Gęstość energetyczna kontra żywotność: co naprawdę się liczy w magazynowaniu stacjonarnym

W porównaniu technologii magazynowania energii istnieje jedna liczba, która jest wymieniana częściej niż jakakolwiek inna: gęstość energetyczna, czyli watogodziny na kilogram. To parametr, który napędzał dwadzieścia lat rozwoju baterii z prostego powodu: baterie rozwijały się przede wszystkim z myślą o rzeczach, które się poruszają. O telefonie, narzędziu, samochodzie.

W przypadku magazynowania stacjonarnego ta liczba ma znacznie mniejsze znaczenie, niż się uważa, i ten artykuł wyjaśnia dlaczego oraz na jaki parametr patrzeć w zamian.

Kompromis bez ogródek

Le komórki polianionowe NFPP mają gęstość energetyczną wynoszącą 100–120 Wh/kg. Fosforan żelazowo-litowy mieści się w przedziale od 120 do 180, a niklowo-manganowo-kobaltowy od 220 do 280.

Wartości dla chemii referencyjnych pochodzą z testów przeprowadzonych na określonych ogniwach porównawczych wskazanych w źródle, w podanych warunkach testowych. Nie należy ich interpretować jako uniwersalnych osiągów poszczególnych rodzin chemicznych, które obejmują ogniwa o bardzo różniących się między sobą formulacjach i budowach.

Czytana od lewej do prawej tabela wygląda jak ranking, w którym sód zajmuje ostatnie miejsce. Jeśli jednak spojrzeć na obie kolumny łącznie, wynika z niej coś innego: obie wielkości poruszają się w przeciwnych kierunkach. Nikiel-mangan-kobalt ma najgęstszą gęstość i najniższą liczbę cykli. Sód polianionowy ma najmniejszą gęstość i najwyższą liczbę cykli. To nie jest zbieg okoliczności, to fizyka.

Dlaczego nie można mieć obu

Katoda magazynuje energię, przechowując jony w strukturze krystalicznej. Istnieją dwa sposoby zaprojektowania tej struktury, które są ze sobą sprzeczne.

Można to zrobić gęsta i lekka: niewiele atomów, które nie biorą udziału w reakcji, wiele miejsc dostępnych dla jonów, skoncentrowana masa tam, gdzie jest potrzebna. Jest to droga tlenków warstwowych, która zapewnia najwyższą energię właściwą. Kosztem tego jest to, że struktura rozszerza się i kurczy w każdym cyklu, a w wyniku ciągłego „oddychania” traci porządek.

Albo można to przedstawić w następujący sposób sztywna: powstaje trójwymiarowa struktura szkieletowa z grupami fosforanowymi i pirofosforanowymi, które utrzymują sieć w odpowiednim położeniu. Jony wchodzą i wychodzą, nie powodując odkształcenia struktury. Kosztem tego rozwiązania jest fakt, że grupy te mają masę, a masa ta nie magazynuje energii — stanowi jedynie strukturę nośną.

Gęstość energetyczna, której nie posiada katoda polianionowa, odpowiada dokładnie masie szkieletu, który zapewnia jej trwałość.

Prosić chemiczkę o jedno i drugie to tak, jak prosić budynek, żeby miał cienkie mowy i wytrzymał trzęsienie ziemi.

Ile to naprawdę waży w praktyce?

W odniesieniu do instalacji domowej: przy tej samej mocy zainstalowanej akumulator polianionowo-sodowy zajmuje więcej miejsca i jest cięższy niż akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy. W przypadku szafki ustawionej przy ścianie, w garażu lub w pomieszczeniu technicznym oznacza to kilka centymetrów większą głębokość i kilkadziesiąt kilogramów dodatkowej masy.

Warto zadać sobie pytanie, kiedy stanowi to rzeczywisty problem. Jeśli bateria ma zostać wniesiona na dach, zmieścić się w wąskiej, istniejącej wnęce lub zostać zamontowana na ścianie na lekkiej konstrukcji, objętość i wagę należy zweryfikować podczas wizji lokalnej – tak jak w przypadku każdego innego ograniczenia instalacyjnego. W naziemnym pomieszczeniu technicznym, co jest sytuacją zdecydowanie najczęstszą, różnica ta nie ma praktycznych konsekwencji.

Jedno pozostaje niezmienne: bateria stacjonarna jest podnoszona tylko raz, w dniu instalacji. Od tego momentu watogodziny na kilogram nie mają już żadnego znaczenia. Ani dla wydajności, ani dla rachunku, ani dla trwałości.

