Тема 4. Электрические накопители энергии (2 часа
advertisement
Тема 4. Электрические накопители энергии (2 часа) Производство и потребление различных видов энергии в мире растет быстрыми темпами, определяя прогресс во всех областях жизнедеятельности человека. Также усложняются процессы преобразования энергии, расширяется многообразие установок и агрегатов энергопотребления. Помимо роста количественных показателей энергообеспеченности промышленности, транспорта, быта и т. п. все большую роль начинают играть показатели качества использования энергии, что связано с рациональным использованием энергии на различных стадиях ее преобразования. Значительное место в решении возникающих при этом проблем отводится накопителям энергии, являющихся важным промежуточным звеном между системами генерирования и системами распределения и потребления энергии. Целый ряд областей человеческой жизнедеятельности потенциально может значительно перемениться в лучшую сторону при замещении нынешних энергоносителей на электроэнергию, либо при изменении существующих способов её передачи и хранения. Для создания запаса электроэнергии или ее распределения вне сети (например, для питания мобильных электронных устройств или запуска двигателя автомобиля) она должна быть преобразована в другие виды энергии. Наиболее популярным является использование для этой цели химических вторичных источников тока – электрохимических аккумуляторов, в которых происходит преобразование электрической энергии в химическую энергию связи веществ и соединений (заряд аккумулятора) или обратное преобразование (разряд). Накопители электрической энергии являются важнейшим элементом хранения и накопления энергии. Если повысить качество и надежность электрических накопителей, то возможно: уменьшение энергетических и экономических потерь; обеспечение повышения надежности электросети; отсрочка расширения мощности сети; обеспечение бесперебойного питания особо важных объектов, собственных нужд электростанций и подстанций; сглаживание колебаний мощности, стабилизации работы электрических систем; уменьшение размеров источников питания с длительным сроком работы без перезарядки; сохранение природного топлива в связи с меньшими энергозатратами; улучшение экологической обстановки благодаря использованию накопителей энергии. Существует много различных классификаций накопителей электрической энергии. Наиболее удобной с практической точки зрения представляется классификация на электрохимические и физические накопители энергии. Первые – преобразуют электрическую энергию в химическую энергию веществ, вторые – в механическую энергию. К электрохимическим накопителям энергии относятся емкостные накопители, молекулярные накопители энергии, индуктивные накопители, аккумуляторные батареи, сверхпроводящие индуктивные накопители и др. Все типы электрохимических накопителей подключаются к сети через преобразователи (инверторы). К физическим накопителям электроэнергии в основном относятся два вида комплексов: кинетические накопители энергии (маховики); гравитационные накопители энергии (ГАЭС). Рассмотрим подробнее виды электрохимических накопителей энергии. Емкостные накопители энергии (ЕНЭ) относятся к разряду наиболее мощных энергоисточников. Они надежны в работе, обладают высокой эффективностью передачи накопленной энергии в нагрузку, допускают возможность изменения в широких пределах параметров импульса. Для зарядки ЕНЭ могут быть использованы маломощные зарядные устройства. Вследствие малой удельной энергоемкости создание емкостных накопителей энергии с запасаемой энергией более 10 МДж затруднительно. Увеличение удельной энергоемкости возможно за счет применения более совершенных компонентов при изготовлении конденсаторов, совершенствования технологии их сборки, уменьшения ресурса (числа пусков) и др. Емкостные накопители энергии пригодны для работы в режиме генерирования периодических импульсов, однако при повышении частоты следования импульсов параметры ухудшаются вследствие снижения допустимых удельных параметров конденсаторов и наличия в составе системы все более мощного источника зарядки. Молекулярные накопители энергии (МНЭ) представляют собой конденсаторы с двойным электрическим слоем. Они отличаются от обычных импульсных конденсаторов тем, что для пространственного разделения разноименных зарядов, создающих рабочее электрическое поле, используются не макроскопический диэлектрический слой между проводящими обкладками, а микроскопический поляризованный слой на границе поверхности раздела двух сред. МНЭ относятся к классу симметричных двухслойных суперконденсаторов