Straty w magazynie energii – jak powstają?

Akumulatory litowo-jonowe tracą energię i pojemność

Aspektem, o którym wielu konsumentów zdaje się zapominać jest fakt, iż dbanie o prawidłową eksploatację nabywanych przez nich dóbr często bezpośrednio wpływa na ich żywotność. Nie inaczej jest w przypadku akumulatorów litowo-jonowych, które obecnie stanowią podstawę konstrukcji większości magazynów energii przeznaczonych do użytku prywatnego lub komercyjnego. Okazuje się bowiem, że przy wielu zaletach technologia ta posiada także istotne ograniczenia, z których istnienia warto zdawać sobie sprawę. Pozwoli to zrewidować sposób użytkowania akumulatora celem optymalizacji efektywności jego pracy w domowym czy też firmowym systemie energetycznym. To ile energii i jak długo jest w stanie przechować magazyn energii zależy bowiem w dużej mierze od tego, w jakich warunkach i w jaki sposób jest wykorzystywany.

Akumulatory litowo-jonowe tracą z czasem energię i pojemność, a na szybkość postępowania i stopień zaawansowania tych procesów mogą w mniejszym lub większym zakresie wpłynąć ich użytkownicy. Choć w artykule będzie mowa zarówno o utarcie energii elektrycznej zgromadzonej w magazynie, jak i stopniowej degradacji jego pojemności, to trzeba zaznaczyć, że są zjawiska odrębne:

• Straty w zgromadzonej energii – procentowy ubytek energii elektrycznej przechowywanej w nieużywanym przez określony czas magazynie energii. Utracony wolumen energii można oczywiście w każdym momencie uzupełnić, jednak starty te mogą stanowić zaskoczenie dla użytkownika, który po naładowaniu akumulatora do poziomu np. 80% po jakimś czasie w aplikacji kontrolującej poziom energii w magazynie energii zobaczy 70%.
• Straty w pojemności magazynu energii – mają one charakter nieodwracalny i spowodowane są stopniową degradacją ogniw bateryjnych, z których zbudowany jest akumulator. Do uszkodzenia ogniw dochodzi w wyniku różnych czynników takich jak charakterystyka eksploatacji magazynu energii czy temperatura pracy i przechowywania urządzenia.

Straty w magazynie energii – co na nie wpływa?

Oszacowanie dokładnych strat, jakie w zakresie odwracalnej utraty energii lub nieodwracalnej redukcji pojemności poniesie magazyn energii w określonym czasie, jest bardzo trudne, gdyż na oba te procesy może wpływać wiele czynników zarówno wewnętrznych, jak i zewnętrznych. Do tych pierwszych należy między innymi technologia wykonania ogniw i ich stopień zużycia. Trzeba bowiem pamiętać, że inżynierowie pracujący dla różnych koncernów wciąż starają się opracowywać i doskonalić parametry ogniw bateryjnych tak, aby traciły one, jak najmniej energii podczas przechowywania prądu oraz wykazywały możliwie najdłuższą żywotność podczas regularnej eksploatacji. Obecnie najbardziej obiecującą technologią w kontekście tych aspektów jest technologia litowo-żelazowo-fosforanowa, choć opracowywane są już inne rodzaje ogniw zastępujące lit innymi pierwiastkami, np. cynkiem lub sodem.

Innymi czynnikami wewnętrznymi, które będą miały znaczenie w obszarze rozmiarów strat, jakie może wykazywać magazyn energii, jest jakość wykonania i sama pojemność urządzenia. Pierwszy aspekt jest oczywisty i wskazuje na fakt, że większe środki włożone w inwestycję w magazyn energii z wyższej półki mogą zwrócić się w postaci zredukowania problemów związanych z późniejszymi stratami energii i pojemności. Jeżeli chodzi natomiast o wielkość magazynu energii, to nie warto przesadzać z zakupem urządzenia, którego możliwości przechowywania energii elektrycznej znacznie przekraczają zapotrzebowanie energetyczne inwestora. Ogniwa, które długotrwale będą pozostawały nienaładowane z czasem utracą swoją sprawność, a magazyn energii zacznie wykazywać straty w swojej żywotności. Wówczas korzyści płynące z użytkowania magazynu energii mogą nie zrekompensować kosztów inwestycji.

