Літій-іонні акумулятори для зберігання енергії - дізнатися про переваги
Зберігання енергії має важливе значення в сучасному суспільстві для утримання попиту та пропозиції на електроенергію під контролем. Всіх цікавить, яке сховище енергії є найбільш ефективним, оскільки ми прагнемо до низьковуглецевого майбутнього.
Рішенням, яке незмінно доводить свою ефективність протягом багатьох років, є використання акумуляторів. Оскільки літієві батареї стають все більш доступними, їх все частіше використовують для пристроїв зберігання енергії.
Для того, щоб отримати повну віддачу від літій-іонні акумулятори для зберігання енергіївам потрібно знати більше, ніж просто ціну. Розуміння компонентів і того, як працює цей накопичувач енергії, має важливе значення для ефективного зберігання та передачі електроенергії. Для того, щоб приймати обґрунтовані рішення, ми надамо всю необхідну інформацію про літій-іонні акумулятори в цій статті.
</img
Що таке літій-іонна батарея для зберігання енергії?
Основна мета технології зберігання енергії на літій-іонних акумуляторах - зберегти електричну енергію, яка може бути використана як резервне джерело живлення в аварійних ситуаціях. Це високорозвинена технологія, яка використовує акумуляторні батареї, виготовлені з літійвмісних сполук, для зберігання та вивільнення електричної енергії.
Це інноваційне рішення можна поєднувати з відновлюваними джерелами енергії, такими як сонячна та вітрова енергія, щоб збалансувати їхню змінну та непостійну потужність. Крім того, воно може надавати широкий спектр послуг енергосистемі, включаючи регулювання частоти, зміщення піків, управління потужністю та інтеграцію відновлюваних джерел енергії.
Користувачі можуть отримати вигоду від більш ефективного, сталого енергетичного рішення, пристосованого до їхніх унікальних потреб, використовуючи літій-іонні акумулятори для зберігання енергії. Сонячні системи або ДБЖ часто використовують літій-іонні акумулятори для зберігання енергії завдяки їхньому тривалому терміну служби та вищому внутрішньому опору.
Як працюють літій-іонні акумулятори?
Для роботи літій-іонних акумуляторів іони літію повинні рухатися вперед і назад між позитивним і негативним електродами. Це можливо завдяки роботі чотирьох компонентів акумулятора:
Позитивний електрод
Негативні електроди
електроліт (речовина, яка проводить іони)
сепаратор (мембрана, що запобігає короткому замиканню)
Підключення літій-іонного акумулятора до зовнішнього ланцюга, наприклад, електронного пристрою або зарядного пристрою, дозволяє йому почати роботу, яка може бути як розрядом, так і зарядом.
Під час цього процесу заряджання позитивний електрод, або негативний електрод, отримує частину іонів літію, що виділяються катодом, або позитивним електродом. Іони літію поглинаються негативним електродом і зберігаються там. Різниця потенціалів між електродами зростає завдяки перетворенню електричної енергії в хімічну.
Однак, коли він підключений до пристрою, процес відбувається у зворотному напрямку, і під час розряду іони літію розряджаються з негативного електрода (катода) і рухаються через електроліт до анода (позитивного електрода). Позитивний електрод приймає іони літію, вивільняючи електрони в зовнішній ланцюг. Завдяки цьому процесу різниця потенціалів між електродами зменшується, що перетворює хімічну енергію в електричну.
З яких компонентів складається літій-іонна батарея для зберігання енергії?
● Акумуляторна система: Ефективність та продуктивність системи зберігання енергії значною мірою залежить від системи акумуляторів. Технологія часто з'єднує літій-іонні елементи послідовно і паралельно для створення акумуляторних модулів, які потім з'єднуються послідовно для створення акумуляторних ланцюгів. Для того, щоб отримати відповідну напругу і струм, остаточно проектується стійка шляхом з'єднання цих батарейних ланцюгів і модулів паралельно або послідовно.
● Система управління акумулятором (BMS): Ця електронна система моніторингу в режимі реального часу гарантує безпеку та надійність акумуляторної системи. Вона відстежує кілька параметрів батареї, зокрема напругу, струм, температуру, рівень заряду та стан.
