Magazyny energii

Baterie elektrochemiczne, czyli akumulatory, pozwalają przechowywać energię w łatwej do odzyskania postaci. Zaletami akumulatorów jest wysoka wartość parametru gęstości energii. Gęstość energii to jednostkowa ilość zgromadzonej energii elektrycznej, która może być przedstawiona objętościowo, bądź masowo. Minusem korzystania z akumulatorów jest ich samorozładowanie, zużycie akumulatora objawiające się zmianą parametrów – tzw. starzenie się baterii, długi czas ładowania, wpływ temperatury na akumulator oraz w przypadku niektórych rozwiązań technicznych krótki czas życia.

W rozwiązaniach stosowanych w magazynach energii używa się dwóch rodzajów akumulatorów: kwasowo-ołowiowe oraz litowo-jonowe.

Rodzaje magazynów energii

Akumulatory kwasowo-ołowiowe osiągają sprawność rzędu 70%. Cechuje je niska cena, prosty układ ładowania oraz możliwość krótkotrwałego obciążenia dużymi prądami. Powoduje to, że wykorzystywane są w systemach zasilania gwarantowanego (UPS). Ich znaczącym minusem jest krótka żywotność (rzędu 1000 cykli ładowanie-rozładowanie) i ich budowa. W akumulatorze kwasowo ołowiowym elektrolit jest w stanie płynnym, co powodować może wycieki, a to powoduje konieczność uzupełniania elektrolitu. W celu zniwelowania tego problemu akumulatory kwasowo-ołowiowe wykonuje się  jako bezobsługowe:

• SLA – Sealed Lead Acid – szczelne ołowiowo-kwasowe
• VRLA – Valve Regulated Lead – Acid – kwasowo-ołowiowe z zaworami regulacyjnymi

Produkuje się je w dwóch technologiach:

• Akumulatory żelowe, w których wodny roztwór kwasu siarkowego po wymieszaniu z krzemionką ma konsystencję żelu i mieszanina ta spełnia rolę elektrolitu. Jednak to rozwiązanie ma wadę w postaci ograniczenia rozładowywania dużymi prądami, co powoduje, że są rzadziej stosowane w układach wysokomocowych.
• Akumulatory AGM (Absorbed Glass Mat), w których elektrolit jest zaabsorbowany w separatorze wykonanym z porowatej masy szklanej.

Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) osiągają sprawność rzędu 94%. Ogniwa te są jednymi z najlżejszych, dlatego wykorzystywane są w sprzęcie elektronicznym. Na przestrzeni lat zaczęto używać ich w pojazdach elektrycznych. Akumulatory używane w pojazdach elektrycznych są bardziej wytrzymałe (akumulatory te mają trwałość sięgającą kilkudziesięciu lat co w przeliczeniu na cykle ładowania, może dochodzić do 1800 cykli ładowanie-rozładowanie) od swoich elektronicznych odpowiedników, oraz są wyposażone w układy chłodzenia i ogrzewania. Ogniwa te mogą być szybko ładowane od 0 do 80% w 15 – 30 minut bez znaczącego wpływu na ich żywotność. Ze względu na osiągnięcia w dziedzinie elektromobilności patrzy się więc na wykorzystanie akumulatorów litowo-jonowych, jako stacjonarnych magazynów energii przy instalacjach odnawialnych źródeł energii, które charakteryzują się nieregularną i niestabilną pracą.

Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH) osiągają sprawności dochodzące do 92%, przy żywotności dochodzącej do 2000 cykli ładowanie-rozładowanie. Najważniejszą zaletą tych ogniw jest, że nie zawierają one toksycznego kadmu. Ogniwa te charakteryzują się wysoką gęstością energii, pojemnością oraz zmniejszonym efektem pamięciowym. Ich wadą jest brak możliwości oddawania dużych prądów. Akumulatory NiHM są podatne na samorozładowanie, jednak producenci coraz bardziej rozwijają technologię, przez co zmniejsza się wartość samorozładowania.

Kompensacja mocy biernej przy wykorzystaniu banków energii

Systemy zasilania gwarantowanego (UPS) wykorzystuje się do zasilania ważnych odbiorników w razie zaniku napięcia z sieci, bądź zabezpiecza się wrażliwe elementy przed zakłóceniami z sieci.

W układach UPS instaluje się kondensatory, co powoduje, że pobierana z sieci jest nie tylko moc czynna, ale też bierna pojemnościowa. Dodatkowo w nowszych rozwiązaniach konstrukcyjnych wykorzystuje się układy korekty współczynnika mocy (PFC), które pozwalają na ograniczenie zawartości wyższych harmonicznych oraz co za tym idzie zmniejszenie poboru mocy biernej. Rozwiązanie to przekłada się na zwiększenie współczynnika mocy cosφ przy pełnym obciążeniu. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie przesuwnika fazowego w obwodzie wejściowym, co powoduje, że moc wejściowa pojemnościowa jest sprowadzana do zera.

Jak zbudowany jest magazyn energii elektrycznej?

W przypadku systemu magazynowania energii wyróżnić można następujące elementy składowe:

• przetwornica dwukierunkowa – jest to przekształtnik DC/AC i AC/DC,
• zasobnik bateryjny – bateria akumulatorów chemicznych,
• kontroler baterii BMS,
• programowalny kontroler – jego celem jest zarządzanie algorytmami
• układ nadzoru i wizualizacji pracy GUI (Graphic User Interface) – jest to narzędzie umożliwiające użytkownikowi na nadzór i kontrolę nad instalacją magazynującą,
• elementy pomocnicze zapewniające podłączenie do sieci – opomiarowanie instalacji lub np. transformator separujący.

Elementem, który zasługuje na dokładne omówienie, jest przetwornica dwukierunkowa. Jest to przekształtnik DC/AC i AC/DC, którego zadaniem jest kontrola procesu ładowania i rozładowania baterii, a także wymiana energii między siecią elektroenergetyczną a magazynem. Zadaniem przetwornicy jest zapewnienie odpowiednich parametrów napięcia oraz w przypadku ewentualnego przeciążenia odpowiedni prąd szczytowy. Układ ten musi mieć zdolność zapewnienia pracy synchronicznej z siecią, a w przypadku blackoutu powinien zapewniać pracę zasobnikową. Dodatkowo przetwornica musi „dbać” o baterię, czyli ładować zgodnie z odpowiednimi charakterystykami, tak aby jej nie przeładować, zapobiegać przegrzewaniu baterii oraz chronić przed procesem rozbiegania termicznego. Przekształtnik ten powinien móc komunikować się z układem nadzoru baterii (BMS) oraz powinien zapewniać izolację galwaniczną systemu przez np. wyposażenie układu w transformator wyjściowy.