Bateria de acumulatori in sisteme cu energie fotovoltaica, eolian si hidrocentrale

* Considerente practice si experienta ... *

 articol creat de Florin Fleseriu  

      Acest articol se doreste un material de analiza pentru a condensa intr-o singura pagina raspunsuri la problemele tehnice care apar in utilizarea bateriei de acumulatori, introduse in sistemele cu energie solara, eoliana si hidro.

   Ati observat desigur ca foarte multe tari au inceput in urma cu cativa ani, sa reduca subvențiile pentru utilizatorii de panori fotovoltaice legate la rețea (cu injectie), iar un număr tot mai mare de proprietari investesc în acumulatori pentru a stoca energia din surse regenerabile atat fotovoltaice sau eoliene dar si microhidrocentrale, folosind banii pe care îi pot salva din facturile la utilități. Deci va intrebati ce tehnologie de stocare vor prefera acesti utilizatori? În prezent, acumulatorii cu plumb-acid cu electrolit lichid și acumulatorii cu plumb-acid sigilati in tehnologie GEL sau AGM au cea mai mare cota de piata, urmate de baterii cu celule litiu-ion în anumite aplicații. 

Acumulatori deep-cycle (cu descarcare adanca) 

   Bateriile litiu-ion ofera densitate mare de energie per Kg și necesitati de întreținere foarte reduse, iar acesti doi factori au contribuit la dominația lor de pe piața electronicelor portabile. Cu toate acestea, costul tehnologiei litiu-ion - de multe ori peste 30.000 de Euro, pentru a realiza o baterie de backup pentru o casă de dimensiuni medii - le face prohibitive în majoritatea sistemelor cu energie alternativa. În plus, bateriile litiu-ion contin materiale toxice, care trebuie să fie obligatoriu eliminate în depozitele de deșeuri speciale. Deci, din pacate aceste baterii care sunt proiectate pentru a stoca energie verde, de fapt vor afecta mediul.

   Bateriile cu plumb in acest moment sunt cele mai populare sisteme de stocare a energiei pentru energia din surse regenerabile. Avem dovada celor peste 100 de ani de cand utilizam aceasta tehnologie. Datorită flexibilitatii și a duratei lor în utilizare, știm că nu e nici un pericol de colaps al acestei industrii in urmatorii ani. Inovatiile din ultima perioada au facut ca inginerii care proiecteaza baterii sa dezvolte procesul de fabricație și de proiectare, fiind în măsură sa reduca costurile, marind calitatea, fiabilitatea și durata de viață. Trebuie sa stiti ca aceste baterii plumb-acid sunt 97% reciclabile - avand cel mai mare procent de reciclare a oricărui produs. Poate pentru unii este surprinzator dar este total adevarat. 

  Cu siguranta tehnologia litiu-ion sau litiu-fier va revolutiona tehnica de stocare a energiei in viitorul apropiat, insa acest eveniment nu va veni mai repede de 5-6 ani din acest moment. Orizontul anilor 2020 poate fi considerat un moment fezabil pentru ca aceste tehnologii sa fie utilizate in mod curent in sisteme cu energie alternativa.

    Bateriile de acumulatori din sistemele cu energie alternativa, sunt supuse unor condiții de funcționare brutale si din acest motiv, unele baterii se încadrează intr-o zona cu durata mica de viață, performanță și valoare. De aceea, una dintre cele mai mari schimbări din industrie producatoare a bateriilor este în implementarea proceselor automatizate de fabricație, pentru a produce baterii avansate in tehnologie plumb-acid. Aceasta schimbare a dus la un control computerizat al calității iar asamblarea robotizata` poate produce acumulatori care dureaza mai mult si care sa livreze mai multă putere. Fabricile traditionale de baterii plumb-acid au petrecut zeci de ani îmbunătăți proiectele lor. 

