Magazyn energii w niskich temperaturach – jak działa?

Magazyn energii a temperatura otoczenia – jakie zależności?

Wiele magazynów energii dostępnych obecnie na europejskich, azjatyckich, czy amerykańskich rynkach wykonywanych jest w technologii litowo-jonowej (Li-Ion), przy czym część jonowa może obejmować jony żelaza, glinu, fosforu, a także manganu. Jednym z kluczowych aspektów dla pracy akumulatora jest jednak zachowanie jonów litu podczas ładowania magazynu energii. Przemieszczają się one wówczas w elektrolicie od katody do anody węglowej (grafitowej), której niejednolita struktura pozostawia miejsca do zakotwiczenia się jonów litu. Trzeba jednak w tym kontekście pamiętać, że surowce służące do budowy ogniw akumulatorowych nie pozostają obojętne na temperatury otoczenia, w których pracuje magazyn energii i to zarówno w przypadku wysokich, jak i niskich wskazań na słupku rtęci.

Za optymalną temperaturę otoczenia dla żywotności litowo – jonowych magazynów energii uznaje się temperaturę 25℃. To właśnie w takich warunkach przeprowadza się testy laboratoryjne, dzięki którym producenci są w stanie oszacować ilość cykli ładowania i rozładowywania magazynu energii, w trakcie których zachowuje on np. do 80% swojej pierwotnej pojemności. Okazuje się jednak, że nie jest to natomiast temperatura, która jednocześnie gwarantuje najwyższą pojemność akumulatora, na której wielu użytkownikom zależy.

Czy zatem można wysnuć twierdzenie, że im niższa temperatura otoczenia, w którym pracuje magazyn energii, tym bardziej optymalne parametry dla jego żywotności i mimo wszystko pojemności można uzyskać. Okazuje się, że niskie temperatury, a szczególnie te spadające poniżej zera stopni Celsjusza zdecydowanie nie wpływają pozytywnie na ilość energii, którą jest w stanie przechować magazyn energii oraz wydajność jego ładowania.

Niskie temperatury a wydajność magazynu energii – na co zwrócić uwagę?

W Europie, jak i na Świecie coraz wyraźniej zaznaczają się dążenia do magazynowania energii elektrycznej i optymalizacji jej wykorzystywania. Nie dziwi zatem fakt, że wielu właścicieli domów jednorodzinnych, czy firm decyduje się na instalację fotowoltaiki w połączeniu z magazynem energii. Trzeba jednak w tym miejscu zwrócić uwagę na fakt uzależnienia wydajności i sprawności tych rozwiązań od warunków atmosferycznych, czy panującego w danej lokalizacji klimatu. W przypadku magazynów energii tak samo zbyt wysokie (jak zostało wykazane powyżej), jak i zbyt niskie temperatury otoczenia mogą ujemnie wpływać na parametry ich funkcjonowania.

W kontekście ekspozycji litowo-jonowego magazynu energii na niskie temperatury należy wrócić do aspektu ich budowy. Kiedy temperatury spadają struktury budujące ogniwa akumulatora kurczą się, a opór (rezystancja) zachodzących w nich procesów rośnie. Czym skutkuje to zjawisko? Przede wszystkim dużo niższą szybkością ładowania magazynu energii oraz jego zmniejszoną pojemnością, a więc zdolnością do przechowywania określonego wolumenu energii elektrycznej. Wybierając urządzenie tego typu warto sobie zatem zdawać sprawę z uwarunkowań temperaturowych jego funkcjonowania.

Jakie jeszcze aspekty trzeba wziąć pod uwagę w kontekście wpływu temperatur otoczenia na ich funkcjonowanie? Z pewnością będą to następujące czynniki:

• Skład chemiczny ogniw akumulatora – wpływ niskiej temperatury na pojemność akumulatora uzależniony jest od składu chemicznego urządzenia. Porównując akumulatory kwasowo-ołowiowe z litowo-jonowymi wiemy na przykład, że te pierwsze można ładować w zakresie temperatur od -20℃ do 50℃, jednak w okolicach -18℃ pojemność takiego akumulatora może spaść nawet o połowę.
• Szybkość ładowania i rozładowywania – niektórzy użytkownicy magazynów energii zauważający wpływ niskiej temperatury na ich zmniejszoną zdolność do ładowania, starają się ten proces przyspieszyć. Takie działania nie pozostają bez konsekwencji dla “zdrowia” ogniw akumulatorowych. Zarówno w przypadku ładowania, jak i rozładowywania akumulatora pracującego w niskich temperaturach, trzeba liczyć się z wydłużonym czasem tych procesów, co pozwoli uniknąć jego uszkodzenia.
• Zakresy temperatur pracy wskazane przez producenta – większość producentów magazynów energii podaje w specyfikacji swoich urządzeń zakresy temperatur, w jakich mogą one pracować. W przypadku akumulatorów litowo-jonowych ładowanie najczęściej może przebiegać w temperaturze od 0℃ do 45℃, a rozładowywanie od -20℃ do 60℃. Czy oznacza to jednak, że w każdej z tych temperatur magazyn energii będzie oferował podobną wydajność i pojemność? Oczywiście nie i obrazują to powyższe wykresy.
• Zbyt wysokie napięcie ładowania – użytkownicy magazynów energii powinni unikać podawania zbyt wysokiego napięcia ładowania urządzenia celem przyspieszenia procesu. Takie działanie może bowiem doprowadzić do wzrostu ciśnienia w ogniwach, a w konsekwencji nawet do ich wybuchu. Jest to częsta przyczyna przegrzewania się magazynów energii, a nawet ich pożarów.