биполярной конструкции в герметичном корпусе на основе активированных углей в связанном водном щелочном электролите. Данная система обладает достаточно высокими энергомощностными характеристиками для эффективного применения в качестве быстро заряжаемого импульсного источника тока с рабочим напряжением заряда до 500 В и практически неограниченным количеством циклов заряд-разряд. Исследованиями установлено, что максимальная плотность энергии в пределах 102-103 Дж/см3 при минимальной утечке тока может быть достигнута, если осуществляется контакт полупроводника или металла с диэлектрической (электронно-изолирующей) молекулярной жидкостью, содержащей парные подвижные ионы. К настоящему времени исследованы системы МНЭ с удельной энергией 40-50 Дж/см3, что примерно в 100 раз превышает удельную энергию известных конденсаторов. Удельная средняя мощность МНЭ составляет в зависимости от длительности разряда величину 0,1-10 кВт/кг, что существенно превышает удельную мощность традиционных накопителей энергии (в том числе и аккумуляторов). Однако возможность использования данных накопителей значительно ограничена тем, что для них минимальная длительность разряда характеризуется миллисекундными временами, а генерируемые токи – единицами килоампер. Таблица 4.1. Применение молекулярных накопителей энергии. № Область применения Параметры МНЭ п.п 1 1 Особенности эксплуатации Бортовые системы пуска дизелей тяжелых 0-30В,100-220Ф, грузовиков 30-63кДж (при24В), (МАЗ, БелАЗ, УралАЗ, 0,005-0,003 Ом +/- 50°С 15 лет КамАЗ) 2 2 Конденсаторная система пуска дизелей тепловозов мощностью до 2000 л.с. 3 3 75В, 3 x 25Ф, 150кДж(64В), 0,013 Ом, 12 лет 110В, 2 x 10Ф, 80 000 пусков 92кДж(96В), 0,040 Ом Передвижные пусковые 12 и 24 В, +/- устройства серии ППУ-1 0-15-30В, 2 x 700Ф, 50°С для пуска автомобильных 100кДж (12 или 24В), 15 лет двигателей мощностью до 0,002 Ом 100 000 500 л.с. 4 Автономные энергоагрегаты серии АЭ-1 для 4 пусков предпусковой подготовки и запуска дизельных и газотурбинных двигателей 0-30В, 2 x 180Ф….6 x 240Ф, 140-560кДж (28В),0,003 Ом Заряд МНЭ 24-29В. 12 лет мощностью 500 - 2500 л.с. 5 Мобильное рентгеновское 0-420В, 0,65Ф, 57кДж, 0,05-6 с, 5 медицинское 0,45 Ом 7 лет оборудование 0-350В, 0,95Ф, 58кДж, 0,35 Ом Индуктивные накопители энергии (ИНЭ) характеризуются высокими выходными параметрами электрического импульса (более 1011 Вт), а также высокими удельными и экономическими показателями. Освоен уровень накапливаемых энергий ~108 Дж. Широкое практическое использование ИНЭ ограничивается надежностью коммутирующей аппаратуры многоразового действия. Для накачки энергии в ИНЭ используются источники тока с большой электрической мощностью, чтобы уменьшить время зарядки до секунд. В противном случае джоулевы потери энергии при запитке ИНЭ могут оказаться сравнимыми с запасаемой в накопителе энергией. Для запитки ИНЭ могут быть использованы генераторы), электромашинные МГД-генераторы накопители (ударные кратковременного и синхронные действия, химические источники тока. Уровень мощности источников накачки должен быть согласован со временем сохранения энергии в накопителе. По времени сохранения различают резистивные (~1-10 с), криорезистивные с охлаждением до температур жидкого азота (~10-100 с) и сверхпроводящие накопители с охлаждением до температур жидкого гелия. При температуре жидкого азота (77 К) активное сопротивление электротехнического алюминия уменьшается примерно в пять раз, что снижает требуемую мощность источника запитки ИНЭ такого типа. При температуре жидкого неона (20 К) сверхчистый алюминий (0,9999) теряет сопротивление на три порядка, что приблизило бы его по параметрам запитки к сверхпроводящим ИНЭ. Однако в режимах генерации серий импульсов эти системы с криоохлаждением теряют свои преимущества изза медленного (минуты) возврата температуры проводника к исходному состоянию после нагрева предыдущим импульсом. Самый крупный индуктивный накопитель ТИН-900 создан в России. Запас энергии - 900 МДж с током 1,8 МА при времени разряда 0,5 с. Применяется в различных дизельных роторных системах, которые защищают от всех сбоев электропитания и обеспечат бесперебойную и непрерывную подачу электроэнергии. В режиме питания от сети общего пользования система функционирует как источник стабилизированного питания, которые устраняют короткие перебои, пики и провалы в сети. Если произойдет отключение сети общего пользования, система сразу же начнет обеспечивать питание без какихлибо задержек или помех. Резервное питание будет подаваться до тех пор, пока не израсходуется топливный бак. Для образования искры в свече