Różne typy akumulatorów mają różne skutki w przypadku zastosowania do magazynowania energii. Świat w coraz większym stopniu opiera się na odnawialnych źródłach energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa, rośnie także zapotrzebowanie na niezawodne magazynowanie energii. Dlatego, rodzaje akumulatorów są stale wymyślane i odpowiednio rozszerzane.
Magazynujemy energię wytworzoną w okresach szczytu energetycznego do wykorzystania w okresach szczytowego zapotrzebowania lub gdy energia odnawialna jest niedostępna. Metodą magazynowania energii jest magazynowanie energii elektrycznej w postaci prądu stałego (DC) poprzez akumulatory magazynujące energię, które należy zamienić na prąd przemienny (AC) do użytku przez ludzi poprzez magazynowanie lub falowniki słoneczne.
Dlatego, w ostatnich latach, branża akumulatorów poczyniła znaczne postępy, z bardziej zaawansowaną technologią i bardziej ekonomicznymi cenami.
Wiele osób woli zintegrowane rozwiązania energetyczne, takie jak magazynowanie energii słonecznej GycxSolar, ponieważ jest łatwy w użyciu i ma lepszą wydajność.
W tym artykule, zbadamy najbardziej odpowiednie typy akumulatorów do systemów magazynowania energii i przeanalizujemy niektóre czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze akumulatorów magazynujących energię.
Spis treści
Co to jest magazynowanie energii?
Magazynowanie energii to proces magazynowania energii w określonych urządzeniach lub systemach w celu dalszego wykorzystania w razie potrzeby. W szerokim znaczeniu, magazynowanie energii odnosi się do magazynowania energii w jednej formie lub przekształcania jej w inną formę za pomocą medium lub urządzenia, a następnie uwalnianie go przez sprzęt zgodnie z przyszłymi potrzebami aplikacji.
Wąsko zdefiniowane magazynowanie energii odnosi się do szeregu technologii i środków wykorzystujących metody chemiczne lub fizyczne do magazynowania energii elektrycznej wytwarzanej podczas wytwarzania energii i uwalniania jej w razie potrzeby.
Magazynowanie energii pomaga ludziom oszczędzać energię i wykorzystywać ją w przypadku wzrostu zapotrzebowania lub przerwania dostaw energii. Dlatego, magazynowanie energii zawsze utrzymuje równowagę pomiędzy podażą i popytem dla konsumentów, i zapobiega wyzwaniom, takim jak niestabilna energia elektryczna i rosnące koszty.
Ponieważ proces magazynowania energii polega na konwersji różnych form energii, magazynowanie energii może pomóc w magazynowaniu energii słonecznej, wiatr, i inne odnawialne źródła energii, co sprawia, że magazynowanie energii nabiera coraz większego znaczenia.
Jakie są różne rodzaje magazynowania energii?
Z załączonego schematu, widać, że istnieją różne rodzaje magazynowania energii. Wybór typów magazynów energii można kompleksowo rozważyć, oceniając skalowalność, czas trwania cykli ładowania i rozładowywania, koszty przechowywania, przyjazność dla środowiska, i inne aspekty. Na rynku dostępnych jest kilka popularnych rodzajów magazynowania energii.
Mechaniczne magazynowanie energii
Polega na wykorzystaniu energii cieplnej, energia wiatrowa, energia wodna, oraz niektóre odnawialne źródła energii. Do popularnych systemów mechanicznych zalicza się magazyny szczytowo-pompowe, kompresja magazynu energii w kole zamachowym, i magazynowanie energii w powietrzu.
Magazynowanie elektrochemiczne
Elektrochemiczne magazynowanie energii obejmuje różne typy akumulatorowych systemów magazynowania energii. Baterie przekształcają energię chemiczną w energię elektryczną. Dwa najpopularniejsze typy to akumulatory i akumulatory przepływowe. Różne typy akumulatorów mają swoje własne cechy, w tym artykule omówiono głównie akumulatory.