BMS гарантує безпечне керування процесом заряджання та розряджання акумуляторної системи, запобігаючи перезарядженню та перерозрядженню.
Система також включає в себе оповіщення та механізм аварійного захисту для вирішення потенційних проблем з акумуляторною системою. Точно розраховуючи стан заряду (SOC) акумуляторної системи та її компонентів на всіх рівнях, BMS підвищує продуктивність акумуляторної системи.
● Система енергоменеджменту (СЕнМ): Ще одним важливим компонентом системи зберігання енергії літій-іонних акумуляторів є EMS, що відповідає за управління роботою та оптимізацію системи.
EMS відстежує стан акумулятора, PCS, мережі та відновлюваних джерел енергії, а також використовує алгоритми та моделі для вибору найкращих методів заряджання та розряджання для різних обставин та застосувань.
EMS також з'єднується з іншими системами, такими як центри управління комунальними послугами або оператори ринку, щоб забезпечити численні послуги та переваги для мережі та споживачів.
● Допоміжні системи: Ці компоненти підтримують обслуговування та експлуатацію системи. Ці системи складаються з систем охолодження, пожежогасіння, вентиляції, безпеки, зв'язку, обліку та інших систем, які забезпечують безпеку та надійність системи.
Наскільки ефективно зберігають енергію літій-іонні акумулятори?
Відношення електроенергії, збереженої елементом накопичення енергії, до вхідної енергії вимірюється як ефективність накопичення енергії літій-іонного акумулятора. На неї впливає багато факторів, зокрема сила струму, температура, тривалість процесів заряду і розряду, і вона може бути пов'язана з терміном служби акумулятора та його вартістю.
Завдяки відмінній ефективності в обох напрямках, літій-іонні акумулятори втрачають менше енергії під час заряджання та розряджання. Коефіцієнт корисної дії може досягати 99%, хоча зазвичай він знаходиться в діапазоні від 75 до 85% для мережевих застосувань. Важливо розуміти змінні, які впливають на ефективність зберігання енергії літій-іонного акумулятора, якщо ви маєте намір її підвищити.
Які переваги та недоліки зберігання енергії на літій-іонних акумуляторах?
За:
● Висока ефективність: Унікальна перевага літій-іонних акумуляторів полягає в тому, що вони втрачають менше енергії лише під час заряджання та розряджання. Це відбувається завдяки високому коефіцієнту корисної дії в обох напрямках - до 99% від вхідної енергії до вихідної. Оскільки він добре тримає заряд, він ідеально підходить для тривалого використання, і ви можете використовувати енергію довше, ніж ви могли собі уявити.
● Висока гнучкість: Ще однією перевагою зберігання енергії на літій-іонних акумуляторах є те, що вони можуть пропонувати енергосистемі та споживачам різні послуги, включаючи регулювання частоти, зсув піків, управління потужністю та інтеграцію відновлюваних джерел енергії. Вони також можуть працювати в декількох режимах, наприклад, в автономному режимі або з підключенням до мережі, і швидко реагувати на зміни попиту або пропозиції електроенергії.
● Висока масштабованість: Залежно від застосування та ситуації, ви можете просто збільшити або зменшити обсяг зберігання енергії літій-іонної батареї, додаючи або видаляючи модулі або стійки. Його також можна стандартизувати та модулювати для простоти встановлення.
● Невибагливий в обслуговуванні: Тривалий термін служби літій-іонних акумуляторів і низький рівень саморозряду роблять їх хорошим вибором, оскільки з часом вони потребують меншої кількості замін. На відміну від інших акумуляторів, вони також простіші у використанні та обслуговуванні, оскільки не потребують регулярного поливу або вирівнювання рівня води.
● Екологічність: Літій-іонні акумулятори не виділяють парникових газів або забруднюючих речовин під час роботи, що робить їх екологічно чистими. Оскільки свинець і кадмій відсутні, літій-іонні акумулятори не становлять жодного ризику для здоров'я людини або навколишнього середовища.
