
–увеличенный пусковой ток за счет стабильной площади контакта – до 950 А;
–практически полное отсутствие потери емкости даже в разряженном состоянии.
Главное достоинство гелевых аккумуляторов – в сроке службы. Они способны отработать до 12 лет, чего нельзя сказать о других модификациях источников.
5. EFB. Аккумулятор EFB (Enhanced Flooded Battery)– это усиленная кальциевая (Ca-Ca) батарея классической свинцово-кислотной конструкции. В отличие от AGM, жидкий электролит тут есть, но его намного меньше, чем в обычном аккумуляторе. По сравнению с обычным свинцово-кислотным аккумулятором (WET/SLI), пластины батареи EFB толще и запечатаны в защитные конверты из специального волокна— в этом конструкция напоминает AGM. Также на поверхность положительных пластин наносится защитная плёнка из полиэстера, что укрепляет активную массу. Есть и другие отличия: более прочные соединители пластин, усиленные штампованные решётки и дополнительная защита от вибрации.
Преимущества технологии EFB. Описанные улучшения осуществляют защиту от сульфитации и осыпания активной массы пластин при частых циклах разряда и заряда, характерных для систем «Старт-Стоп». Хотя глубокие разряды аккумулятора возможны на любой машине – достаточно забыть выключить свет на несколько часов или слишком долго пытаться завести двигатель на морозе. Для классической АКБ глубокие разряды губительны, а вот EFB переносит их без особого ущерба. Примечательна и стойкость аккумуляторов EFB к перезаряду – в этом аспекте они даже превосходят более дорогие модели AGM. Если для большинства аккумуляторов зарядка напряжением выше 14,4 В чревата, то для EFB нормальным является показатель 14,8 В, а кратковременно они без последствий переносят скачки до 15–16 В. Более мощные пластины EFB-батареи обеспечивают большую, по сравнению с обычной кальциевой АКБ, производительность— повышенную ёмкость и пусковой ток (CCA). Всё это, вкупе с усиленной конструкцией, увеличивает и срок службы батареи: EFB-аккумулятор безотказно работает 5–7 лет, в то время как обычная батарея в среднем служит 3 года.
70% новых автомобилей оснащаются системой автоматической остановки двигателя. В городских условиях она позволяет снизить выбросы и расход топлива, но существенно повышает нагрузку на аккумулятор. Работа в таком режиме быстро выводит из строя классическую батарею из-за сульфитации и осыпания активной массы пластин. Радикальное решение проблемы осуществляют аккумуляторы EFB.
Из особенностей современных свинцово-кислотных аккумуляторов следует отметить:
–зарядка от простейших зарядных устройств;
–улучшение работы в буферном режиме, то есть в режиме постоянного подзаряда – срок службы доведен уже до 25 лет;
–значительное увеличение ресурса – количество циклов зарядки-разрядки составляет уже 600-800, а не 200-300, как раньше;
–сведение к минимуму величины саморазряда – 0,1% в день;
–появление множества типоразмеров и введение их единой стандартизации.