зажигания в автомобиле с воздушным зазором, на ее электроды подается высокое напряжение, источником которого на современных легковых автомобилях является индуктивный накопитель энергии — катушка зажигания. Как только разность потенциалов на электродах свечи достигает значения пробивного напряжения, между электродами происходит электрический разряд, который и создает искру. Основной особенностью современной энергетики является почти полная невозможность складировать энергию про запас – все произведенные киловаттчасы должны быть сразу и потреблены. Работа же большинства потребителей электроэнергии неравномерна в течение суток. График нагрузки отдельного города, района или области имеет свои максимумы и минимумы потребления, которые приходятся, как правило, на дневные и ночные часы соответственно. Это приводит к тому, что днем генерирующие мощности нередко работают на пределе, а ночью, наоборот, имеется избыток энергии, который некуда девать. Энергетики предпринимают различные меры по сглаживанию графика суммарной нагрузки. Однако в целом сейчас возможности выравнивания потребления в энергосистеме невелики. Разрешить эту ситуацию могли бы накопители энергии, запасающие драгоценные киловатт-часы в периоды малого потребления и выдающие их в пиковое время. Применение накопителей энергии в электроэнергетике позволяет решить две важные задачи: снизить затраты на производство электроэнергии и увеличить надежность энергосистем в целом. Накопители позволяют добиться повышения устойчивости энергосистем и повышают их надежность. Затраты уменьшаются за счет сглаживания пиков нагрузки и поддержания тем самым режима турбогенераторов в области максимального КПД (наименьшие затраты и наибольшая производительность). До недавнего времени единственным приемлемым типом накопителя энергии считались гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Однако с появлением новых материалов эта проблема в скором времени может быть решена. Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИНЭ) имеют широкие перспективы использования, обусловленные возможностью длительного хранения энергии в форме магнитной энергии, что позволяет создавать системы с высоким уровнем времени готовности (время от подачи команды до выдачи энергии в нагрузку ~1 мс). Важной в практическом отношении особенностью СПИНЭ является возможность его запитки от источника с малой электрической мощностью. Применение СПИНЭ в качестве импульсных энергоисточников ограничивается критичностью сверхпроводников к скорости изменения магнитного поля при накачке и выводе энергии в нагрузку. Особенностью типичных СПИНЭ является сравнительно малое значение рабочего тока (~10 кА). Методы электромашинного и электромеханического управления индуктивностью ИНЭ позволяют увеличить значения полного тока в нагрузке, однако другое ограничение (скорость изменения поля не превышает 20 Тл/с) увеличивает время разрядки до десятков миллисекунд. Новые технические возможности в создании СПИНЭ могут быть связаны с разработкой высокотемпературных сверхпроводников. Высокотемпературные сверхпроводящие материалы характеризуются сравнительно высокими значениями критических полей (~100 Тл) и все еще высокими температурами сверхпроводящих состояний. Рисунок 4.1. Применение сверхпроводниковых индуктивных накопителей (СПИН). Свинцово-кислотные аккумуляторы. Данная электрохимическая система является одной из самых распространенных среди аккумуляторов в виду своей дешевизны, отработанной технологии производства и большому опыту эксплуатации. В свинцовокислотных аккумуляторных батареях (СКА) электролитом является раствор серной кислоты, активным веществом положительных пластин – двуокись свинца РbО2, отрицательных пластин – губчатый свинец Рb. В процессе заряда и разряда аккумулятора на электродах происходят электрохимические окислительно-восстановительные реакции, а электролит является средой для транспорта ионов между электродами. Необходимо отметить, что любой электрохимический аккумулятор имеет в своем составе указанные элементы, выполняющие аналогичные функции, меняются только применяемые вещества. Как уже говорилось выше, СКА достаточно широко известны и распространены, однако, наряду с достоинствами, обладают и существенными недостатками – малой энергоемкостью (на уровне 10–30 Вт·ч/кг), в них используется токсичный свинец. Так же для СКА характерно малое количество циклов заряд/разряд и низкая допустимая глубина разряда у большинства их разновидностей. СКА используются в самых различных приложениях, за исключением портативных — ограничением является большой вес, исходя из требований по