Промышленность уделяет особое внимание надёжности, экономичности, долговечности и безопасности, поэтому узнать о применении аккумуляторов в данном контексте особенно интересно.
Сегодня мы подробнее познакомимся с областями промышленности, в которых аккумуляторы активно используются, а также причинами, убеждающими производителей в такой необходимости.
Батареи для тяги
В инвалидных колясках, скутерах и автомобилях для гольфа в основном используются свинцово-кислотные батареи. Несмотря на то, что тяжёлые свинцово-кислотные аккумуляторы работают достаточно хорошо, и предпринимаются лишь умеренные попытки перейти на другие системы, литий-ионные аккумуляторы станут естественной альтернативой во многих устройствах.
Хотя li-ion аккумулятор дороже свинцово-кислотного, стоимость цикла может быть ниже из-за более длительного срока службы. Еще одним преимуществом таких батарей по сравнению со свинцовыми и никелевыми является простота обслуживания. Литий-ионный аккумулятор можно оставить при любом уровне заряда без неблагоприятных побочных эффектов. Напротив, NiCd и NiMH нуждаются в периодическом полном разряде для предотвращения эффекта памяти, а свинцово-кислотные требуют полного заряда для профилактики сульфатации.
Чем тяжелее средство передвижения, тем сложнее подобрать к нему аккумулятор. Это не мешает инженерам применять большие аккумуляторные системы для замены загрязняющего окружающую среду двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Одним из примеров является система автоматического управления транспортными средствами (AGV) в морских портах. AGV работает 24 часа в сутки, и транспортные средства не могут простаивать для длительных интервалов зарядки.
Литий-ионный аккумулятор частично решает эту проблему, заменяя очень большую 10-тонную свинцово-кислотную батарею мощностью 300 кВт·ч на более легкую, которую можно заряжать быстрее. Очень большие батареи имеют ограничения из-за веса, времени зарядки и инфраструктуры.
Решить проблему с большими системами тяги может добавленный топливный элемент, если сжигание ископаемого топлива невозможно. Конечно, аккумулятор можно уменьшить, но нельзя полностью исключить, потому что топливный элемент имеет низкую скорость химических реакций и не может обеспечить высокую мощность работы в условиях серьёзных нагрузок.
Тем не менее, пока не существует достаточно дешёвых и эффективных аккумуляторов для больших тяговых систем, и нельзя полностью избежать сжигания ископаемого топлива. В то время как современная литий-ионная батарея обеспечивает около 150 Втч/кг энергии, низшая теплотворная способность (NCV) ископаемого топлива составляет более 12 тыс. Втч/кг. Даже при низком КПД двигателя с ДВС, составляющем 25%, энергия от батареи ничтожно мала по сравнению с ископаемым топливом.
Аккумуляторы для авиации
Аккумуляторы на борту самолёта используются для питания навигационных и аварийных систем при отключении вспомогательной силовой установки или в случае возникновения аварийной ситуации во время полёта. Аккумулятор также обеспечивает питание для торможения и работы на земле. В случае отказа двигателей батареи должны обеспечивать их энергией от 30 минут до 3 часов. Каждый самолёт также должен иметь батарею достаточной мощности, чтобы в случае чего совершить безопасную посадку. Во время полета электроэнергия подается от генераторов, и, как и в автомобиле, бортовая батарея при необходимости может отключаться.
В большинстве коммерческих реактивных лайнеров используется залитый никель-кадмиевый аккумулятор. В небольших самолётах может использоваться свинцово-кислотная батарея. Хотя она и тяжелее NiCd, но требуют меньше обслуживания. В двигателях современных реактивных истребителей уже используются литий-ионные аккумуляторы. Поскольку бортовые функции авиалайнера переходят от гидравлических к электрическим, требуются батареи большего размера. Литий-ионные аккумуляторы с более высокой плотностью энергии удовлетворяют этому требованию лучше, чем никель-кадмиевые и свинцово-кислотные.
Однако неожиданная поломка Li-ion аккумуляторов может привести к серьёзным последствиям и заставить производителей самолетов вернуться к NiCd. Они тоже подвергаются тепловым сбоям, но с ними можно справиться лучше, чем в случае с литий-ионными элементами. NiCd обеспечивает долговечность и надежную работу, но требует тщательного обслуживания и проверок.
Самолеты несут на борту множество различных аккумуляторов, но их единственной целью является запуск двигателя и обеспечение резервного питания в случае экстренной ситуации. Большие самолеты будут продолжать летать на ископаемом топливе, поскольку батареи еще не пригодны для использования в качестве двигателей.
Небольшие самолеты на аккумуляторном питании тестируются для обучения пилотов и совершения коротких рейсов, но пока лишь в качестве эксперимента. Основными проблемами полноценного использования аккумуляторов в авиации остаются их вес и надёжность.
Аккумуляторы для аэрокосмической отрасли
Ранние спутники использовали никель-кадмиевые батареи, и это привело к открытию эффекта памяти. Батарея следовала обычному графику разрядки, но когда требовалось больше энергии, она ”вспоминала” предыдущий режим работы, и напряжение падало, как бы в знак протеста против нежелательной нагрузки.
