Ενεργειακή πυκνότητα έναντι διάρκειας ζωής: τι έχει πραγματικά σημασία στην αποθήκευση σταθερής ισχύος

Στη σύγκριση μεταξύ των τεχνολογιών αποθήκευσης, υπάρχει ένας αριθμός που αναφέρεται περισσότερο από οποιονδήποτε άλλο: η ενεργειακή πυκνότητα, τα βατ-ώρα ανά χιλιόγραμμο. Είναι η παράμετρος που καθοδήγησε είκοσι χρόνια ανάπτυξης των μπαταριών, για έναν απλό λόγο: οι μπαταρίες αναπτύχθηκαν κυρίως για αντικείμενα που κινούνται. Ένα τηλέφωνο, ένα εργαλείο, ένα αυτοκίνητο.

Στην περίπτωση μιας στατικής συσσώρευσης, ο αριθμός αυτός έχει πολύ μικρότερη σημασία από ό,τι πιστεύεται, και αυτό το άρθρο εξηγεί γιατί — και ποια παράμετρο πρέπει να λαμβάνουμε υπόψη αντ’ αυτού.

Ο συμβιβασμός, με απλά λόγια

Le πολυανιονικά στοιχεία NFPP έχουν ενεργειακή πυκνότητα 100–120 Wh/kg. Το φωσφορικό σίδηρο-λιθίου κυμαίνεται μεταξύ 120 και 180, ενώ το νικέλιο-μαγγάνιο-κοβάλτιο μεταξύ 220 και 280.

Οι τιμές για τα χημικά αναφοράς προέρχονται από δοκιμές που διεξήχθησαν στις συγκεκριμένες κυψέλες σύγκρισης που αναφέρονται στην πηγή, υπό τις αναφερόμενες συνθήκες δοκιμής. Δεν πρέπει να ερμηνεύονται ως γενικές επιδόσεις των αντίστοιχων χημικών οικογενειών, οι οποίες περιλαμβάνουν κυψέλες με πολύ διαφορετικές μεταξύ τους συνθέσεις και κατασκευές.

Αν τη διαβάσει κανείς από αριστερά προς τα δεξιά, ο πίνακας μοιάζει με κατάταξη στην οποία το νάτριο καταλαμβάνει την τελευταία θέση. Αν όμως εξεταστούν οι δύο στήλες μαζί, προκύπτει κάτι διαφορετικό: οι δύο μεγέθη κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Το νικέλιο-μαγγάνιο-κοβάλτιο έχει τη μεγαλύτερη πυκνότητα και τους λιγότερους κύκλους. Το πολυανιονικό νάτριο έχει τη μικρότερη πυκνότητα και τους περισσότερους κύκλους. Δεν είναι σύμπτωση, είναι φυσική.

Γιατί δεν μπορείς να τα έχεις και τα δύο

Μια κάθοδος αποθηκεύει ενέργεια φιλοξενώντας ιόντα σε μια κρυσταλλική δομή. Υπάρχουν δύο τρόποι σχεδιασμού αυτής της δομής, οι οποίοι βρίσκονται σε αντίθεση μεταξύ τους.

Μπορεί να γίνει πυκνή και ελαφριά: λίγα άτομα που δεν συμμετέχουν στην αντίδραση, πολλές διαθέσιμες θέσεις για τα ιόντα, συγκεντρωμένη μάζα εκεί όπου χρειάζεται. Αυτή είναι η μέθοδος των στρωματοποιημένων οξειδίων, η οποία παράγει την υψηλότερη ειδική ενέργεια. Το μειονέκτημα είναι ότι η δομή διαστέλλεται και συστέλλεται σε κάθε κύκλο, και λόγω της συνεχούς «αναπνοής» χάνει την τάξη της.

Ή μπορεί κανείς να την κάνει άκαμπτη: δημιουργείται ένα τρισδιάστατο πλέγμα με ομάδες φωσφορικού και πυροφωσφορικού άλατος που συγκρατούν το πλέγμα στη θέση του. Τα ιόντα εισέρχονται και εξέρχονται χωρίς να παραμορφώνεται η δομή. Το μειονέκτημα είναι ότι αυτές οι ομάδες έχουν μάζα, και η μάζα αυτή δεν αποθηκεύει ενέργεια — αποτελεί απλώς τη δομή στήριξης.

