Домашні системи накопичення енергії: основа - батареї

Ринок побутових систем зберігання енергії

Ринок побутових систем зберігання енергії може бути поки не дуже великий, але він набирає обертів. Ці системи вимагають професійної установки, тому вони представляють новий ринок для електричних підрядників. По мірі того, як виробники і комунальні послуги виходять за межі пілотної стадії і переходять в мейнстрім, це гарний час для всіх, щоб більше дізнатися про батареях, які підтримують ці системи зберігання і працюють.

Показники продажів в першому кварталі 2018 року підкреслюють траєкторію цього ринку. У загальній складності Сполучені Штати додали 126 мегават-годин (МВт-год) ємності для зберігання енергії, збільшивши на 26 відсотків у порівнянні з попереднім кварталом, згідно зі звітом Моніторингу зберігання енергії США за 1 квартал 2018 року від GTM Research і Асоціації зберігання енергії. Житлові установки склали більше чверті цієї нової потужності. Більш того, у звіті прогнозується, що щорічні установки в житлових будинках можуть перевищити 1000 Мвтг до 2020 року, а ринкова вартість може досягти приблизно 1,5 мільярда доларів до 2023 року.

Поєднання падіння цін на акумулятори та зміни стимулів для застосування сонячних панелей на даху приватних будинків сприяють цьому росту. Регуляторні органи в багатьох регіонах переосмислюють політику нетто-обліку, яка кредитує власників сонячної енергії за електроенергію, яку вони виробляють, з тією ж швидкістю, що і їх кіловат-година (квт / год), за якою їх сусіди платять за електроенергію, що поставляється мережею. Замість цього, в таких штатах, як Каліфорнія і Гаваї, регулятори стимулюють тих, хто може перенести використання енергії, що генерується сонячною енергією, на періоди, коли сонце не світить, що скорочує необхідність запуску дорогого і неефективного виробництва на викопному паливі для зустрічі рано ввечері пікового попиту на електроенергію.

У той час як сонячні штати Каліфорнія та Гаваї були відповідальні за 74 відсотки розгортання житлових будинків у першому кварталі 2018 року, тарифи на електроенергію під час використання також починають стимулювати впровадження в Арізоні і Техасі. Клієнти, які обирають ці плани, платять значно більше за кожен кіловат-годину в пікові періоди в обмін на дуже дешеве - в Техасі, іноді навіть безкоштовне електрику в інший час дня. Шляхом згладжування піків попиту таким чином комунальні служби можуть відкласти потреба в нових генеруючих установках і, можливо, вивести з експлуатації застарілі вугільні та газові установки, які зазвичай використовуються для пікових навантажень.

Основи літієвих батарей

Літій-іонна (li-ion) акумуляторна технологія краща практично для всіх побутових систем зберігання. Це, звичайно, не новий підхід, так як він працює на наших мобільних телефонах і ноутбуках вже пару десятиліть. Але протягом останнього десятиліття виробники вдосконалювали свої літій-іонні продукти для задоволення потреб електромобілів і, ще недавно, стаціонарних систем зберігання. За останні кілька років виробничі потужності зростали швидкими темпами, і хоча останнім часом періодично виникали проблеми з нестачею поставок, ціни падають з відкриттям кожного нового заводу.

Взагалі кажучи, батареї, які використовуються в системах накопичення енергії, а також в електромобілях, дуже схожі на ті, що використовуються в мобільних телефонах і планшетах, за словами Іана МакКленни, провідного аналітика за передовими дослідженнями батарей для Navigant Research.

«Це та ж хімія, - сказав він. «В цілому, велика різниця в побутовій електроніці порівняно з широкоформатними батареями полягає в балансі системи».

МакКленни процитував питання управління температурою і батареями, які є більш важливими в електромобілях і системах зберігання. Тим не менше, термін «літій-іонний» описує широкий спектр хімічних комбінацій, які можна регулювати для задоволення різних потреб, в залежності від пристрою, який повинен підтримувати акумулятор. Всі використовують літій в тій чи іншій формі, але вони поєднують його з різними іншими матеріалами, включаючи нікель, марганець, кобальт і алюміній, для створення робочих характеристик, необхідних для будь-якого конкретного застосування. Загалом, енергія і потужність - це дві характеристики, які хімічні речовини коригують для поліпшення показників.

Ці два терміни можуть звучати однаково, але насправді вони описують два різних аспекти роботи акумулятора. Енергія (виражена в кіловатах або мегаваттах) - це просто кількість «роботи», що зберігається в батареї. Чим більше енергії, тим більше відстань між зарядами в автомобілі або більше часу розмови на мобільному телефоні. Потужність (виражена в кіловат-годинах або мегават-години) - це швидкість, з якою ця енергія розряджається, згідно Даніелю Абрахама, досліднику матеріалів з Аргоннської національної лабораторії і ведучому досліднику літій-іонних акумуляторів. Таким чином, акумулятор підвищеної потужності може означати більш швидке прискорення в автомобілі. Крім того, харчування також працює в протилежному напрямку, що призводить до можливості більш швидкої зарядки.

У той час як в ідеалі, звичайно, повинна бути батарея з високою питомою енергією і високою питомою потужністю, ця мета просто неможлива з сучасною технологією, принаймні, не приводячи до нестабільного стану батареї. В результаті виробники працюють з хімічними складами, щоб щонайкраще відповідати потребам конкретних застосувань, що також включає кількість циклів зарядки, які хімічний склад дозволяє, перш ніж потужність падає до неприйнятних рівнів.