Мінуси:
● Проблеми з витратами: Зберігання енергії на літій-іонних акумуляторах має найвищу початкову вартість серед усіх доступних технологій зберігання енергії, головним чином через вартість елементів акумулятора та систем керування. Через потребу в допоміжних системах, таких як охолодження та пожежогасіння, вони також мають високі експлуатаційні витрати.
● Проблеми з ресурсами: Зберігання енергії в літій-іонних акумуляторах залежить від дорогих, рідкісних елементів, таких як літій, нікель, марганець, кобальт і графіт, на які впливає геополітична та ринкова невизначеність. Видобуток і переробка цих ресурсів, окрім потенційної шкоди навколишньому середовищу та правам людини, також може завдавати шкоди.
Як літій-іонні акумулятори порівнюються з іншими типами акумуляторів?
Гідроакумулюючі електростанції
Гідроакумулюючі електростанції використовують воду для накопичення та вивільнення електроенергії. Воно має наступні переваги та недоліки:
● Перевага: Гідроакумулюючі електростанції мають переваги великої ємності, надійності, довговічності та доступності. Вони мають низьку вирівняну вартість енергії, постійне і безперервне виробництво електроенергії, тривалий термін служби з незначним зносом і здатність зберігати значні обсяги енергії протягом тривалих періодів часу.
● Недолік: З акумулюванням гідроенергії існують екологічні, географічні, регуляторні труднощі, а також труднощі з ефективністю. Воно може впливати на екосистеми та якість води у водосховищах, потребує значних земельних площ та відповідного рельєфу, може зустріти спротив громадськості та труднощі з отриманням необхідних дозволів, а також використовувати певну кількість енергії під час перекачування та генерації.
Зберігання енергії стисненого повітря
Система зберігання енергії стисненого повітря використовує повітря для зберігання та вивільнення електроенергії. Воно має наступні переваги та недоліки:
● Перевага: Зберігання енергії стисненого повітря має низку переваг, серед яких велика ємність, масштабованість, гнучкість і низька вартість. Вони можуть постачати в мережу різні послуги, такі як вирівнювання навантаження або регулювання частоти, і мають низьку вартість вирівняної енергії. Його також можна легко масштабувати, додаючи або видаляючи компресори чи турбіни.
● Недолік: Зберігання енергії стисненого повітря має технологічні, економічні, географічні та екологічні проблеми. При спалюванні або витоку повітря можуть виділятися парникові гази або інші забруднювачі, повітря потрібно зберігати в підземних печерах або резервуарах, витрачати певну кількість енергії при стисненні або розширенні, а також мати труднощі з підтриманням постійного тиску і температури повітря.
Накопичувач енергії маховика
Маховик використовує кінетичну енергію обертання для накопичення та вивільнення електроенергії. Він має наступні переваги та недоліки:
● Перевага: Накопичувачі енергії на маховиках дуже ефективні, мають високу щільність потужності, швидку реакцію, тривалий термін служби і є екологічно чистими. Він може працювати мільйони циклів без зносу, зберігати більше енергії на одиницю маси, ніж сучасні технології, швидко заряджатися і розряджатися з невеликими втратами і не виділяти парникових газів або забруднюючих речовин.
● Недолік: Накопичувачі енергії на маховиках мають низьку ємність, масштабованість, довговічність і безпеку. До його недоліків відносяться обмежена здатність до короткочасного зберігання енергії, складність масштабування шляхом додавання або видалення маховиків через проблеми з синхронізацією, чутливість до механічних пошкоджень або зносу підшипників чи роторів, а також потенційна небезпека вибуху або фрагментації у разі пошкодження або перевищення швидкості обертання.
Які основні сфери застосування літій-іонних акумуляторів для зберігання енергії?