Ładowanie i rozładowywanie magazynu energii

Mogłoby się wydawać, że nie ma nic prostszego niż naładowanie magazynu energii do 100%, a następnie zupełne rozładowanie go celem rozpoczęcia kolejnego cyklu ładowania. Okazuje się jednak, że taki tryb eksploatacji akumulatora najpewniej przyczyni się do powstawania większych strat w zgromadzonej w nim energii, szczególnie jeżeli nie jest ona zużywana na bieżąco, ale czeka na przykład na okres ograniczonego uzysku z fotowoltaiki. Dodatkowo pełne rozładowywanie akumulatora i długotrwałe korzystanie z jego stuprocentowej pojemności będzie miało wpływ na skrócenie żywotności urządzenia. Nie bez przyczyny producenci magazynów energii najczęściej zamieszczają w kartach produktowych zarówno nominalną, jak i użytkową pojemność urządzenia pokazując potencjalnemu użytkownikowi jaką rzeczywistą pojemnością będzie mógł dysponować ładując akumulator w zalecany sposób. Warto w tym kontekście zwrócić uwagę na dwa parametry, które także powinny pojawiać się w zestawieniu parametrów każdego magazynu energii:

• DoD (ang. Depth of Discharge) – stopień (głębokość) rozładowania akumulatora, który określa procentowo do jakiej wartości można rozładowywać akumulator bez znaczącej utraty jego pojemności po wykonaniu określonej ilości cykli ładowania i rozładowywania. Magazyny energii o DoD 100% pozwalają korzystać z całej pojemności urządzenia, jednak nie warto tego robić w trybie bieżącym, a na przykład raz na kilka cykli ładowania. Dość wspomnieć, że rozładowywanie akumulatora do 50% może wydłużyć jego żywotność dwukrotnie.
• SoC (ang. State of Charge) – stopień naładowania magazynu energii. Wielu producentów (np. Tesla) zaleca, aby w trybie bieżącym nie przekraczać 80% naładowania akumulatora, gdyż będzie to pozostawało z korzyścią dla długiego utrzymania jego pojemności i redukowało wymiar strat energetycznych wykazywanych przez urządzenie (nawet trzykrotne wydłużenie żywotności). Dlaczego tak się dzieje? Ponieważ ostatnia faza ładowania (do 100%) wpływa negatywnie na jakość elektrolitu. Oczywiście celem zachowania sprawności wszystkich ogniw w magazynie energii raz na kilka cykli należy go naładować “do pełna”.

Temperatura pracy i przechowywania magazynu energii

Niezwykle istotne znaczenie w kontekście zarówno wymiaru strat energii w akumulatorze, jak i utrzymywania jego pierwotnej pojemności ma temperatura jego pracy oraz przechowywania. Dość powszechną wiedzą jest negatywny wpływ przegrzewania się magazynu energii na jego sprawność i żywotność. Dotyczy to zarówno temperatury pracy akumulatora, jak i jego przechowywania. Producenci zalecają tu zakres od 0 do 35 stopni Celsjusza, jednak za optymalną temperaturę uznaje się 25 stopni Celsjusza i to właśnie w takich warunkach przeprowadzane są testy urządzeń przed wypuszczeniem ich na rynek. W dużym uproszczeniu można stwierdzić, że zbyt wysokie temperatury pracy i przechowywania magazynu energii zwiększają straty energetyczne będące jego udziałem. Magazyn energii w niskich temperaturach będzie natomiast swoją wyjściową pojemność.

Procentowe zestawienie strat w magazynie energii (odwracalnych) prezentuje poniższa tabela, która ukazuje porównanie tych wartości w przypadku przechowywania akumulatora litowo-jonowego przez 1 rok w stopniu naładowania do 40% i do 100%. Oczywiście w tym okresie z pewnością dojdzie także do określonej, trwałej utraty pojemności urządzenia, jednak ciężko oszacować wielkość tych strat.

Do ważnych wniosków doszli także badacze, którzy opublikowali wyniki swoich analiz na łamach czasopisma naukowego Scientific Reports. Odkryli oni, że degradacja ogniw w akumulatorze litowo-jonowym po pierwszych 200 cyklach pracy w 25 stopniach Celsjusza wzrasta z 3,3% do 6,7% przy pracy w 45 stopniach Celsjusza. Jest to zatem dwukrotnie wyższa, nieodwracalna starta pojemności w magazynie energii.

Samorozładowanie akumulatora – czym jest?

W kontekście strat w magazynie energii często mówi się o zjawisku samorozładowania się akumulatora. Jest to tak naprawdę kluczowe zagadnienie w tym obszarze, a właściwie alternatywne nazewnictwo w odniesieniu do strat energetycznych w magazynie energii, które pojawiają się bez udziału użytkownika. Tu dużą przewagę mają akumulatory litowo-jonowe, które w porównaniu z na przykład niklowo-kadmowymi odpowiednikami wykazują znacznie wyższe napięcie ogniwa. Dlaczego ma to znaczenie w odniesieniu do zjawiska samorozładowania akumulatora? Ponieważ polega ono na obniżaniu się napięcia nieobciążonych ogniw w czasie. Średnie napięcie ogniwa litowo-jonowego wynosi ok. 3,6 V i maleje ono stopniowo w trakcie rozładowywania akumulatora.

W kontekście minimalizowania strat w magazynie energii wynikających z samorozładowywania się akumulatora warto inwestować w urządzenia nowej generacji o wyższym napięciu ogniw. Będzie to korzystne nie tylko w odniesieniu do odwracalnych start w zgromadzonej przez akumulator energii, ale także do trwałych uszkodzeń ogniw zmniejszających dostępną pojemność urządzenia.