Η ενεργειακή πυκνότητα που δεν διαθέτει η πολυανιονική κάθοδος αντιστοιχεί ακριβώς στο βάρος του σκελετού που της προσδίδει αντοχή.

Το να ζητήσεις από μια χημική ουσία και τα δύο είναι σαν να ζητάς από ένα κτίριο να έχει λεπτούς τοίχους και να αντέχει στους σεισμούς.

Πόσο ζυγίζει πραγματικά, στην πράξη;

Αν το μεταφράσουμε σε οικιακό σύστημα: με την ίδια εγκατεστημένη χωρητικότητα, μια μπαταρία αποθήκευσης με πολυανιονικό νάτριο είναι πιο ογκώδης και βαρύτερη από μια μπαταρία λιθίου-σιδήρου-φωσφορικού. Σε ένα ντουλάπι που βρίσκεται δίπλα σε έναν τοίχο, σε ένα γκαράζ ή σε ένα τεχνικό χώρο, αυτό μεταφράζεται σε μερικά εκατοστά επιπλέον βάθος και μερικές δεκάδες κιλά επιπλέον βάρος.

Αξίζει να αναρωτηθούμε πότε αυτό αποτελεί πραγματικό πρόβλημα. Εάν η μπαταρία πρέπει να ανυψωθεί σε στέγη, να τοποθετηθεί σε έναν υπάρχοντα στενό χώρο ή να στερεωθεί σε τοίχο πάνω σε ελαφριά κατασκευή, ο όγκος και το βάρος της πρέπει να ελέγχονται κατά τη διάρκεια της επιτόπιας επιθεώρησης — όπως ελέγχονται και οποιοιδήποτε άλλοι περιορισμοί εγκατάστασης. Σε ένα τεχνικό χώρο στο ισόγειο, που είναι μακράν η πιο συχνή περίπτωση, η διαφορά δεν έχει πρακτικές συνέπειες.

Αυτό που δεν αλλάζει ποτέ είναι το εξής: Μια σταθερή μπαταρία ανυψώνεται μόνο μία φορά, την ημέρα της εγκατάστασης. Από εκείνη τη στιγμή, τα βατ-ώρα ανά χιλιόγραμμο δεν επηρεάζουν πλέον τίποτα. Ούτε την απόδοση, ούτε τον λογαριασμό, ούτε τη διάρκεια ζωής.

Ο παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη

Αν η ενεργειακή πυκνότητα δεν είναι το σωστό κριτήριο για το στατικό σύστημα, ποιο είναι τότε;

Είναι το κόστος της ενέργειας που πράγματι κυκλοφόρησε καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής του συστήματος — στη βιβλιογραφία LCOS, Εξισορροπημένο κόστος αποθήκευσης. Σε πρώτη προσέγγιση, υπολογίζεται διαιρώντας το συνολικό κόστος του συστήματος με την ποσότητα ενέργειας που το σύστημα αυτό θα καταφέρει να μεταφέρει πριν φτάσει στο τέλος του κύκλου ζωής του.

Το θέμα είναι ότι στον παρονομαστή υπάρχουν οι κύκλοι. Δύο μπαταρίες με την ίδια τιμή καταλόγου και την ίδια χωρητικότητα, αλλά με διαφορετικό αριθμό κύκλων, έχουν πολύ διαφορετικό κόστος ανά αποθηκευμένο kWh — και αυτή η διαφορά δεν φαίνεται σε καμία σύγκριση που γίνεται με βάση την τιμή αγοράς.

Επιπλέον, υπάρχουν τρεις παράγοντες που δεν αποτυπώνονται στην τιμή καταλόγου:

• το’απόδοση μετ’ επιστροφής, διότι κάθε χαμένη μονάδα είναι ενέργεια που διαχέεται ως θερμότητα σε κάθε κύκλο, καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής του συστήματος. Τα στοιχεία NFPP έχουν διαστάσεις 97%·;
• το χρησιμοποιήσιμο βάθος εκφόρτωσης, διότι μια ονομαστική χωρητικότητα της οποίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο ένα μέρος αποτελεί φουσκωμένη ονομαστική χωρητικότητα. Οι 9.000 κύκλοι των κυψελών NFPP δηλώνονται με DoD 95%, δηλαδή με σχεδόν πλήρη αποφόρτιση της μπαταρίας σε κάθε κύκλο·;
• το προσαρμογή στις πραγματικές θερμοκρασίες του τόπου εγκατάστασης, και όχι στους 25 °C του εργαστηρίου — το θέμα της μια ξεχωριστή ανάλυση.