Porównanie 9 rodzaje akumulatorów magazynujących energię
Następny, zobaczysz zalety i wady 9 rodzaje akumulatorów w zakresie magazynowania energii. Są starszym bratem w bateriach – akumulatory kwasowo-ołowiowe, popularny mainstream na rynku – akumulatory litowo-jonowe, popularny cel badań i rozwoju – akumulatory jonowo-sodowe, przyciągająca wzrok nowa gwiazda w elementach litowo-polimerowych – baterie litowo-siarkowe, akumulatory niklowo-wodorowe, superkondensatory, ogniwa paliwowe, akumulatory przepływowe, oraz akumulatory litowo-kobaltowo-tlenkowe (LKO) w bateriach litowo-kobaltowych.
① Akumulator kwasowo-ołowiowy
Akumulatory kwasowo-ołowiowe są jednymi z najstarszych, najbardziej dojrzały, i szeroko stosowane rodzaje akumulatorów, które od dziesięcioleci są wykorzystywane do magazynowania energii.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe mogą być Ci znane, ponieważ są najpopularniejszymi akumulatorami do pojazdów.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe są zazwyczaj ciężkie i mają krótką żywotność. Obliczono na podstawie dziennego ładowania i rozładowywania, ich typowy cykl życia jest krótszy niż trzy lata. Ale jego cena jest najtańsza.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe posiadają kompleksowy system recyklingu i są również najbardziej dojrzałym rodzajem akumulatorów w procesie recyklingu. Według Stowarzyszenia Magazynowania Energii, przekracza współczynnik recyklingu materiałów 90%, a zwykłe akumulatory ołowiowe są wykonane z ponad 80% materiały pochodzące z recyklingu, co jest również w pewnym stopniu przyjazne dla środowiska. Akumulatory kwasowo-ołowiowe są również bezpieczniejsze niż niektóre inne akumulatory chemiczne, ponieważ ich aktywne składniki nie są łatwopalne.
Korzyść:
- Surowce są łatwo dostępne
- Cena i koszt są stosunkowo niskie
- Dojrzała i kompletna technologia
- Dobra wydajność temperaturowa, może pracować w środowisku -40 ℃ -60 ℃.
- Nadaje się do ładowania pływakowego, brak efektu pamięci.
- Zużyte baterie można łatwo poddać recyklingowi i pomagają chronić środowisko.
Wady:
- Niska gęstość energii (gęstość energii), ogólnie pomiędzy 30-40 Wh/kg.
- Krótki cykl życia (300 Do 500 cykle)
- Stosunkowo niska wydajność (79-85%)
- Słaba wydajność w wysokich temperaturach
- Proces produkcyjny tego typu baterii jest bardzo narażony na zanieczyszczenie środowiska i musi być wyposażony w trzy urządzenia do przetwarzania odpadów.
Odpowiednie zastosowania:
- System magazynowania energii poza siecią
- System zasilania rezerwowego
- Zastosowania wymagające małej gęstości mocy/energii
② Bateria litowo-jonowa
Po zapoznaniu się z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi Wielkiego Brata na rynku akumulatorów, spójrzmy na obecny rynek głównego nurtu – akumulatory litowo-jonowe.
Wśród 9 rodzaje akumulatorów, na rynku dominują baterie litowe, rozliczanie 92% globalnej mocy zainstalowanej elektrochemicznych magazynów energii oraz 90% światowego rynku akumulatorów sieciowych.
Technologia baterii litowych jest obecnie najważniejszą i powszechnie stosowaną technologią elektrochemicznego magazynowania energii, z głównymi zastosowaniami rynkowymi w zakresie magazynowania energii i elektronicznych produktów konsumenckich, takich jak telefony komórkowe, laptopy, oraz pojazdy elektryczne o nowej energii. Według raportu Departamentu Energii USA na temat technologii magazynowania energii i charakterystyki kosztów, dla 4-godzinnego systemu magazynowania energii, biorąc pod uwagę koszty, wydajność, kalendarz i życie cykliczne, jak i dojrzałość technologiczna, akumulatory litowo-jonowe są najlepszym wyborem.