Magazyn energii – dlaczego traci pojemność?

Starty w magazynie energii, które mają charakter nieodwracalnego zmniejszenia jego pierwotnej pojemności wynikają z uszkodzenia jego ogniw. Do tego z kolei dochodzi najczęściej w wyniku:

• Niekontrolowanego, całkowitego rozładowania magazynu energii lub długotrwałego pozostawania ogniw akumulatora w tym stanie;
• Przeładowywania magazynu energii ponad dopuszczalne napięcie (o 10-15%);
• Zbyt wysokich temperatur przechowywania lub pracy magazynu energii, co w skrajnych przypadkach może doprowadzić nawet do pożaru magazynu energii;
• Mechanicznego uszkodzenia magazynu energii na skutek uderzenia, upadku itp. Wówczas może dojść do zwarcia, czyli kontaktu pomiędzy katodą i anodą, a w konsekwencji degradacji poszczególnych ogniw bateryjnych.

Zasadą działania litowo-jonowego magazynu energii jest przepływ jonów litu w elektrolicie pomiędzy katodą wykonaną z tlenków metali (ich rodzaj zależy od technologii akumulatora) a anodą węglową o porowatej strukturze. Do uszkodzenia tak skonstruowanych ogniw dochodzi najczęściej w wyniku dekompozycji jego elementów. W obrazowym tłumaczeniu pojemność akumulatora stanowi sumę pojemności wielu cel, z których jest on zbudowany. Uszkodzenie, a więc wyłączenie z funkcjonowania określonej ilości cel zmniejsza pojemność całkowitą urządzenia powodując starty w jego efektywności, a tym samym budżecie jego użytkownika. Dlatego też dbanie o dobrą kondycję magazynu energii i zapewnienie mu optymalnych warunków pracy pozostaje w interesie inwestora.

Straty w magazynie energii – jak ich unikać?

Nie istnieją dobre praktyki, których zastosowanie sprawi, że magazyn energii przez cały okres jego użytkowania nie będzie wykazywał żadnych strat energetycznych, czy stopniowej degradacji ogniw, z których jest zbudowany. Niestety dostępne obecnie technologie akumulatorowe są pod tym względem niedoskonałe. Trzeba jednak wiedzieć, że użytkownicy na przykład domowych magazynów energii mogą mieć realny wpływ na rozmiary strat w akumulatorze. Co zatem ronić, aby odpowiednio zadbać o magazyn energii i jak najdłużej cieszyć się jego pełną efektywnością? Między innymi są to takie działania jak:

• Zapewnienie magazynowi odpowiednich temperatur pracy i przechowywania utrzymujących się w granicach od 0 do 35 stopni Celsjusza, a najlepiej stałej temperatury oscylującej w zakresie 20-25 stopni;
• Przechowywanie magazynu energii w zamkniętym pomieszczeniu bez dostępu warunków atmosferycznych panujących na zewnątrz;
• Instalacja akumulatora uwzględniająca brak bezpośredniego sąsiedztwa systemu ze źródłami ciepła;
• Zapewnienie odpowiedniej wentylacji pomieszczenia, szczególnie jeżeli magazyn energii dysponuje jedynie naturalną konwekcją w roli systemu chłodzenia;
• Nie rozładowywanie całkowicie akumulatora i niepozostawianie go na dłuższy czas w stanie pełnego rozładowania;
• Unikanie przeładowania magazynu energii, najlepiej przy wykorzystaniu systemu BMS kontrolującego parametry i pracę urządzenia;
• Unikanie ładowania magazynu energii do 100% i rozładowywania do 0% w trybie bieżącym, pamiętając jednak, aby co kilka cykli zbalansować wszystkie ogniwa w akumulatorze poprzez jego pełne naładowanie;
• Powierzenie instalacji systemu profesjonalnej firmie montującej magazyny energii, aby uniknąć ewentualnych błędów instalacyjnych mogących generować większe straty energetyczne, przegrzewanie się urządzenia i utratę gwarancji.

Magazyn energii podobnie jak większość urządzeń elektrycznych lub elektronicznych, szczególnie tych wyposażonych w akumulator, wymaga odpowiedniej eksploatacji celem utrzymania jego początkowej wydajności i sprawności. Starty w magazynie energii po określonym czasie lub w określonym trybie jego użytkowania są niestety nieuniknione i wynikają z ograniczeń zastosowanej w jego produkcji technologii. Każdy, kto kiedykolwiek miał do czynienia z akumulatorami różnego typu zdaje sobie zapewne sprawę z tych zależności. Uniwersalną poradą w zakresie redukowania wymiaru strat w magazynie energii, jest inwestycja w urządzenie wykonane w najnowszej technologii, która nie tylko zapewni większą wydajność systemu, ale również wyższą opłacalność magazynu energii połączonego z fotowoltaiką lub innym odnawialnym źródłem energii.