Деякі з застосувань, для яких потрібні літій-іонні акумулятори для зберігання енергії, включають
● Електромобілі (EV): Електромобілі сьогодні набувають все більшої популярності, оскільки вони роблять дорожній рух простішим, швидшим і нешкідливим для навколишнього середовища. Ці електромобілі потребують легкого, довговічного джерела енергії, що швидко заряджається, яке пропонують літій-іонні акумулятори. Літій-іонні батареї мають високу щільність енергії та низьку швидкість саморозряду. Тому вони найкраще підходять для живлення електромобілів, що дозволяють людям їздити на великі відстані з невеликим часом заряджання.
● UPS: Літій-іонні акумулятори зберігають велику кількість енергії протягом тривалого часу, що робить їх хорошим джерелом резервного живлення в разі перерви в електропостачанні. ДБЖ та інші аварійні джерела безперебійного живлення використовують літій-іонні акумулятори для зберігання енергії, щоб забезпечити миттєве резервне живлення при зникненні електроенергії.
● Портативні технології зберігання енергії: Павербанки та інші портативні системи зберігання енергії використовують літій-іонні акумулятори. Літій-іонні акумулятори мають невелику вагу, тому їх можна носити з собою.
● Портативні електронні пристрої: Ноутбуки та мобільні пристрої використовують літій-іонні акумулятори як надійне джерело живлення. Компанії-виробники портативних електронних пристроїв віддають перевагу літій-іонним акумуляторам за їхню довговічність, швидку і легку зарядку, високу щільність енергії, легкість і простоту обслуговування.
Приклади проєктів зберігання енергії на літій-іонних акумуляторах у промисловості та торгівлі
● Центр зберігання енергії FPL Manatee: Центр зберігання енергії FPL Manatee у Флориді потужністю 409 МВт/900 МВт-год є найбільшою у світі інтегрованою системою сонячних батарей. У поєднанні з існуючою сонячною електростанцією потужністю 74,5 МВт вона може забезпечити енергією понад дві години 329 000 будинків. Це також може заощадити клієнтам понад $100 мільйонів доларів, зменшивши потребу у виробництві викопного палива.
● Енергосховище на моховому полігоні, фаза ІІ: Енергосховище Moss Landing, другий етап проекту в Каліфорнії, потужністю 400 МВт/1 600 МВт-год, є однією з найбільших акумуляторних систем у світі. Воно може забезпечувати електроенергією близько 300 000 домогосподарств протягом чотирьох годин і розташоване на місці виведеної з експлуатації газової електростанції. Це також може допомогти зменшити викиди парникових газів і додати більше відновлюваної енергії в систему.
● Гамбіт Енергосховище: Проект Gambit Energy Storage у Техасі, потужністю понад 100 МВт/200 МВт-год, є ще однією помітною акумуляторною системою у Сполучених Штатах. Він може пропонувати мережеві послуги, включаючи управління частотою, підтримку напруги та перерозподіл навантаження, і належить компанії Tesla. Крім того, він може підвищити стійкість енергосистеми до несприятливих погодних умов.
Як розрахувати вартість зберігання енергії літій-іонного акумулятора?
Для визначення вартості зберігання енергії на літієвих акумуляторах можна використовувати вирівняну вартість зберігання енергії (LCOES), яка є відношенням загальної вартості акумуляторної системи до загальної кількості енергії, виробленої протягом її терміну служби. Початкові витрати, поточні витрати, ефективність, тривалість циклу і глибина розряду батареї - це лише кілька змінних, які впливають на LCOES.
Щоб розрахувати LCOES, ви можете скористатися цією формулою:
LCOES = (Авансові витрати + експлуатаційні витрати) / (Загальна кількість енергії, виробленої протягом усього життєвого циклу)
Висновок
Для зберігання та відпуску електроенергії з високою ефективністю, гнучкістю, масштабованістю, мінімальним обслуговуванням та екологічною безпекою використовуються літій-іонні акумуляторні батареї.
Вони можуть зберігати більше енергії на одиницю об'єму або маси, ніж традиційні батареї, швидко реагувати на зміну попиту або пропозиції енергії, працювати в багатьох режимах, витримувати сотні циклів і не виділяти парникових газів або забруднюючих речовин. Загалом, це чудовий спосіб зберігання енергії в малих чи великих масштабах.