Główne typy akumulatorów litowo-jonowych stosowanych do magazynowania energii to:
Fosforan litowo-żelazowy (LFP)
Jest uważany za najlepszy wybór w przypadku stacjonarnych magazynów energii ze względu na wysokie bezpieczeństwo, długa żywotność, i niski koszt.
Akumulatory LFP są mniej podatne na niestabilność termiczną.
Tlenek kobaltu litowo-niklowo-manganowego (NMC)
Zapewnia wyższą gęstość energii niż LFP, ale przy wyższych kosztach i nieco niższej stabilności termicznej.
Tytanian litu (LTO)
Ma doskonałą gęstość mocy i żywotność cykliczną (nad 10000 cykle), i niską gęstość energii, dzięki czemu nadaje się do zastosowań wymagających częstego ładowania/rozładowywania.
Korzyść:
- Lekka i szybka prędkość ładowania
- Długi cykl życia (2000-5000 cykle)
- Wysoka gęstość energii i gęstość mocy: Gęstość energii akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych może osiągnąć 210 Wh/kg, a gęstość energii trójskładnikowych baterii litowych przekroczyła 300 Wh/kg
- Wysoka efektywność konwersji energii, aż do 80-90%
- Szybki czas reakcji (sub sekunda do sekundy), brak efektu pamięci
- Stopień samorozładowania jest stosunkowo niski: w pełni naładowany litowo-jonowy wskaźnik samorozładowania wynosi około 3% po przechowywaniu w temperaturze pokojowej przez jeden miesiąc, czyli dużo mniej niż np 25-30% Ni Cd i 30-35% z In MH
- Nie zawiera szkodliwych dla organizmu ludzkiego pierwiastków metali ciężkich, zielone i przyjazne dla środowiska
Wady:
- Koszt jest wyższy niż w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych i innych akumulatorów
- Kwestie bezpieczeństwa (ryzyko ucieczki termicznej)
- Słaba wydajność w wysokich temperaturach
- Stopień trudności recyklingu jest wysoki, a proces recyklingu jest złożony
- Rezerwy są ograniczone, a zawartość zasobów litu w skorupie ziemskiej jest tylko 0.0065%. Obecne zasoby litu nie są w stanie w przyszłości zapewnić dynamicznego rozwoju branży elektrochemicznych magazynów energii.
Odpowiednie zastosowania:
- Pojazdy elektryczne
- Magazynowanie energii (zwłaszcza do celów magazynowania energii słonecznej w budynkach mieszkalnych/komercyjnych)
- Magazynowanie energii w skali sieciowej
③ Bateria sodowo-jonowa
Jak wspomniano wcześniej, chociaż baterie litowe są obecnie głównym nurtem na rynku, zasoby litu na Ziemi są ograniczone.
Od czasu jego wprowadzenia w 1991, Baterie litowe zdominowały dziedzinę magazynowania energii. Jednakże, popyt na ten minerał doprowadził do niedoborów dostaw litu, jak również wynikający z tego wzrost cen i opóźnienia, które stały się widoczne.
W ostatnich latach, różne gałęzie przemysłu badają alternatywne surowce do wykorzystania litu do produkcji systemów magazynowania energii. Jednym z najbardziej możliwych typów akumulatorów jest akumulatory jonowo-sodowe: względna obfitość i niski koszt tego minerału sprawiają, że jest to kolejna rewolucja w magazynowaniu energii odnawialnej.
Sód jest srebrnym, miękkim metalem alkalicznym, który występuje bardzo powszechnie w przyrodzie. Bateria sodowo-jonowa to akumulator, który wykorzystuje jony sodu (Na+) do ładowania.
