Система аккумулирования электроэнергии для обеспечения надежности работы ЭЭС

Н. Л. Новиков

Д.т.н., проф., Заместитель Научного руководителя АО “НТЦ ФСК ЕЭС ”

А.Н. Новиков

Главный специалист АО “НТЦ ФСК ЕЭС ” Отдел разработки и внедрения систем управления жизненным циклом

Сравнительные характеристики различных накопителей энергии

Основные типы накопителей

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 аккумуляторные батареи, накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов 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 основные виды электрохимических накопителей энергии.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Преимущества:Отработанная технология. Невысокий саморазряд – 3-10% в мес.

Относительно простая система обслуживания.

Недостатки:

Низкая удельная энергоемкость 35 Втч/кг. КПД – 85% . Количество циклов – до 2000.

Жесткие требования по экологической безопасности при утилизации

Натрий-серные аккумуляторы

Преимущества:Большая емкость - 700 Втч/кг. Высокий КПД – 85%.

Относительно большой ресурс – 5000 циклов. Высокое быстродействие – 1 мсек .

Относительно низкий саморазряд. Экологическая безопасность + герметичные элементы

Налажено серийное производство + опыт эксплуатации более 15 лет

Недостатки: Относительно высокая стоимость. Высокая рабочая температура .

Ванадий-редоксные (проточные) аккумуляторы

Преимущества :

Высокая емкость благодаря большому запасу электролита 80 Втч/кг. КПД – 80%.

Большое количество циклов – >10 000 . Длительный срок службы – 10-20 лет.

Высокое быстродействие – 1 мсек

Недостатки:

Высокая стоимость, отсутствие серийного производства

Единичные установки в мире (4 МВт/1,5 часа макс.)

Литий-ионные аккумуляторы

Преимущества: Наибольшая плотность энергии из всех разновидностей аккумуляторов – как объемная, так и весовая. Быстрый процесс заряда батарей - до 90% емкости за 30-40 мин. Низкий показатель саморазряда - до 5% в месяц. Могут утилизироваться без предварительной переработки.

Недостатки:Возможность взрыва при механическом повреждении или перезарядке аккумулятора . Достаточно быстрое старение аккумулятора - большинство аккумуляторов резко снижают свои характеристики при хранении или использовании более 5 лет .

Для создания аккумуляторных батарей требуется сложная система управления батареей

Относительно высокая стоимость.

Литий-ионные аккумуляторы

В настоящее время литий-ионные аккумуляторы являются одним из самых массовых промышленных продуктов в мире в качестве перезаряжаемых химических источников тока (ХИТ). Их количество, типы и сферы применения постоянно увеличиваются. Транспорт, системы безопасной эксплуатации важнейших объектов являются теми сферами применения, в которых литий-ионные батареи активно вытесняют традиционные ХИТ.

Эта система демонстрирует длительный срок службы, большую цикличность, высокую надежность и безопасность, широкий температурный диапазон применения, высокие удельные энергетические и мощностные характеристики, низкий саморазряд.

При применении литий-ионных аккумуляторов можно рассчитывать на повышение энергоемкости и мощности батарей при сохранении малой массы и объема, на достижение более высокого напряжения, снижение саморазряда. Преимуществом этих батарей перед аналогами является герметичность, отсутствие выделения газа, большой показатель цикличности и срок службы.

Литий-ионные батареи допускают форсированный заряд и разряд. Их эксплуатация требует установки средств электронного контроля и управления зарядом и разрядом (СКУ) как на уровне аккумуляторов, так и батареи в целом.

В связи с тем, что применение литий-ионных аккумуляторов позволяет использовать параллельно-последовательное соединение аккумуляторов в батарею по принципу модульной конструкции, на базе одного типоразмера литий-ионного аккумулятора можно осуществлять разработку и изготовление батарей в широком диапазоне электрической емкости и напряжения. Литий-ионные аккумуляторы не допускают переразряда и перезаряда и должны быть защищены от короткого замыкания. Для поддержания высокой разрядной емкости в течение всего периода эксплуатации необходимо выравнивание напряжений последовательно соединенных аккумуляторов, компенсирующее разброс характеристик в период эксплуатации.