запасаемой энергии. Отдельно можно выделить стартерные, тяговые и буферные СКА. Первые используются для запуска двигателей автомобилей, поэтому рассчитаны на разряд относительно высокими токами и имеют тонкие электродные пластины. Их удельная энергоемкость выше, чем у стационарных аккумуляторов. Стационарные аккумуляторы, наоборот, рассчитаны на длительный разряд относительно малыми токами, глубина их разряда несколько выше, а массогабаритные характеристики хуже. Тяговые аккумуляторы занимают промежуточное положение между этими двумя типами и предназначены для использования на цеховом транспорте (электрокары, погрузчики), до недавнего времени также широко использовались на электротранспорте. В настоящее время доступны аккумуляторы с улучшенными ресурсными характеристиками, достигающими 3000 циклов при глубине разряда 50 %. Однако и цена таких аккумуляторов выше, чем у стандартных систем. Никель-кадмиевые аккумуляторы. Никель-кадмиевые аккумуляторы также известны достаточно давно. Принцип действия основан на формировании гидроокиси кадмия на аноде и гидроокиси никеля – на катоде. Их энергоемкость почти в два раза выше, чем у СКА, они работоспособны при низких температурах, при этом допустимые токи заряда и разряда также существенно выше. Эти достоинства позволили никелькадмиевым аккумуляторам найти широкое применение на транспорте, в авиации и стационарных системах. В то же время никель-кадмиевым аккумуляторам присущ такой недостаток, как эффект памяти – их энергоемкость резко падает при неполном разряде или заряде, для ее восстановления требуются специальные алгоритмы заряда. Также они наиболее критичны из всех типов электрохимических аккумуляторов к точному соблюдению требований по правильной эксплуатации. Несмотря на эти недостатки, никель-кадмиевые аккумуляторы рассматривались как альтернатива СКА в электротранспортных применениях до появления более совершенных и менее требовательных в эксплуатации систем. Однако полностью вытеснить СКА им не удалось, прежде всего, в силу более высокой цены. Натрий-серные аккумуляторы. Теоретическая энергоемкость данной системы может достигать 925 Вт·ч/кг, однако в реальности достигнуты гораздо меньшие цифры, 100–150 Вт·ч/кг. Есть ряд существенных нюансов – электролит в данной системе керамический, что обуславливает высокую рабочую температуру аккумулятора (290–360 °С). В конце восьмидесятых годов XX века интерес к натрий-серным аккумуляторам проявился в сфере их применения в энергетике – интенсивно развивалась возобновляемая, прежде всего – ветровая энергетика, а доступные на тот момент аккумуляторы иных систем существенно уступали как по удельным характеристикам, так и по ресурсным показателям. Достигнутые на практике ресурсные характеристики натрий-серных аккумуляторов демонстрируют значения от 2000 до 4000 циклов при глубине разряда до 80-90 %. Наибольших успехов в разработке и производстве высокотемпературных аккумуляторов достигла японская компания NGK Insulators LTD. Несмотря на неспособность хранить запасенную энергию в течение длительного времени (вся она будет израсходована на поддержание рабочей температуры электролитов), натрий-серные аккумуляторы оказались востребованы для регулирования графиков выдачи мощности и поддержания частоты переменного тока в крупных сетях. Следует отметить широкое применение подобных систем в Японии и США, как для возобновляемой, так и централизованной энергетики. Отсутствие дорогостоящих материалов привело к тому, что стоимость запасенной энергии для данной системы находится на уровне СКА. Литий-ионные аккумуляторы. Первые идеи использования литий-ионных аккумуляторов появились в начале 50-х годов, а первые реальные аккумуляторы на литии появились только в конце 80-х годов у компании Sony. В них анод состоял из лития, а катод – из оксидов металлов. Принцип действия данной электрохимической системы основан на внедрении ионов лития в различные соединения при разных электрохимических потенциалах. Открытие явления обратимого внедрения лития в углерод, позволило создать аккумулятор на его основе. Транспорт ионов лития между электродами осуществляется посредством органического электролита, включающего в себя смесь органических растворителей и соли лития. Применение органических электролитов позволяет повысить напряжение на единичном элементе до 3–4,5 В по сравнению с 1–1,5 для кислотных и щелочных систем. При заряде аккумулятора происходит внедрение ионов лития в анодный материал (обычно используется углеродный анод). При разряде ионы лития переносятся на катод, а высвободившиеся электроны формируют электрический ток во