Выбор аккумулятора для автономного дома

Электрохимические аккумуляторы остаются наиболее распространённым накопителем энергии для независимого энергоснабжения в частном секторе. Однако на рынке имеется более дюжины разновидностей аккумуляторов, в которых электрохимические реакции происходят между другими веществами, нежели в обычных свинцово-кислотных АКБ. Некоторые модели по эксплуатационным характеристикам, более предпочтительны в системах альтернативной энергетики.

Аккумуляторы в системах автономного энергоснабжения

Характер и режим эксплуатации аккумуляторов в разных системах, выявляют их преимущества и недостатки для конкретных условий. Например, для мобильных устройств, одним из доминирующих требований к батарее, является малый вес и герметичность в любом положении. Для автомобиля, масса устройства не является определяющей, а более важна возможность выдавать сильный ток на морозе (стартерная нагрузка). В системах альтернативного энергоснабжения дома, вес и размеры аккумулятора имеют такое же значение, как поросячий визг при дегустации шашлыка из свинины, а количество циклов зарядки/разрядки ставится во главу угла.

Аналогичный подход следует применять при сопоставлении более актуальных параметров.

Особенности эксплуатации аккумуляторов в энергонезависимом доме

В полноценном жилом доме электричество требуется 24 часа в сутки и 365 дней в году. Разумеется, есть какие-то исключения, но они только подтверждают правила. Этим отличается эксплуатация аккумуляторов в автономных домах.

Ещё одно отличие в цикличности зарядки.

Сам принцип энергонезависимого дома базируется на использовании альтернативных источников энергии: Солнце, ветер, течение воды и частично геотермальные технологии. При этом первые два варианта, занимают около 95% в частном секторе. И именно для них характерна цикличность! Если для ветра она слабо предсказуема, то для солнечного света циклы день/ночь, определены на миллионы лет вперёд.

Другими словами, каждый день аккумулятор будет заряжаться, а ночью отдавать энергию. За один год пройдёт 365 циклов. В идеальных условиях эксплуатации, при скрупулёзном соблюдении глубины и скорости разряда, а также режима зарядки, 1500 циклов для хорошего свинцово-кислотного аккумулятора можно растянуть на 4 года.

Важно отметить, что из блока свинцово-кислотных аккумуляторов нельзя заменять какую-то одну батарею!

Например, в энергонезависимом доме система хранения энергии обеспечена блоком из 4 АКБ по 200 А*ч каждый. В сумме они дают 800 А*ч. Если через полтора – два года эксплуатации один из аккумуляторов выйдет из строя, то заменить его таким же новым невозможно! Ведь за время работы, все аккумуляторы в системе равномерно снижали ёмкость, что влияло на прочие характеристики. Интеллектуальное зарядное устройство подстраивает режим заряда под эти параметры. А у нового элемента характеристики эксплуатации «паспортные», выделяющиеся из общей системы.

Стоимость же всего блока аккумуляторов, при грамотном проектировании, приближается к цене генерирующих элементов, в данном случае солнечных панелей.

Требования к аккумуляторам в системе альтернативного энергоснабжения

Идеальный аккумулятор для домашней системы хранения энергии должен:

• Выдерживать максимально возможное количество циклов зарядки;
• Обладать высокой энергоёмкостью;
• Быть неприхотливым в обслуживании и эксплуатации;

И особенно важно, что эти параметры должны коррелироваться со стоимостью батареи. Например, есть два типа аккумуляторов емкостью 100 А*ч и напряжением 12 V:

1. Свинцово-кислотный;
2. Литий-железо-фосфатный аккумулятор(LiFePO₄).

В идеальной системе при лабораторном соблюдении режима эксплуатации, каждая из батарей сможет выдать:

1 Допустимая глубина разряда 80%, потребитель получает 20% указанной ёмкости. Для вычисления объёма запасённой мощности, умножаем 20 А*ч на среднее напряжение 12 V, и получаем 144 Вт*ч.

Количество циклов 1500, суммарно за время работы батарея выдаст 216 кВт*ч

2  Допустимая глубина разряда 20%, потребитель получает 80% указанной ёмкости. 80 А*ч Х 12 V = 960 Вт*ч.

Количество циклов от 2 до 7 тысяч, возьмём среднее 4500 циклов, и получим: 960 Вт*ч Х 4500 = 4320 кВт*ч

ВАЖНО: для упрощения в описанном сравнении, не принимались в расчёт постепенное снижение ёмкости и скорость разряда!

