Сравнение аккумуляторов с другими источниками питания
Аккумуляторные технологии стремительно развиваются: появляются новые типы элементов питания, но даже новейшие разработки неспособны на 100% удовлетворить современные потребности в энергии. Хотя литий-ионные аккумуляторы имеют явные преимущества по сравнению с предшественниками, им также присущи определенные ограничения. Чтобы объективно оценить сильные и слабые стороны аккумуляторов, сравним их по разным критериям с другими источниками питания.
Сравнение характеристик
Батарейки, аккумуляторы и аккумуляторные батареи (АКБ) успешно используются для хранения энергии. Батарейки (первичные элементы питания) содержат больше энергии и имеют меньший саморазряд, чем перезаряжаемые аккумуляторы (вторичные элементы). Свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА), как и их усовершенствованные аналоги на основе никеля или лития, работают в циклическом режиме. Они отдают накопленную энергию в процессе разряда, а затем восполняют ее запас при зарядке.
Сравним аккумуляторы и остальные источники питания по ключевым характеристикам:
- Удельная энергия. Хотя по эффективности доставки энергии аккумуляторы выигрывают у тепловых двигателей, энергоемкость ископаемого топлива гораздо выше, чем аккумуляторов. Например, удельная энергоемкость бензина превышает 12 000 Вт·ч/кг, а у современных Li-ion аккумуляторов этот параметр составляет около 200 Вт·ч/кг. У суперконденсаторов удельная емкость еще ниже – от 1 до 30 Вт·ч/кг.
- Готовность к работе. По этому параметру лидируют аккумуляторы. Они мгновенно готовы к использованию и за доли секунды отдают необходимую энергию. В отличие от двигателя внутреннего сгорания, им не нужен прогрев. Для сравнения, даже реактивный двигатель разгоняется за несколько секунд, разным типам топливных элементов для набора мощности нужно несколько минут, а холодный паровой двигатель наращивает пар за несколько часов.
Диапазон нагрузок (полоса пропускания). Большинство аккумуляторов эффективно работает в широком диапазоне нагрузок. Эта особенность присуща также дизельному двигателю. У топливных элементов полоса пропускания узкая – для оптимальной работы им нужна строго определенная нагрузка. Аналогичная ситуация и с реактивным двигателем – эффективность его работы зависит от об./мин.- Время подзарядки. Все вторичные элементы питания требуют определенного времени для восполнения заряда. Модели на основе лития или никеля заряжаются за 1–3 часа, а свинцово-кислотные – примерно за 14 часов. Заправить автомобиль топливом можно за считанные минуты, а для подзарядки электромобиля до уровня 80% нужно около часа. К тому же, при частом использовании сверхбыстрой зарядки Li-ion батареи быстрее деградируют.
- Тепловыделение, образование токсичных газов, вибрации и шумы при работе. Аккумуляторы остаются прохладными в процессе разряда, работают тихо, без вибраций и выделения газов. При работе ДВС и крупных топливных элементов приходится использовать компрессоры и охлаждающие вентиляторы, организовывать воздухозаборники и отвод токсичных газов.
- КПД. По этому критерию выигрывают аккумуляторные элементы. В частности, литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы имеют эффективность заряда 99% и минимальные потери в процессе разряда. Энергоэффективность топливных элементов находится в диапазоне 20–60%, а у ДВС – 25–30%. При идеальных условиях двигатель GE90-115 на самолете Boeing 777 имеет энергоэффективность до 37%.
- Требования по установке. Герметичные аккумуляторы и батареи работают в любом положении, не боятся вибраций и ударов. Для львиной доли ДВС требуется вертикальная установка на амортизаторах, уменьшающих вибрации. Для работы тепловых двигателей требуется впускной коллектор и глушитель выхлопа.
- Расходы при эксплуатации. Литиевые, никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы оптимально подходят для использования в портативных устройствах. Свинцово-кислотные модели экономичны для стационарного применения и питания автомобильных двигателей. Для электровелосипедов и остальных типов персонального электротранспорта рационально использовать АКБ на основе лития – Li-ion, LiFePO4. Для больших транспортных средств установка АКБ считается нецелесообразной. Стоимость энергии, получаемой от аккумуляторной батареи (с учетом затрат на покупку и зарядку АКБ), примерно втрое выше, чем от электросети.
- Техническое обслуживание и простота использования. Обслуживаемые свинцовые аккумуляторы требуют регулярного замера уровня электролита и доливки, а заряжать их нужно в отдельном помещении с хорошей вентиляцией. Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют выраженный эффект памяти, поэтому перед каждой последующей зарядкой их нужно полностью разряжать. Остальные АКБ предельно просты в использовании – особое техобслуживание им не нужно, достаточно соблюдать рекомендации по эксплуатации, периодически проверять работоспособность и своевременно ставить разрядившиеся элементы на зарядку.
- Срок службы. У аккумуляторов он сравнительно невысок и зависит от типа используемой химии. Циклический ресурс в среднем составляет 500–1000 циклов, у литий-железо-фосфатных АКБ – более 2000. Но даже если элементы не используются, они медленно деградируют, и запас их емкости постепенно уменьшается. Средний срок службы АКБ составляет 3–5 лет, батарей для гибридных и электромобилей – 8–10 лет, а больших стационарных АКБ – 5–20 лет. В частности, проточные редокс-аккумуляторы, которые ориентированы на промышленное использование в ИБП, ветровой и солнечной энергетике, имеют циклический ресурс более 10 000 циклов и срок службы 10–20 лет.
Диапазон температур. В зависимости от химического состава аккумуляторы имеют определенный диапазон оптимальных рабочих температур. При более низких температурах у них замедляется электрохимическая реакция, а при высоких из-за дополнительного напряжения происходит ускоренное старение. С топливными элементами ситуация аналогична, но ДВС хорошо прогреваются. Заряжать аккумуляторы можно только при плюсовых температурах. Для стандартных условий использования оптимально подходят Li-ion и NiMH элементы. Специфический температурный режим имеют, в частности, натрий-серные аккумуляторы – их рабочая температура 300–350 °С.- Особенности утилизации. Свинцово-кислотные и никель-кадмиевые АКБ из-за содержания опасных материалов требуют специальной утилизации. Литиевые и NiMH системы не наносят вреда окружающей среде, хотя их также рекомендуется сдавать на утилизацию специализированным компаниям.
Выводы
Аккумуляторы и батареи выигрывают у остальных источников питания по уровню готовности к использованию, эффективности доставки энергии, диапазону допустимых нагрузок, простоте установки и эксплуатации. Но АКБ уступают ископаемому топливу по удельной энергоемкости стоимости получаемой энергии, имеют ограниченный срок службы и требуют несколько часов для восполнения заряда.
Читайте в предыдущей статье блога VirtusTec о нюансах эксплуатации LiFePO4 аккумуляторов.