Никель-кадмиевый источник тока был заменен никель-водородным - с исключительно долгим сроком службы. Предприниматели пытались внедрить эту удивительную батарею для коммерческого использования, но высокая цена (около 1000 долларов за штуку) и большой размер помешали его закреплению на рынке.
Сейчас лучший выбор для спутников - это литий-ионный аккумулятор. Он легкий, быстро заряжается, долговечен и эффективен. Кроме того, Li-ion имеет низкий саморазряд и практически не требует обслуживания.
Например, марсоход Curiosity использует специально разработанные элементы из оксида лития и никеля (LiNiCo) в формации 8S2P (восемь элементов последовательно и два параллельно), которые лишь частично заряжаются и разряжаются для увеличения срока службы. При таком режиме продолжительность жизни аккумулятора составляет 4 года и примерно 700 сол. (Термин sol используется планетарными астрономами для обозначения продолжительности солнечного дня на Марсе).
Сейчас учёные разрабатывают большие литий-ионные аккумуляторы емкостью 140 Ач, срок службы которых может достигать 18 лет.
Стационарные батареи
Традиционно стационарные батареи были свинцово-кислотными, они хорошо подходят для работы, требующей периодических разрядов. Размер и вес имеют меньшее значение, а ограниченное количество циклов не представляет проблемы при редком разряде. Однако большие стационарные аккумуляторы требуют регулярной проверки уровня электролита.
Области применения, которые подвергаются воздействию высоких и низких температур, а также те, которые требуют глубокого циклирования, часто обслуживаются никель-кадмиевыми аккумуляторами. Эти батареи более прочные, чем свинцово-кислотные, но стоят примерно в четыре раза дороже. NiCd — единственный тип аккумулятора, который можно быстро заряжать с минимальным напряжением.
Многие стационарные аккумуляторы также работают на Li-Ion технологии, она хорошо подходит для малых и средних систем, обеспечивающих кратковременную разрядку с возможностью быстрой зарядки несколько раз в день. К сожалению, при всех своих преимуществах, литий-ионный аккумулятор не эффективен при низких температурах, в отличие от никель-кадмиевого и свинцово-кислотного.
Еще одна батарея, которая возвращается в использование в качестве стационарного источника тока, — никель-железная. Изобретатель Томас Эдисон продвигал NiFe аккумулятор для электромобиля, но в конечном итоге тот проиграл свинцово-кислотному из-за высокой стоимости и высокого саморазряда. Спустя время некоторые из этих недостатков были устранены, а превосходная долговечность этой батареи вызвала новый интерес.
Системы накопления энергии
Возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце, не обеспечивают постоянного энергетического потока и не всегда покрывают потребности потребителя. Для их бесперебойного обслуживания необходимы большие системы накопления энергии (Energy storage systems или ESS), их ещё называют системами выравнивания нагрузки или сетевыми аккумуляторными батареями.
ESS имеет большие шансы стать альтернативой, которая поможет перейти от угля и нефти к возобновляемым источникам энергии.
Также накопителями энергии служат маховики: они раскручиваются большими электродвигателями, когда имеется избыточная энергия, и отдают её обратно в случае необходимости.
Система выравнивания нагрузки тяготеет к литий-ионным аккумуляторам из-за небольшой занимаемой ими площади, низких эксплуатационных расходов и длительного срока службы. В случае неполной зарядки Li-ion батарея не страдает от сульфатации, в отличие от той же свинцово-кислотной. Преимущество литий-ионных аккумуляторов в данном случае заключается ещё и в достаточной портативности для установки в отдалённой местности. Минусы всё те же: высокая цена и низкая производительность при низких температурах.
Совместно с аккумуляторами используется система управления батареями (BMS), которая поддерживает уровень заряда около 50%, что позволяет поглощать энергию порывов ветра и обеспечивать высокую нагрузку. Современные BMS могут переключаться с заряда на разряд менее чем за секунду, что помогает стабилизировать напряжение на линиях передачи.
При растущем выборе аккумуляторов для ESS выбор должен основываться не только на цене. Стоимость за кВтч мало что говорит без учета общей стоимости владения, которая включает стоимость за цикл, долговечность и возможную замену.
В таблице ниже приведено сравнение стоимости свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов для энергосистем.
Но не все системы возобновляемых источников энергии используют батареи для выравнивания нагрузки. При поддержке аккумуляторов ветряная электростанция мощностью 30 МВт использует аккумуляторную батарею мощностью около 15 МВт. Это эквивалентно 20 тыс. стартерных аккумуляторов или 176 электромобилям Tesla S 85 с аккумулятором на 85 кВтч каждый. Стоимость хранения энергии в такой батарее может удваивать стоимость прямого источника питания.
Итоги
Область применения аккумуляторов, безусловно, широка. Однако каждый тип ячейки имеет свои недостатки в силу своего химического состава, что ограничивает их полноценное использование в качестве безопасной и дешёвой альтернативы сжигаемому топливу. Несмотря на определённые особенности, аккумуляторы уже являются неотъемлемой частью современной промышленности и делают свой вклад в развитие более экологичных технологий будущего.