Zasada działania akumulatorów sodowo-jonowych jest podobna do akumulatorów litowo-jonowych, a ich właściwości chemiczne są zarówno zasadowe. Oznacza to, że w tego typu akumulatorach można zastosować wiele reakcji elektrochemicznych, lub przynajmniej rozważane.
Nad przeszłością 20 lata, 53% badań patentowych w dziedzinie akumulatorów sodowo-jonowych przeprowadzono w Chinach, następnie Japonia (16%) i Stany Zjednoczone (13%). Firmą odgrywającą obecnie najważniejszą rolę w tej technologii jest chińska firma CATL.
Według Bloomberg New Energy Finance, przez 2030, mogą odpowiadać baterie sodowo-jonowe 23% rynku stacjonarnych magazynów energii, równoważne ponad 50 GWh przychodów rynkowych.
Korzyść:
- Wysoka gęstość energii: Gęstość energii akumulatorów sodowych może osiągnąć 200 Wh/kg
- Długa żywotność, z cyklem życia ponad tysiące razy
- Obfite surowce: Baterie sodowe do magazynowania energii wykorzystują jony sodu, które są szeroko obecnymi pierwiastkami na Ziemi.
- Niski koszt, ponieważ w porównaniu do metali rzadkich, takich jak lit, zasoby materialne akumulatorów sodowych do magazynowania energii są bardziej obfite i produktywne, więc cena sodu jest stosunkowo niska, co sprzyja obniżeniu całkowitego kosztu akumulatorów
- Jony sodu nie zawierają metali ciężkich, które zanieczyszczają środowisko i mają stosunkowo niewielki wpływ na środowisko
Wady:
- Większa pojemność baterii: Ze względu na większy rozmiar jonów sodu, aby pomieścić więcej jonów, wymagana jest większa powierzchnia elektrody, co skutkuje większą objętością akumulatorów sodowych przy określonych wymaganiach przestrzennych.
- Stabilność jest średnia: szczególnie w złożonych środowiskach, takich jak wysoka temperatura i wysokie ciśnienie, jony sodu są podatne na reakcje niestabilne, co może powodować problemy związane z bezpieczeństwem, takie jak spalenie i eksplozja akumulatora, aby je rozwiązać, potrzebne są dalsze badania i rozwój.
- Ograniczone zastosowanie komercyjne: Komercyjne zastosowanie akumulatorów sodowych jest stosunkowo ograniczone, obecnie wykorzystywane głównie w wielkoskalowych systemach magazynowania energii i w określonych scenariuszach do specyficznych potrzeb w zakresie magazynowania energii, takich jak magazynowanie energii słonecznej i wiatrowej.
④ Akumulator niklowo-wodorowy
Korzyść:
- Gęstość energii wagi wynosi 65 Wh/kg, a objętościowa gęstość energii wzrosła o 200 Wh/L.
- Wysoka gęstość mocy, zdolne do przyjmowania większych prądów podczas ładowania i rozładowywania
- Dobra wydajność rozładowania w niskiej temperaturze
- Wysoki cykl życia
- Przyjazny dla środowiska i wolny od zanieczyszczeń
Wady:
- Normalny zakres temperatur pracy -15-40 ℃, słaba wydajność w wysokich temperaturach
- Wysoki stopień samorozładowania
- Niskie napięcie robocze, zakres napięcia roboczego 1,0-1,4V
- Akumulator niklowo-wodorowy cena jest droższa niż akumulatory kwasowo-ołowiowe, ale wydajność jest gorsza niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych
- Dlatego, jako rodzaj akumulatora do magazynowania energii, nie jest to zalecane.
⑤ Superkondensatory
Superkondensatory, znane również jako superkondensatory lub kondensatory dwuwarstwowe, to system magazynowania energii, który przyciągnął uwagę profesjonalistów z branży. Magazynowanie energii poprzez ładunki elektrostatyczne.