От характеристик материалов, используемых для изготовления литий-ионных аккумуляторов и батарей различного назначения (активных катодных и анодных материалов, электролитов, добавок в электролит, сепарационных материалов, электропроводных добавок в активные массы электродов, водных и неводных связующих) определяющим образом зависят технические характеристики конечных изделий.

Для производства литий-ионных аккумуляторов применяются активные электродные материалы способные обратимо внедрять ионы лития. Перспективные катодные и анодные материалы выбираются по удельным энергетическим и мощностным характеристикам, по ресурсным характеристикам, температурному диапазону эксплуатации, стоимостным показателям.

В настоящее время литий-ионные аккумуляторы с электрохимической системой литированный смешанный оксид никеля-кобальта-марганца (NMC) / углерод (графит) (C) наиболее часто используются при изготовлении как высокомощных так и энергоёмких аккумуляторов, что обусловлено оптимальным соотношением цена/качество. Удельная энергия для высокоэнергоемких литий-ионных аккумуляторов с использованием этого типа электродных материалов составляет от 160 до 200 Втч/кг и от 120 до 150 Втч/кг для высокомощных аккумуляторов. Удельная мощность у высокомошных аккумуляторов достигает 2÷4 Вт/кг. Температурный диапазон работоспособности при разряде для лучших образцов этого типа аккумуляторов составляет -40 ÷60^оС, при заряде от 0 до 60^оС. Высокой мощностью также обладают литий-ионные аккумуляторы с положительным электродом на основе литий-марганцевой шпинели (LMO) и отрицательным электродом на основе не графитизированного углеродного материала (Soft Carbon (SC) или Hard Carbon (HC)).

Реже применяют аккумуляторы c катодом на основе литированного фосфата железа (LFP) у которых показатель удельной энергии по массе не превышает 110 Втч/кг, а температурный диапазон ограничивается разрядом при -20^оС. Однако они конкурентны по стоимости Втч со свинцово-кислотными аккумуляторами.

Несколько компаний производят литий-ионные аккумуляторы с отрицательным электродом на основе титаната лития (LTO). Данные аккумуляторы имеют относительно низкую удельную энергию (порядка 70 Втч/кг), имеют существенно более высокую, чем у конкурентов стоимость Втч, однако им свойственна способность заряжаться большими токами при низких температурах (заряд при температуре -40°С).

Количество полных циклов заряд-разряд у литий-ионных аккумуляторов ведущих производителей составляет от 1000 до 5000, сроки хранения и эксплуатации 5 – 8 лет.

Для всех типов литий-ионных аккумуляторов характерны свои среднеразрядные напряжения: NMC/C (3,6-3,7В), LFP/C (3,2-3,3В), LMO/HC или SC (3,6В), NMC(LMO, LCO)/LTO (2,3-2,4В). Также существенно отличается и форма разрядных кривых. Например, аккумуляторы электрохимическими системами NMC/графит и LMO/неграфитизированный углерод имеют практически одинаковое среднеразрядное напряжение. За счёт более существенного изменения потенциала неграфитизированного углерода в процессе введения/выведения лития из структуры напряжение аккумулятора снижается/увеличивается сильнее от степени заряженности литий-ионных аккумуляторов. В этой связи формы зарядных/разрядных кривых литий-ионных аккумуляторов для систем NMC/графит и LMO/неграфитизированный углерод будут отличаться и это должно учитываться при разработке систем контроля батарей.

Выбор используемых при производстве литий-ионных аккумуляторов активных материалов, технологий и конструкций определяется техническими и экономическими требованиями к накопителю электрической энергии, в состав которого входит аккумуляторная батарея.

Различные производители выпускают литий-ионные аккумуляторы различной конструкции. Например, широко применяют цилиндрические аккумуляторы. Ряд компаний отдают предпочтение литий-ионным аккумуляторам в корпусе из ламинированной фольги. Имеются производители применяющие призматические литий-ионные аккумуляторы в пластмассовых и металлических корпусах.

Отечественный и зарубежный опыт позволяет разрабатывать и изготавливать литий-ионные батареи требуемой электрической емкости и напряжения, работающие при различной токовой нагрузке с характерным временем разряда от нескольких минут до сотен часов.

Ведущие мировые производители в настоящее время изготавливают базовые батарейные модули (БМ) на базе высокоэнергоемких или высокомощных литий-ионных аккумуляторов различного конструктивного исполнения. С использованием базовых БМ и магистрально-модульного принципа создаются накопители электрической энергии требуемой электрической емкости, мощности и напряжения.