Parametr do obserwacji

Jeśli gęstość energetyczna nie jest właściwym kryterium dla stanu stacjonarnego, to jakie jest?

To jest koszt energii faktycznie wykorzystanej w cyklu przez cały okres eksploatacji systemu — w literaturze LCOS, Uśredniony koszt magazynowania energii. W pierwszym przybliżeniu oblicza się to poprzez podzielenie całkowitego kosztu systemu przez ilość energii, jaką system ten zdoła przetransportować przed zakończeniem okresu eksploatacji.

Chodzi o to, że w mianowniku znajdują się cykle. Dwie baterie o tej samej cenie katalogowej i tej samej pojemności, ale z różną liczbą cykli, mają zupełnie inne koszty zgromadzonego kWh – a tej różnicy nie widać w żadnym porównaniu opartym na cenie zakupu.

Istotne są też trzy czynniki, których cena katalogowa nie uwzględnia:

• l’wydajność w obie strony, ponieważ każdy utracony punkt to energia, która zamienia się w ciepło w każdym cyklu, przez cały okres eksploatacji systemu. Ogniwa NFPP mają wymiary 97%;
• w użytkowa głębokość rozładowania, ponieważ pojemność znamionowa, z której można wykorzystać tylko część, jest zawyżoną pojemnością znamionową. 9 000 cykli ogniw NFPP podano przy głębokości rozładowania (DoD) wynoszącej 95%, czyli przy niemal całkowitym rozładowaniu akumulatora w każdym cyklu;
• w przeliczenie na rzeczywiste temperatury w miejscu instalacji, a nie w temperaturze laboratoryjnej 25 °C — temat osobna analiza pogłębiona.

Zastosowaliśmy tę metodę do obecnej generacji systemów Heiwit w artykuł poświęcony obliczaniu wskaźnika LCOS. Aktualne wartości dotyczące generowania z ogniw polianionowych zostaną opublikowane w momencie wprowadzenia produktu na rynek, gdy specyfikacje systemu będą ostateczne.

Gdy wybór byłby odwrotny

Aby zachować rzetelność rozumowania, należy wskazać, w jakich przypadkach ten kompromis się nie sprawdza.

W pojeździe elektrycznym każdy kilogram akumulatora to masa, którą trzeba przyspieszać, hamować i przewozić przez cały okres eksploatacji pojazdu: w tym przypadku gęstość energetyczna nie jest tylko jednym z wielu parametrów, lecz jest w parametr. Lo samo dotyczy elektroniki przenośnej, narzędzi akumulatorowych oraz każdej aplikacji, w której za wagę płaci się przy każdym użyciu.

Dlatego sód nie zastąpi wszędzie litu, a kto przedstawia to jako technologię “pokonującą lit”, ten upraszcza sprawę aż do błędu. To chemie o różnych przeznaczeniach. Magazynowanie stacjonarne połączone z fotowoltaiką to zastosowanie, w którym właściwości sodu polianionowego – trwałość, stabilność termiczna, tolerancja na zimno, niezależność od litu i kobaltu – znaczą więcej niż to, z czego rezygnuje.

Często zadawane pytania

Czy bateria sodowa jest większa niż litowa?

Tak, przy tej samej pojemności w kWh. Różnica wynosi kilka centymetrów i kilkadziesiąt kilogramów w przypadku domowego systemu i należy ją sprawdzić podczas oględzin tylko wtedy, gdy dostępna przestrzeń jest ograniczona.

Czy Meno Wh/kg oznacza, że jest mniej wydajny?

Nie. Gęstość energetyczna określa, ile energii mieści się w jednym kilogramie, a nie ile energii jest zwracane. Ilość energii zwracanej w każdym cyklu zależy od sprawności — 97% w przypadku ogniw NFPP — oraz od głębokości rozładowania, z której można skorzystać.

Czym jest LCOS?

Uśredniony koszt magazynowania energiikoszt każdego kWh przepływającego przez akumulator w całym okresie jego eksploatacji, uzyskany poprzez podzielenie całkowitego kosztu systemu przez całkowitą ilość energii w cyklach. Jest to parametr, który umożliwia porównanie akumulatorów o różnych cenach, pojemnościach i żywotności.

Dlaczego nie zaprojektuje się jednocześnie gęstej i sztywnej katody?

Ponieważ sztywność uzyskuje się poprzez dodanie do sieci grup, które utrzymują ją w miejscu, a grupy te mają masę, która nie bierze udziału w magazynowaniu energii. Gęstość i stabilność strukturalna rywalizują o tę samą przestrzeń i tę samą masę.