W porównaniu do akumulatorów, superkondensatory mają większą moc i można je ładować i rozładowywać w krótszym czasie. W porównaniu do akumulatorów, ich energia właściwa jest stosunkowo niska. Dlatego, Najbardziej efektywnym zastosowaniem superkondensatorów jest zapewnienie bardzo krótkiego skoku mocy w celu dostarczenia energii. Z tej perspektywy, superkondensatory obecnie nie nadają się do głównego nurtu magazynowania energii.
Korzyść:
- Wysoka gęstość mocy
- Krótki czas ładowania
Wady:
- Niska gęstość energii, tylko 1-10 Wh/kg
- Żywotność baterii jest zbyt krótka
Poniżej znajduje się arkusz danych superkondensatorów i zwykłych akumulatorów energii w celach informacyjnych.
⑥ Ogniwo paliwowe
Istnieje wiele rodzajów ogniwa paliwowe, a ich wyjątkowość polega na różnorodnych możliwościach potencjalnych zastosowań, przy czym każdy typ działa nieco inaczej. Jeśli jako paliwo używany jest wodór, produkty to energia elektryczna, woda, i ciepło, które można wykorzystać do wytwarzania czystej i wydajnej energii elektrycznej.
Zasada działania ogniw paliwowych jest podobna do zasady działania akumulatorów, ale nie wyczerpują ich mocy ani nie wymagają ładowania. O ile jest zapas paliwa, będą wytwarzać energię elektryczną i ciepło.
Korzyść:
- Wyższy niż energia
- Wysoka zdolność indywidualna
- Wysoka gęstość mocy
- Przyjazny dla środowiska i wolny od zanieczyszczeń
Wady:
- System jest złożony, a dojrzałość techniczna niska
- Wysokie wymagania dotyczące dwutlenku siarki w powietrzu
- Trudno jest określić jakość lub wyższość stosowania różnych paliw jako akumulatorów energii, ponieważ ich żywotność jest różna
⑦ Bateria przepływowa
Baterie przepływowe to stosunkowo nowa technologia akumulatorów, która staje się coraz bardziej popularna w zastosowaniach magazynowania energii na dużą skalę.
Jest to akumulator, w którym elektrolit przepływa z jednego lub większej liczby zbiorników przez ogniwo elektrochemiczne, magazynowanie i uwalnianie energii poprzez ciekły elektrolit pompowany przez akumulator.
W tym samym czasie, pojemność magazynu można zwiększyć zwiększając ilość elektrolitu przechowywanego w zbiorniku.
Oddzielenie poziomu energii od poziomu mocy jest ważną cechą wydajności systemów akumulatorów przepływowych.
Główne typy to:
Bateria przepływowa wanadowa (VRFB)
Może być całkowicie rozładowywany przez długi czas bez pogorszenia wydajności.
Nadaje się do magazynowania na dużą skalę w sieci energetycznej, ale drogie w cenie.
Bateria przepływowa z bromkiem cynku
Ma wysoką gęstość energii i szerokie perspektywy pod względem kosztów i żywotności.
Jednakże, nadal istnieje możliwość poprawy dostępności materiałów, technologia, i dojrzałość produkcyjną.
Korzyść:
- Bezpieczne i niezawodne działanie (niepalny elektrolit)
- Możliwość głębokiego rozładowania
- Charakteryzuje się dużą szybkością rozładowania
- Żywotność baterii litowo-jonowej: cykl życia do 30 lata
- Szybki czas reakcji: Szybkie przełączanie pomiędzy ładowaniem i rozładowywaniem, tylko 0.02 towary drugiej jakości;
Wady:
- Niska gęstość mocy
- Duży ślad (zbiornik na elektrolit)
- Wyższe wymagania konserwacyjne
- Zanieczyszczenie krzyżowe elektrolitów dodatnich i ujemnych
- Niektóre wymagają drogich membran jonowymiennych
- Obydwa roztwory mają większe objętości i niższą energię właściwą
- Niska efektywność konwersji energii (65-70%)
Odpowiednie zastosowania:
Długoterminowe magazynowanie energii na dużą skalę
Zastosowania wymagające długotrwałego, stałego niskiego zużycia energii
⑧ Bateria litowo-siarkowa
Bateria litowo-siarkowa to akumulator, którego anodą jest lit, a katodą siarka. Należy do baterii litowych, ale jak jony sodu, siarka jest również bogata w zasoby na Ziemi i ma swoje własne cechy wysokiej jakości.