Конструкция базового БМ включает в себя последовательно и/или параллельно соединенные литий-ионные аккумуляторы, систему контроля и управления и корпус. Конструкция БМ может предусматривать воздушное или жидкостное охлаждение. При создании стационарных накопителей в основном используется воздушное охлаждение. Для работы при пониженных температурах может использоваться система обогрева

В настоящее время ведущие мировые производители выпускают широкий спектр БМ в различном конструктивном исполнении для энергоустановок транспортного и стационарного назначения, отличающихся номинальной ёмкостью и энергией, номинальным напряжением и мощностью.

Номинальное напряжение БМ (обычно 48 В) выбирается из условий удобства эксплуатации и определяется количеством последовательно соединённых аккумуляторов (кратно среднеразрядному напряжению аккумулятора). Требуемая величина ёмкости БМ достигается выбором величины электрической емкости базового аккумулятора и/или числом параллельно соединённых аккумуляторов. Мощность и удельная энергия определяются типом используемых аккумуляторов. Для комплектации БМ, в зависимости от требований к скорости разряда, применяются высокоэнергоемкие или высокомощных аккумуляторы.

На базе БМ изготавливают накопители энергии с различной энергией и мощностью в диапазоне от нескольких кВт до десятков МВт. БМ повышенной мощности (ток разряда 4С, 6С) используются при изготовлении источников бесперебойного питания (ИБП), обеспечивающих энергоснабжение постоянным и переменным током потребителей. Данный тип ИБП способен обеспечить аварийное и резервное питание в течение 10-15 минут до включения аварийных ДВС.

Ряд производителей предлагает законченные решения энергоустановок с накопителями энергии в широком диапазоне энергоемкости и мощности на базе БМ с использованием литий-ионных аккумуляторов. Использование магистрально-модульного принципа при создании накопителей и преобразователей электрической энергии большой энергоемкости и высокого напряжения на базе литий-ионных аккумуляторов в настоящее время является наиболее прогрессивным и широко используемым решением для изделий стационарного и транспортного применения.

Суперконденсаторы

Современные суперконденсаторы с рабочим напряжением 2,7…2.85В на основе нанопористых углеродных электродов и органических электролитов широко применяются в технике, благодаря высокой удельной энергии (5…7 Втч/кг), мощности (до 110 кВт/кг) и наработке – более 500 тыс. циклов в течение 100 тыс. часов. Современные суперконденсаторы (электрохимические двойнослойные конденсаторы) способны заряжаться и разряжаться большими токами, работоспособны в широком диапазоне температур (-50 ÷65^оС), имеют линейную зависимость степени заряженности от напряжения, герметичные, необслуживаемые. Они не имеют конкурентов среди других накопителей электрической энергии при работе в условиях импульсных нагрузок во временном диапазоне 10^-2 ÷1 с.

Исключительно высокая надёжность современных суперконденсаторов на основе нанопористых углеродных электродов и органических неводных электролитов, в сравнении с другими типами суперконденсаторов (так называемыми гибридными и «молекулярными» суперконденсаторами) связана с отсутствием электрохимических реакций, протекающих на электродах в процессе зарядки и разрядки. В электрохимических двойнослойных конденсаторах энергия на электродах накапливается за счёт диффузии и адсорбции ионов в двойном электрическом слое на поверхности электродов под воздействием электрического поля и отсутствуют параллельные электрохимические реакции.

Основные усилия разработчиков современных суперконденсаторов направлены на увеличение удельной энергии и удельной мощности накопителей энергии этого типа.

Вид Параметр	Натрий-серные	Ванадий-редоксные	Свинцово-кислотные	Цинк-бромидные	Литий-ионные
Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ)	(В)	2.08	1.4	2.0	1.8	3.4-3.9
Удельная энерго-емкость	Вт ч/кг				-
Вт ч/л			-
КПД (%)					90-95
Температура (С⁰)	280-350	40-80	5-50	20-50	-20 - +45
Электролит	твердый композит (керамика+алюминий)	Раствор оксида ванадия в воде	Серная кислота	Раствор бромида цинка в воде	Не водные (спиртовые) растворы солей лития или полимерные (твердые) электролиты
Вспомогательное оборудование (операции)	Нагрев	Насос	Добавка воды	Насос	не требуется