Домашние системы накопления энергии: основа - батареи

Рынок бытовых систем хранения энергии

Рынок бытовых систем хранения энергии может быть пока не очень большой, но он набирает обороты. Эти системы требуют профессиональной установки, поэтому они представляют новый рынок для электрических подрядчиков. По мере того, как производители и коммунальные услуги выходят за пределы пилотной стадии и переходят в мейнстрим, это хорошее время для всех, чтобы больше узнать о батареях, которые поддерживают эти системы хранения и работают.

Показатели продаж в первом квартале 2018 года подчеркивают траекторию этого рынка. В общей сложности Соединенные Штаты добавили 126 мегаватт-часов (МВт-ч) емкости для хранения энергии, увеличив на 26 процентов по сравнению с предыдущим кварталом, согласно отчету Мониторинга хранения энергии США за 1 квартал 2018 года от GTM Research и Ассоциации хранения энергии. Жилые установки составили более четверти этой новой мощности. Более того, в отчете прогнозируется, что ежегодные установки в жилых домах могут превысить 1000 МВтч к 2020 году, а рыночная стоимость может достичь примерно 1,5 миллиарда долларов к 2023 году.

Сочетание падения цен на аккумуляторы и изменения стимулов для применения солнечных панелей на крыше частных домов способствуют этому росту. Регуляторные органы во многих регионах переосмысливают политику нетто-учета, которая кредитует владельцев солнечной энергии за электроэнергию, которую они производят, с той же скоростью, что и их киловатт-час (кВтч), по которой их соседи платят за электроэнергию, поставляемую сетью. Вместо этого, в таких штатах, как Калифорния и Гавайи, регуляторы стимулируют тех, кто может перенести использование энергии, генерируемой солнечной энергией, на периоды, когда солнце не светит, что сокращает необходимость запуска дорогостоящего и неэффективного производства на ископаемом топливе для встречи ранним вечером пикового спроса на электроэнергию.

В то время как солнечные штаты Калифорния и Гавайи были ответственны за 74 процента развертываний жилых домов в первом квартале 2018 года, тарифы на электроэнергию во время использования также начинают стимулировать внедрение в Аризоне и Техасе. Клиенты, которые выбирают эти планы, платят значительно больше за каждый киловатт-час в пиковые периоды в обмен на очень дешевое - в Техасе, иногда даже бесплатное - электричество в другое время дня. Путем сглаживания пиков спроса таким образом коммунальные службы могут отложить потребность в новых генерирующих установках и, возможно, вывести из эксплуатации устаревшие угольные и газовые установки, обычно используемые для пиковых нагрузок.

Основы литиевых батарей

Литий-ионная (li-ion) аккумуляторная технология предпочтительна практически для всех бытовых систем хранения. Это, конечно, не новый подход, так как он работает на наших мобильных телефонах и ноутбуках уже пару десятилетий. Но в течение последнего десятилетия производители совершенствовали свои литий-ионные продукты для удовлетворения потребностей электромобилей и, еще недавно, стационарных систем хранения. За последние несколько лет производственные мощности росли быстрыми темпами, и, хотя в последнее время периодически возникали проблемы с нехваткой поставок, цены падают с открытием каждого нового завода.

Вообще говоря, батареи, используемые в системах накопления энергии, а также в электромобилях, очень похожи на те, что используются в мобильных телефонах и планшетах, по словам Иана МакКленни, ведущего аналитика по передовым исследованиям батарей для Navigant Research.

«Это та же химия, - сказал он. «В целом, большая разница в бытовой электронике по сравнению с широкоформатными батареями заключается в балансе системы».

МакКленни процитировал вопросы управления температурой и батареями, которые являются более важными в электромобилях и системах хранения. Тем не менее, термин «литий-ионный» описывает широкий спектр химических комбинаций, которые можно регулировать для удовлетворения различных потребностей, в зависимости от устройства, которое должен поддерживать аккумулятор. Все используют литий в той или иной форме, но они сочетают его с различными другими материалами, включая никель, марганец, кобальт и алюминий, для создания рабочих характеристик, необходимых для любого конкретного применения. В общем, энергия и мощность - это две характеристики, которые химические вещества корректируют для улучшения показателей.

Эти два термина могут звучать одинаково, но на самом деле они описывают два разных аспекта работы аккумулятора. Энергия (выраженная в киловаттах или мегаваттах) - это просто количество «работы», хранимой в батарее. Чем больше энергии, тем больше расстояние между зарядами в автомобиле или больше времени разговора на мобильном телефоне. Мощность (выраженная в киловатт-часах или мегаватт-часах) - это скорость, с которой эта энергия разряжается, согласно Даниэлю Абрахаму, исследователю материалов из Аргоннской национальной лаборатории и ведущему исследователю литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, аккумулятор повышенной мощности может означать более быстрое ускорение в автомобиле. Кроме того, питание также работает в противоположном направлении, что приводит к возможности более быстрой зарядки.

В то время как в идеале, конечно, должна быть батарея с высокой удельной энергией и высокой удельной мощностью, эта цель просто невозможна с современной технологией, по крайней мере, не приводя к нестабильному состоянию батареи. В результате производители работают с химическими составами, чтобы наилучшим образом соответствовать потребностям конкретных применений, что также включает количество циклов зарядки, которые химический состав позволяет, прежде чем мощность падает до неприемлемых уровней.