внешней цепи. Для данного типа аккумуляторов характерны высокая энергоемкость, глубокие циклы заряда – разряда (70–80 %), отсутствие эффекта памяти. В то же время ресурс и стоимость таких аккумуляторов зависят от типа электрохимических систем, применяемых на катоде и аноде, а также от температуры и режимов эксплуатации. Несмотря на высокие удельные характеристики, до середины 2000-х годов литий-ионные аккумуляторы применялись, в основном, в портативных электронных устройствах. Первые литиевые батарейки были очень хорошими по всем параметрам: быстро заряжались, быстро разряжались, имели хорошую емкость, не имели «эффекта памяти». Однако по мере эксплуатации на литиевом аноде постепенно вырастали металлические иголочки. Они пробивали слой электролита, и происходило короткое замыкание, сопровождавшееся взрывом. Поэтому изначально к литиевым батарейкам относились настороженно. Большее распространение получили, например, никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные аккумуляторы, обладающие намного более скромными параметрами. Второе поколение аккумуляторов на литии (их принято называть литийионными) отличалось тем, что в качестве анода использовался углерод, графит. Эта идея была предложена учеными из Оксфордского университета. Применение графита позволило избежать возникновения «иголок» из лития, которые возникали на литиевом аноде. Однако и у этих аккумуляторов – второго поколения – были серьезные недостатки. Они могли отдать не больше половины запасенной емкости, так как при более сильной разрядке разлагаться начинает уже катод – с выделением кислорода и металлического кобальта. И здесь снова возможно короткое замыкание и взрыв. Этот фактор до последнего времени принципиально ограничивал применение литий-ионных аккумуляторов большого размера – например, в масштабах, необходимых для питания электротранспорта или применения в качестве сетевых накопителей энергии, где нужны тысячи киловатт-часов энергии. Однако огромный потенциал литий-ионных аккумуляторов поддерживал постоянный интерес ученых к их усовершенствованию, и в 2003 году в Массачусетском технологическом институте впервые было предложено использовать ферро-фосфат лития (LiFePO4) в качестве катодного материала. Это доступное и нетоксичное соединение, в отличие от использующихся в аккумуляторах кадмия и никеля, всегда считалось очень перспективным для промышленности. Ферро-фосфат лития оказался очень удачным материалом для использования в аккумуляторах. Он способен отдать практически весь накопленный литий, оставаясь устойчивым. При этом сохраняется главное свойство литий-ионных аккумуляторов – большая удельная емкость. Таким образом, третье поколение литий-ионных аккумуляторов стало безопасным, высокоэнергоэффективным и экологичным. Именно аккумуляторы третьего поколения будут выпускаться на недавно (в декабре 2011 года) запущенном заводе под Новосибирском. Литий-полимерный конструкция литий-ионного аккумулятор — это более аккумулятора. совершенная В качестве электролита используется полимерный материал гелеобразного литий-проводящего наполнителя. с включениями Обычные бытовые литий- полимерные аккумуляторы не способны отдавать большой ток, но существуют специальные силовые литий-полимерные аккумуляторы, способные отдавать ток в 10 и даже 45 раз превышающий численное значение ёмкости. Они широко применяются как аккумуляторы в мобильной и компьютерной технике для радиоуправляемых моделей, а также в портативном электроинструменте и в некоторых современных электромобилях. В настоящее время в мире резко возрос интерес к применению накопителей энергии в электроэнергетических системах. Это объясняется как тенденциями развития генерирующих мощностей, так и новыми технологиями производства некоторых типов накопителей энергии. В связи с прогрессом в области эксплуатационных характеристик химических аккумуляторов (в частности литий-ионных), а также из-за наметившейся динамики на снижение их стоимости в результате применения в электрических транспортных средствах, в ближайшем будущем ожидается значительное расширение сферы экономически обоснованного применения высокоемких накопителей энергии. Так, например, при регулировании электросетей можно избавиться от строительства крупных ГАЭС в пользу создания распределенной сети аккумуляторных накопителей. Вопросы для самоконтроля 1. Классификация электрических накопителей энергии. 2. Емкостные и молекулярные накопители энергии – сходства и различия. 3. Индуктивные накопители и их свойства. 4. Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии. 5. Различные типы аккумуляторов и их свойства.