Montaż magazynu energii – wewnątrz, czy na zewnątrz?

Naturalnie nasuwającym się pytaniem w kontekście konsekwencji, jakie niesie ze sobą użytkowanie magazynu energii w niskich temperaturach, jest lokalizacja jego instalacji w domu czy firmie. Czy magazyn energii powinno się montować wewnątrz budynku, czy można zrobić to także poza nim? Rozważając to zagadnienie czysto teoretycznie można stwierdzić, że zarówno jeden sposób instalacji, ja i drugi są dopuszczalne i zgodne ze sztuką. Istnieją przecież magazyny energii, których producenci informują w specyfikacji o możliwości ich funkcjonowania na zewnątrz budynku. Jakie parametry akumulatorów pozwalają na zastosowanie takiego rozwiązania? Na przykład klasa wodoszczelności obudowy na poziomie IP66 i wyższym (np. niektóre magazyny energii Huawei), a także wbudowany wentylator, czy inna forma wymuszonego przepływu powietrza, która będzie chronić z kolei przed zbyt wysokimi temperaturami.

Specjaliści z branży magazynowania energii, w także firmy montujące magazyny energii są jednak właściwie zgodni co do zalecanego miejsca instalacji tych urządzeń. Architekt Produktów – Systemy Magazynowania Energii w firmie BMZ – pan Dariusz Siwek podczas webinaru organizowanego przez portal GLOBEnergia.pl powiedział:

Faktycznie, sytuacja nie jest do końca jasna. Magazyny energii otrzymują różne stopnie ochrony. Jest to IP 20, czyli typowo wnętrzowy poziom, ale także IP 54, nawet IP 65, czyli w teorii pozwalający na montaż na zewnątrz. Nawet jeśli ochronę zapewni obudowa magazynu, to zawsze trzeba zwracać uwagę na dopuszczalne temperatury pracy dla magazynu energii. Nie spotkałem się jeszcze z domowym magazynem energii, który pozwoliłby efektywnie działać przy ujemnych temperaturach. Jest to faktycznie możliwe w niektórych przypadkach do temperatury maksymalnie minus 10 stopni Celsjusza, a przecież nie możemy wykluczyć i niższych temperatur w naszym klimacie, ale wówczas zmniejsza się jego wydajność i skraca żywotność.

Czy istnieją zatem konkretne wskazówki odnoszące się do miejsca instalacji magazynu energii? Przede wszystkim najbardziej optymalnym rozwiązaniem bez względu na klasę posiadanej przez magazyn energii odporności na warunki atmosferyczne, jest zamontowanie systemu wewnątrz pomieszczenia. Trzeba bowiem pamiętać, że wodoszczelność obudowy urządzenia nie gwarantuje jednocześnie zachowania wydajności jego działania w niskich temperaturach na optymalnym poziomie. Magazyn energii najlepiej zatem zainstalować w suchym pomieszczeniu, gwarantującym względnie stałą temperaturę otoczenia mieszczącą się w zakresie od 20℃ do 30℃ przez cały rok. Może to być na przykład piwnica, garaż, strych lub inne pomieszczenie gospodarcze. Niektóre magazyny energii posiadają tak estetyczny design, że przy odpowiedniej aranżacji można je także montować w bardziej eksponowanych miejscach w domu czy firmie.

Jak chronić magazyn energii przed zbyt niskimi temperaturami?

Pierwszym etapem inwestycji w system magazynowania energii, szczególnie w przypadku prywatnych użytkowników nieposiadających szczegółowej wiedzy w tej dziedzinie, jest decyzja o tym, jaki magazyn energii do domu wybrać? Kolejnym krokiem jest oczywiście projekt instalacji, w którego stworzeniu pomagają najczęściej firmy specjalizujące się w montażu magazynów energii. Jeżeli jednak inwestor ma wątpliwości dotyczące tego, czy jego nieruchomość pozwoli na instalację magazynu energii w taki sposób, aby nie był on narażony na ekspozycję na zbyt niskie temperatury, powinien rozważyć kilka poniższych wskazówek:

• znalezienie pomieszczenia, które pozwoli na łatwe podłączenie magazynu energii do instalacji fotowoltaicznej i elektroenergetycznej, a jednocześnie zagwarantuje stałą temperaturę otoczenia, najlepiej w granicach ok. 25℃;
• jeżeli montaż magazynu możliwy jest np. tylko w niezależnym od źródła ogrzewania budynku, zaizolowanie go w taki sposób, aby nie dopuścić do spadku temperatury wewnątrz poniżej zera stopni Celsjusza;
• zastosowanie dodatkowej obudowy izolującej magazyn energii od podłoża i temperatury otoczenia np. z wykorzystaniem specjalnych osłon lub masy termicznej. Trzeba w tym miejscu zaznaczyć, że pracujący magazyn energii wymaga odpowiedniej wentylacji, dlatego każde takie działanie powinno być skonsultowane ze specjalistą;
• zainstalowanie systemu BMS, który będzie monitorował i kontrolował temperaturę pracy magazynu energii pozwalając użytkownikowi na podjęcie odpowiednich działań w przypadku wystąpienia nieprawidłowości w tym obszarze;
• rozważenie zakupu magazynu energii oferującego wysoką estetykę wykonania i zainstalowanie go np. w kuchni, czy izolowanym termicznie wiatrołapie, jeżeli inwestor nie dysponuje innym pomieszczeniem, w którym możliwe jest utrzymanie optymalnych zakresów temperatur;
• w przypadku w którym magazyn energii mimo wszystko narażony jest na pracę w niskich temperaturach, ważne będzie powstrzymanie się od prób przyspieszania procesu jego ładowania, aby uniknąć ewentualnego uszkodzenia ogniw akumulatora.

Magazyn energii zimą – czy to dobry pomysł?

Jednym z powodów, dla których prosumenci decydują się na inwestycję w magazyn energii, jest założenie, że będzie on przechowywał energię elektryczną w okresach jej ograniczonej produkcji przez instalację fotowoltaiczną. Przykładem takiego okresu są oczywiście miesiące zimowe, w których mało intensywne nasłonecznienie, długość dnia, a także występujące opady sprawiają, że każdego dnia warto zabezpieczyć określony wolumen energii elektrycznej na potrzeby domu lub firmy. Jak w takim razie ustosunkować do tych aspektów fakt ograniczeń występujących po stronie magazynów energii w niskich temperaturach? Czy pomimo nich warto użytkować magazyn energii zimą? Tak, z kilku powodów:

• magazyn energii to awaryjne źródło zasilania – w miesiącach, w których warunki atmosferyczne są szczególnie trudne, zabezpieczenie awaryjnego źródła zasilania jest bardzo istotne zarówno w kontekście gospodarstwa domowego, jak i przedsiębiorstwa. Przerwy w dostawie prądu mogą mieć bardzo dotkliwe konsekwencje, których magazyn energii o odpowiedniej pojemności pozwoli uniknąć. Jest to szczególnie istotne w miejscach, które w wyniku pogarszających się warunków atmosferycznych mogą zostać odizolowane od innych rozwiązań;
• fotowoltaika działa w zimie – panele słoneczne połączone z magazynem energii są w stanie efektywnie produkować prąd nawet w okresie zimowym. Oczywiście jest to uzależnione od konkretnych czynników, jednak optymalizacja zużycia energii elektrycznej i jej konsumpcja na potrzeby własne domu lub firmy to aspekty ważne bez względu na porę roku, a gwarantowane przez magazyn energii;
• magazyn energii można zabezpieczyć przed mrozem – jak zostało to wykazane w artykule, istnieje sporo rozwiązań niwelujących wpływ niskich temperatur otoczenia na pracę i efektywność magazynu energii. Dla większości inwestorów zaplanowanie montażu akumulatorów w sprzyjających im warunkach otoczenia nie stanowi problemu. Producenci magazynów energii starają się także ułatwić im to zadanie poprzez rosnącą estetykę urządzeń, ich kompaktowe wymiary oraz elastyczny dobór sposobu montażu (na ścianie lub podłożu);
• zimą często przydają się mobilne magazyny energii – nie można także zapominać o zaletach przenośnych magazynów, które doskonale sprawdzą się jako dodatkowe, awaryjne lub jedyne źródło zasilania podczas zimowych wyjazdów np. w góry. To efektywne i komfortowe rozwiązanie w takich przypadkach;
• zarządzanie energią w zimie jest szczególnie istotne – miesiące, w których temperatury spadają poniżej zera są szczególnie wymagające dla sieci elektroenergetycznych. Wzmożone zużywanie energii na oświetlenie lub ogrzewanie może generować problemy w ciągłości dostaw prądu. Magazyn energii to urządzenie, które pozwala racjonalnie zarządzać zużyciem energii elektrycznej w okresach jej wzmożonych poborów.

Zima to w naszym klimacie okres, który wymaga zastosowania określonych działań w stosunku do wielu sprzętów i urządzeń. Niektóre z nich wymagają specjalnej konserwacji, a inne wprowadzenia modyfikacji w sposobie ich użytkowania. Magazyny energii nie są pod tym względem wyjątkiem. Wiedza na temat ich funkcjonowania w niskich temperaturach oraz wdrożenie określonych działań pozwoli cieszyć się zaletami magazynowania energii również zimą.