Ця втрата щільності енергії є однією з причин того, що акумулятори мобільних телефонів втрачають здатність утримувати заряд через пару років чи близько 500 циклів. Це компроміс, який дозволяє використовувати легку, відносно дешеву батарею, здатну запускати кілька додатків на вашому телефоні.

Проте в побутових сховищах щільність енергії, як правило, є більш важливою характеристикою. Якщо ви не допомагаєте підтримувати роботу комунальних мереж, ви, ймовірно, будете розряджатися з постійною швидкістю. І, враховуючи вартість цих блоків і той факт, що вони частіше усього встановлюються разом з сонячною системою на даху, термін служби, 10-20 років буде пріоритетним. За словами Джеймса Фріта, аналітика зберігання енергії в Bloomberg New Energy Finance, це становить близько 5000 циклів.

Це все про хімію

Ці зміни в тривалості життя циклу в значній мірі пов'язані з хімічним складом основних компонентів кожної батареї. Батареї такого розміру, які використовуються в транспортному засобі або системи зберігання, насправді являють собою набори окремих елементів батареї. Ці елементи, які можуть бути схожі на циліндричну батарею розміру АА або більше на металеву пластину, містять три основних компоненти: катод (позитивний висновок), анод (негативний висновок) і транспортну середу, звану електролітом. Мембранний сепаратор між катодом і анодом запобігає зіткнення цих двох елементів і створення короткого замикання. Літій-іонні акумулятори електрони генерують (або струм) як відгалуження хімічної реакції, яка відбувається, коли іони літію проходять від анода до катода. Під час перезарядки ці іони проходять через електроліт, щоб приєднатися до анода.

У той час як аноди літій-іонних батарей майже завжди є графітовими, хімічний склад катода може змінюватись. Наприклад, акумулятори для ноутбуків і мобільних пристроїв часто використовують оксид кобальту літію для катода. Однак, за словами Фріта, в батареях, що використовуються у стаціонарних системах зберігання, частіше використовується комбінація нікелю, марганцю і кобальту в різних пропорціях. Кожна зміна в співвідношенні цих інгредієнтів має свої переваги та ризики.

Фрит пояснив, як зміни на молекулярному рівні впливають на продуктивність батареї.

«Граючи з співвідношенням - видаляючи кобальт і збільшуючи кількість нікелю, ви збільшуєте щільність енергії», - сказав він. «Але це починає викликати занепокоєння щодо стабільності матеріалу і того, скільки циклів ви можете отримати з нього. Багато компаній працюють над цим в даний час».

Скорочення частки кобальту в суміші або навіть повна його заміна є метою з кількох причин, крім можливого прискорення, яке може забезпечити збільшення щільності енергії батареї. По-перше, як зазначив Фрит, кобальт коштує дорого, тому обмеження його використання може допомогти знизити витрати. По-друге, матеріал викликає серйозні етичні проблеми. За даними дослідницької групи Benchmark Mineral Intelligence, більше двох третин кобальту в світі в даний час поставляється шахтами в Демократичній Республіці Конго. За оцінками ЮНІСЕФ, в цих шахтах зараз працюють 40 000 дітей.

Технологія з міцною силою

Ймовірно, літій-іонна технологія залишиться кращою для стаціонарних систем і електромобілів, хоча виробники будуть продовжувати поліпшувати свої поточні характеристики.

«Я думаю, що літій-іонний спектр хімії буде існувати довгий час - принаймні, кілька десятиліть», - сказав Абрахам.

Він пророкує, що це буде домінуюча хімія через п'ять років, і він припустив, що через 20 років вона залишиться в міксі.

EV батареї: використовувати повторно або переробляти?

Хоча очікується, що акумулятори електромобілів витримають до 10 років циклів зарядки, їх питома потужність у кінцевому підсумку впаде нижче допустимого рівня. Це не проблема сьогодні; EV просто ще не було в експлуатації в досить великій кількості. Деякі автовиробники починають експериментувати з включенням використаних електромобілів в стаціонарні системи зберігання. Однак інші пропонують використовувати ці батареї для збору кобальту, а інші цінні матеріали можуть бути більш рентабельними.

«Це вторинне використання батарей», - сказав Деніел Абрахам, дослідник батарей Аргоннської національної лабораторії.

Втрата щільності потужності не може бути критичною помилкою в стаціонарних пристроях зберігання. Абрахам сказав, що Міністерство енергетики США нещодавно надало Argonne грант на вивчення вторинного використання батареї.

Тим не менш, аналітик Navigant Research по зберіганню енергії Ян МакКленни сказав, що існує цілий ряд економічних і технічних факторів, які можуть зробити цей підхід більш складним, ніж простий обмін за принципом «включай і працюй».

«Ви повинні розібрати батарейний блок, перевірити термін служби кожного окремого елемента, а потім згрупувати кожен елемент по очікуваної тривалості життя, - сказав він. - Це також залежить від типу батареї - деякі не сприяють стаціонарного використання».

З урахуванням того, що на батареї доводиться 35-50 відсотків від загальної вартості системи зберігання, в результаті зниження вартості може становити лише 10-відсоткову економію в порівнянні з абсолютно новою системою. Крім того, за словами МакКленни, старі батареї можуть створювати проблеми з технічним обслуговуванням, які з часом збільшують вартість.

Підготовлено за матеріалами статті: Chuck Ross, Electrical Contractor "Battery Basics: Home Energy-Storage Systems"