Istnieje bardziej wszechstronne i szczegółowe wprowadzenie do Bateria litowo-siarkowa vs. Bateria litowo-jonowa – Jak wybrać w tym artykule.
Korzyść:
- Wysoka gęstość energii, teoretyczna gęstość energii, jaką może osiągnąć 2600 Wh/kg;
- Niski koszt
- Niskie zużycie energii
Wady：
- Stałe produkty reakcji mogą blokować kontakt elektrolitu z powietrzem, wpływające na proces reakcji
- Trudność techniczna jest duża, a wdrożenie komercjalizacji jest nadal w fazie badań.
⑨ Bateria litowo-kobaltowo-tlenkowa(LKO, LiCoO2)
Bateria litowo-kobaltowo-tlenkowa jest również baterią litową , W 6 Rodzaje chemiczne akumulatorów litowo-jonowych, spośród których możesz wybierać zawiera szczegółowe informacje na temat baterii litowo-kobaltowo-tlenkowej (LKO, LiCoO2) został wprowadzony w artykule.
Korzyść:
- Wysoka energia właściwa (gęstość energii)
- Nadaje się do małych przenośnych urządzeń elektronicznych
Wady:
- Niezbyt długa żywotność baterii litowej: zazwyczaj ma żywotność 500-1000 cykle
- Cena kobaltu jest dość droga i nieopłacalna.
- Niska stabilność termiczna i potencjalne zagrożenia bezpieczeństwa.
- Specyficzne ograniczenie mocy: Niższa moc właściwa ogranicza wydajność baterii litowo-kobaltowo-tlenkowej.
Na podstawie aktualnych danych rynkowych, LCO nie jest szczególnie popularnym typem baterii.
Wybór go jako jednego z rozważanych typów akumulatorów energii wynika z badań m.in Kontrakty z lantanowcami Lepsze akumulatory LiCoO2 wysokiego napięcia.
Lantanowce elementy są również bardzo rzadkie w przyrodzie, Trudno jednak zignorować ich wkład w trwałość akumulatorów.
Reakcje chemiczne akumulatorów litowo-polimerowych mogą zrekompensować niedobór pierwiastków litowych, a różne typy akumulatorów wytwarzanych w wyniku reakcji różnych pierwiastków zapewniają rynkowi większy wybór i witalność.
Oprócz skupienia się na rynku głównego nurtu, należy także zwrócić uwagę na przyszły rozwój przemysłu akumulatorowego. Można powiedzieć, że akumulatory litowo-lantanowo-kobaltowe to także rodzaj akumulatorów, na który warto zwrócić uwagę.
Streszczenie
Jak widać, Optymalny dobór akumulatora do magazynowania energii uwzględnia podstawowe wymagania użytkowe, takie jak moc właściwa, gęstość energii, koszt, bezpieczeństwo, i życie cykliczne.
Baterie litowo-jonowe mają dobrą wydajność, ale są drogie, natomiast akumulatory kwasowo-ołowiowe są tanie, ale ich wszechstronna moc nie pokrywa w pełni obecnego zapotrzebowania rynku magazynowania energii.
Rozwój akumulatorów sodowo-jonowych i akumulatorów litowo-polimerowych LCO z lantanowcami również jest obiecujący na przyszłość.
GycxSolar oferuje popularne produkty na rynku, takie jak akumulatory ołowiowo-kwasowe i akumulatory litowe. Witamy, śmiało pytaj.