Разница в объёме накопленной энергии 20 раз. Стоимость LiFePO₄ АКБ ёмкость 100 А*ч около 45 т.р., а обычный свинцово-кислотный с такой же ёмкостью обойдётся в 10 т.р.

Но при этом, LiFePO₄ АКБ полностью заряжается всего за 1 час, а при отдаче энергии, выходное напряжение остаётся стабильным до полной разрядки. Т.е. в эксплуатации очень неприхотливый.

Общая формула выбора оптимального аккумулятора для энергонезависимого дома выглядит так: Покупная цена ÷ (Полезная емкость × Жизненный цикл).

Виды аккумуляторов для автономного энергоснабжения

Обычные свинцово-кислотные аккумуляторы можно не рассматривать подробно, ибо характеристики их эксплуатации в системах альтернативной энергетики изучены и описаны. Но именно эти АКБ будут браться для сравнения, как наиболее распространённый тип, поэтому напомним, что у них:

1. Максимальная глубина разряда 20% (80% должно остаться);
2. Количество рабочих циклов при идеальном контроле эксплуатации ≈1200;
3. Высокая чувствительность к изменению рекомендованного режима эксплуатации (скорость и глубина разряда, температура и скорость зарядки и т.п.).

Единственное замечание по хитрому ходу маркетологов, которые гарантируют работу в буферном режиме таких батарей в течении 5 и даже 10 лет.

Дело в том, что буферный режим и энергонезависимый дом это абсолютно разные категории. В буферном режиме, аккумулятор всегда находится на подзарядке, а в работу он включается очень редко! Ну например на вышках сотовых станций, аккумуляторы работают в буферном режиме, и в работу они включаются только в экстренных случаях, когда в сети пропадает напряжение. Такое может случаться раз в месяц, или в квартал.

В доме получающим энергию из альтернативных источников, в лучшем случае днём идёт зарядка, ночью разряд. Если же источником энергии служит ветрогенератор, то цикличность может меняться чаще – на то он и ветер, чтобы быть непредсказуемым.

Скорость разрядки тоже серьёзно сказывается на ёмкости АКБ. Это явление называется эффект Пойкерта. Скорость разряда обозначается C₁, C₅, C₁₀, C₂₀ и т.д., где цифровой индекс означает, за сколько часов батарея разрядилась до максимально допустимой величины. Например, при C₅ разрядка до 80% будет идти в течении 5 часов, если C₂₀, значит энергию аккумулятор будет отдавать 20 часов.

Стандартные характеристики действительно при C₁₀. Более высокая скорость разряда снижает ёмкость, и наоборот. Например при C₂₀, ёмкость АКБ 100 А*ч, фактически увеличиться до 115 А*ч.

Эти правила относятся почти ко всем типам аккумуляторов, но на свинцово-кислотных они проявляются на 100%.

Из приведённой формулы выводит индекс для свинцово-кислотного аккумулятора: 10000 р / (20 А*ч х 1200 циклов) ≈ 0,41 р/кВт*ч.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO₄)

Этот тип аккумуляторов входит в разновидность литий-ионных батарей. Но у них для катода применяется LiFePO₄. У этих батарей есть ряд существенных преимуществ:

• Допустима разрядка на 80% (остаётся 20%);
• 7000 циклов при разряде на 50%;
• Стабильное напряжение на выходе до полной разрядки;
• Эффект Пойкерта почти не проявляется (очень слабо выражен);
• Температура эксплуатации от -30 до +55˚C.

Но такие привлекательные характеристики отразились на стоимости. LiFePO₄ АКБ ёмкостью 100 А*ч стоит 45 т.р.

Индекс окупаемости для батареи 100 А*ч в режиме щадящей эксплуатации: 45000 р / (50 А*ч х 7000) ≈ 0,12 коп/кВт*ч.

Есть литий-железо-фосфатные АКБ и большей ёмкости. По себестоимости за кВт*ч они обходятся дешевле.

Литий-титанатные аккумуляторы (Li₄Ti₅O₁₂)

Эта батарея тоже из сегмента литий-ионных аккумуляторов, но в ней уже отрицательный электрод сделан из литиевой соли титанатной кислоты (Li₄Ti₅O₁₂). Такая модернизация произвела фурор в этом сегменте альтернативной энергетики, ведь литий-титанатные батареи:

• Могут заряжаться за 12-15 минут;
• Допускают уровень разряда до 20% (80% отдаётся);
• Обеспечивают до 25000 циклов зарядки!
• Саморазряд около 0,6% в месяц;
• Диапазон рабочих температур от -30 до + 60˚C.