Εφαρμόσαμε αυτή τη μέθοδο στην τρέχουσα γενιά των συστημάτων Heiwit σε ένα άρθρο αφιερωμένο στον υπολογισμό του LCOS. Οι επικαιροποιημένες τιμές για τη γεννήτρια πολυανιονικών κυψελών θα δημοσιευθούν κατά την κυκλοφορία του προϊόντος στην αγορά, όταν οι προδιαγραφές του συστήματος θα έχουν οριστικοποιηθεί.

Όταν η επιλογή θα ήταν αντίθετη

Για λόγους ειλικρίνειας, πρέπει να αναφερθεί σε ποιες περιπτώσεις αυτός ο συμβιβασμός δεν στέκει.

Σε ένα ηλεκτρικό όχημα, κάθε κιλό της μπαταρίας αποτελεί μάζα που πρέπει να επιταχυνθεί, να φρενάρει και να μεταφερθεί καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής του οχήματος: σε αυτή την περίπτωση, η ενεργειακή πυκνότητα δεν είναι απλώς ένας παράμετρος μεταξύ άλλων, αλλά είναι το παράμετρος. Το ίδιο ισχύει για τα φορητά ηλεκτρονικά συσκευές, τα εργαλεία με μπαταρία και για οποιαδήποτε εφαρμογή όπου το βάρος αποτελεί μειονέκτημα σε κάθε χρήση.

Γι“ αυτό το λόγο το νάτριο δεν θα αντικαταστήσει το λίθιο παντού, και όσοι το παρουσιάζουν ως μια τεχνολογία που ”ξεπερνά το λίθιο» απλοποιούν τα πράγματα σε βαθμό που κάνουν λάθος. Πρόκειται για χημικές ουσίες με διαφορετικές εφαρμογές. Η σταθερή αποθήκευση σε συνδυασμό με τα φωτοβολταϊκά είναι η εφαρμογή στην οποία οι ιδιότητες του πολυανιονικού νατρίου — διάρκεια ζωής, θερμική σταθερότητα, αντοχή στο κρύο, ανεξαρτησία από το λίθιο και το κοβάλτιο — υπερτερούν των μειονεκτημάτων του.

Συχνές ερωτήσεις

Μια μπαταρία νατρίου είναι μεγαλύτερη από μια μπαταρία λιθίου;

Ναι, με την ίδια χωρητικότητα σε kWh. Η διαφορά είναι μερικά εκατοστά και μερικές δεκάδες κιλά σε ένα οικιακό σύστημα, και πρέπει να ελέγχεται επιτόπου μόνο αν ο διαθέσιμος χώρος είναι περιορισμένος.

Λιγότερα Wh/kg σημαίνει ότι έχει μικρότερη απόδοση;

Όχι. Η ενεργειακή πυκνότητα περιγράφει πόση ενέργεια περιέχεται σε ένα χιλιόγραμμο, όχι πόση ενέργεια επιστρέφεται. Η ενέργεια που επιστρέφεται σε κάθε κύκλο εξαρτάται από την απόδοση — 97% για τα στοιχεία NFPP — και από το βάθος εκφόρτισης που μπορεί να αξιοποιηθεί.

Τι είναι το LCOS;

Εξισορροπημένο κόστος αποθήκευσης: το κόστος κάθε kWh που διέρχεται από την μπαταρία καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής της, το οποίο υπολογίζεται διαιρώντας το συνολικό κόστος του συστήματος με τη συνολική ενέργεια που έχει υποστεί κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης. Πρόκειται για την παράμετρο που επιτρέπει τη σύγκριση μπαταριών με διαφορετικές τιμές, χωρητικότητες και διάρκειες ζωής.

Γιατί δεν σχεδιάζουμε μια πυκνή και άκαμπτη κάθοδο ταυτόχρονα;

Επειδή η ακαμψία επιτυγχάνεται με την προσθήκη ομάδων στο πλέγμα που το συγκρατούν στη θέση του, και αυτές οι ομάδες έχουν μάζα που δεν συμβάλλει στην αποθήκευση ενέργειας. Η πυκνότητα και η δομική σταθερότητα ανταγωνίζονται για τον ίδιο χώρο και την ίδια μάζα.