Эта потеря плотности энергии является одной из причин того, что аккумуляторы мобильных телефонов теряют способность удерживать заряд через пару лет или около 500 циклов. Это компромисс, который позволяет использовать легкую, относительно дешевую батарею, способную запускать несколько приложений на вашем телефоне.

Однако в бытовых хранилищах плотность энергии, как правило, является более важной характеристикой. Если вы не помогаете поддерживать работу коммунальных сетей, вы, вероятно, будете разряжаться с постоянной скоростью. И, учитывая стоимость этих блоков и тот факт, что они чаще всего устанавливаются вместе с солнечной системой на крыше, срок службы 10–20 лет или более будет приоритетным. По словам Джеймса Фрита, аналитика по хранению энергии в Bloomberg New Energy Finance, это составляет около 5000 циклов.

Это все о химии

Эти изменения в продолжительности жизни цикла в значительной степени связаны с химическим составом основных компонентов каждой батареи. Батареи такого размера, которые используются в транспортном средстве или системе хранения, на самом деле представляют собой наборы отдельных элементов батареи. Эти элементы, которые могут быть похожи на цилиндрическую батарею размера АА или более на металлическую пластину, содержат три основных компонента: катод (положительный вывод), анод (отрицательный вывод) и транспортную среду, называемую электролитом. Мембранный сепаратор между катодом и анодом предотвращает соприкосновение этих двух элементов и создание короткого замыкания. Литий-ионные аккумуляторы генерируют электроны (или ток) как ответвление химической реакции, которая происходит, когда ионы лития проходят от анода к катоду. Во время перезарядки эти ионы проходят через электролит, чтобы присоединиться к аноду.

В то время как аноды литий-ионных батарей почти всегда являются графитовыми, химический состав катода может варьироваться. Например, аккумуляторы для ноутбуков и мобильных устройств часто используют оксид кобальта лития для катода. Однако, по словам Фрита, в батареях, используемых в стационарных системах хранения, чаще используется комбинация никеля, марганца и кобальта в различных пропорциях. Каждое изменение в соотношении этих ингредиентов имеет свои преимущества и риски.

Фрит объяснил, как изменения на молекулярном уровне влияют на производительность батареи.

«Играя с соотношением - удаляя кобальт и увеличивая количество никеля, вы увеличиваете плотность энергии», - сказал он. «Но это начинает вызывать беспокойство относительно стабильности материала и того, сколько циклов вы можете извлечь из него. Многие компании работают над этим в настоящее время».

Сокращение доли кобальта в смеси или даже полная его замена является целью по нескольким причинам, помимо возможного ускорения, которое может обеспечить увеличение плотности энергии батареи. Во-первых, как отметил Фрит, кобальт стоит дорого, поэтому ограничение его использования может помочь снизить затраты. Во-вторых, материал вызывает серьезные этические проблемы. По данным исследовательской группы Benchmark Mineral Intelligence, более двух третей кобальта в мире в настоящее время поставляется шахтами в Демократической Республике Конго. По оценкам ЮНИСЕФ, в этих шахтах сейчас работают 40 000 детей.

Технология с прочной силой

Вероятно, литий-ионная технология останется предпочтительной для стационарных систем  и электромобилей, хотя производители будут продолжать улучшать свои текущие характеристики.

«Я думаю, что литий-ионный спектр химии будет существовать долгое время - по крайней мере, пару десятилетий», - сказал Абрахам.

Он предсказывает, что это будет доминирующая химия через пять лет, и он предположил, что через 20 лет она останется в миксе.

EV батареи: использовать повторно или перерабатывать?

Хотя ожидается, что аккумуляторы электромобилей выдержат до 10 лет циклов зарядки, их удельная мощность в конечном итоге упадет ниже допустимого уровня. Это не проблема сегодня; EV просто еще не было в эксплуатации в достаточно большом количестве. Некоторые автопроизводители начинают экспериментировать с включением использованных электромобилей в стационарные системы хранения. Однако другие предлагают использовать эти батареи для сбора кобальта, а другие ценные материалы могут быть более рентабельными.

«Это вторичное использование батарей», - сказал Дэниел Абрахам, исследователь батарей Аргоннской национальной лаборатории.

Потеря плотности мощности не может быть критической ошибкой в ​​стационарных устройствах хранения. Абрахам сказал, что Министерство энергетики США недавно предоставило Argonne грант на изучение вторичного использования батареи.

Тем не менее, аналитик Navigant Research по хранению энергии Ян МакКленни сказал, что существует целый ряд экономических и технических факторов, которые могут сделать этот подход более сложным, чем простой обмен по принципу «включай и работай».

«Вы должны разобрать батарейный блок, проверить срок службы каждого отдельного элемента, а затем сгруппировать каждый элемент по ожидаемой продолжительности жизни, - сказал он. - Это также зависит от типа батареи - некоторые не способствуют стационарному использованию».

С учетом того, что на батареи приходится 35–50 процентов от общей стоимости системы хранения, в результате снижение стоимости может составить лишь 10-процентную экономию по сравнению с совершенно новой системой. Кроме того, по словам МакКленни, старые батареи могут создавать проблемы с техническим обслуживанием, которые со временем увеличивают стоимость.

Подготовлена по материалам статьи: Chuck Ross, Electrical Contractor "Battery Basics: Home Energy-Storage Systems"