У литий-титанатных аккумуляторов есть слабое место – напряжение одной ячейки 2,4 V. Это требует применения специальных контроллеров заряда и снижает абсолютную энергоёмкость в пересчёте на единицу массы. Но феноменально высокая продолжительность работы делает эти аккумуляторы очень удобными в системах автономного энергоснабжения.

Кстати, производители электромобилей избегают устанавливать в свою продукцию эти батареи. Ведь они будут работать дольше, чем сам автомобиль!

Индекс окупаемости для Li₄Ti₅O₁₂ АКБ ёмкостью 120 А*ч: 33500/ (96 х 10000) = 4 копейки/кВт*ч.

Железно-никелевые аккумуляторы (NiFe)

В отличии от предыдущих моделей, это щелочная батарея, где положительный электрод железный, отрицательный электрод из гидрата окиси никеля, а электролит – концентрированный раствор гидроокиси калия и лития. Впервые такую батарею сделал Эдисон, в самом начале 20-го века, и именно от неё запитывались первые электромобили. Т.е. технология проверенная, но у железо-никелевых АКБ есть слабое место – саморазряд достигает 35% в месяц (≈1%/сутки) и напряжение одной ячейки всего 1,2 V. Но зато по всем остальным параметрам у них нет конкурентов:

• Стандартная глубина разряда на 80% (остаётся 20%);
• Зарядка более высоким или низким током не влияет на ёмкость и продолжительность эксплуатации;
• Снижение ёмкости около 10% за 10 лет. Замена электролита восстанавливает первоначальную ёмкость (рекомендация производителя);
• Продолжительность работы железо-никелевой батареи измеряется не циклами, а годами! Производитель гарантирует 30-50 лет работы при доливе дистиллированной воды раз в месяц и замене электролита раз в 10 лет;
• Допускается превышение скорости разрядки в 4 раза без изменения характеристик,

Особую привлекательность железно-никелевым аккумуляторам даёт побочный эффект при зарядке. Дело в том, что около 30% энергии тратится на электролиз, с выделением водорода. В оптимальной комбинации, водород собирается в специальные металлогидридные баллоны, а потом может питать топливный элемент. В этой компоновке КПД железо-никелевого накопителя энергии повышается до 98%!

Кстати, в США и Канаде есть NiFe АКБ, которые работают уже 70-80 лет, и в замене не нуждаются.

Индекс окупаемости просчитать достаточно сложно, ибо нет установленной цикличности. При соблюдении минимальных требований к профилактике, железно-никелевый аккумулятор покупается один раз и на всю жизнь. Может быть именно поэтому они не популяризируются в частном секторе.

Ванадиевый проточный аккумулятор

Это одна из последних разработок, который аккумулятором назвать сложно, ибо производители и разработчики называют его накопителем энергии. Даже ёмкость ванадиевых аккумуляторов измеряется не Ампер-часами, а запасёнными киловаттами энергии! Но относится он именно к электрохимическим устройствам, хотя принцип его работы отличается от всего, что производилось раньше.

Схематично это можно представить как два резервуара, разделённых мембраной. В них находится один и тот же раствор, но во время зарядки, элементы в каждом резервуаре, приобретают нужную валентность. Для ванадиевых аккумуляторов, рабочее вещество оксид ванадия, но в продаже уже несколько лет есть проточные АКБ на растворе бром-цинк, и даже цинк-церий.

У них уникальная масштабируемость – для увеличения энергоёмкости, надо только увеличивать объём раствора. Но зато они могут разряжаться на 100%, без вреда для рабочих характеристик. Во время испытаний, в Японии за два года провели 200000 циклов зарядки/разрядки ванадиевой батареи, и характеристики не изменились.

Австралийский производитель Redflow уже 4 года реализует бром-цинковый проточный аккумулятор ZCell. При габаритах 0,48 х 1,16 х 1,02 м, и массе 290 кг, он запасает 10 кВт энергии.

В США ванадиевые накопители производите фирма Primus Power. И среди её инвесторов, есть и РосНано. Вот в какие аккумуляторы вкладывает деньги Россия.