 Este posibil dar categoric nu este recomandat. Acumulatorii auto nu sunt fabricati pentru aplicatii ciclice. Pentru a obtine un curent de pornire mare pentru electromotorul unui autovehicul, este nevoie de o baterie care sa dispuna de placi cu plumb cu suprafata mare de separare. In procesul de fabricatie a acestor baterii extinderea suprafetei de separare va obliga producatorul sa reduca grosimea acestor placi semnificativ. Reducerea grosimii nu va avea nici un impact asupra calitatii bateriei, pentru ca bateria auto nu este niciodata descarcata complet. In consecinta va performa impecabil cativa ani inainte de a fi schimbata. 

   Introducerea acestor baterii auto in aplicatii cu energie alternativa nu va face altceva decat sa le distruga prematur. In momentul descarcarii lor complete vor aparea zone unde separatorul va fi strapuns, iar acest lucru va duce la pierderea capacitatii. Au fost multe persoane care mi-au spus ca au folosit acumulatori auto in sistemele lor si merg bine de cativa ani. Acest lucru este posibil pentru ca acele sisteme probabil au fost utilizate foarte putin si probabil niciodata nu au descarcat bateria complet.

  Utilizarea acumulatorilor auto in sisteme cu energie alternativa este doar o risipa de resurse, generata de inlocuirea lor in mod repetat. Utilizarea acumulatorilor deep-cycle este singura optiune fezabila.  Acumulatorii deep-cycle dispun de placi de grosime mare, iar suprafata de separare este redusa. Acest mod de contructie-i face sa reziste la incarcari/descarcari repetate pentru multi ani. De asemenea substantele chimice utilizate sunt foarte importante. Cu cat sunt mai performante aceste substante, cu atat acumulatorul dureaza mai mult si evident va fi mai scump. 

 Producatorii de acumulatori spun ca un acumulator poate dura 3ani, 5 ani, 7 ani sau 15 ani. Ce inseamna acest lucru ? In primul rand trebuie sa stiti ca acest parametru nu este durata de viata efectiva a acumulatorului. Acest parametru inseamna durata la care expira materialele chimice din interior. Este normal cu cat avem un acumulator mai performant, sa avem materiale cu durata mare de expirare, insa acest lucru nu garanteaza ca bateria va spravietui acesti ani.  Durata de viata a unui acumulator este data de numarul de cicli posibili, durata de expirare a substantelor, temperatura de lucru si modul de exloatare a sistemului. Pana la urma, durata de viata a acumulatorului este exclusiv in mana utilizatorului. 

    Este foarte importanta. Chiar și bateria cea mai bine proiectata si realizata, va muri mai devreme sau mai tarziu șau va performa - sub valoarea optima - în cazul în care este forțata să funcționeze la temperaturi extreme. 

   În mod ideal, baterii plumb-acid ar trebui să fie utilizate la temperaturi de 25° C. Cu toate acestea, multe sisteme cu energie alternativa, expun in perioada de vara bateriile la o temperatura de 35°- 38° C sau mai mult, și iarna la temperaturi de inghetcu mult sub valoarea de 0° C. Aceste condiții extreme toate baterile pierd din capacitatea lor de stocare și de asemenea aceste conditii poate reduce durata de viață a bateriei cu mai mult de 50%. De aceea, chiar și bateriile cele mai performante din lume, trebuie să fie protejate ,acesta fiind un factor cheie a duratei lor de viață. In acest moment cel mai important eveniment a fost, dezvoltarea pentru prima dată a unei structuri prefabricate de sine statatoare pentru a proteja bateriile și alte componente ale sistemului de energie alternativa, de fenomene meteo si temperaturi extreme. Datorită eficienței lor dovedite, un raport cost/beneficii pozitiv și sustenabilitatea mediului, aceste baterii cu plumb-acid vor rămâne cea mai populara tehnologie pentru piata energei alternative in urmatorii ani. 

Evenimentele negative sunt mai puțin probabil să apara într-o instalație de fabricatie automată mare, cu un nume de brand bine cunoscut, dar dacă sunteți în căutarea unui producător de celule low-cost trebuie să fiti conștienți de faptul că zona de calitate este afectata de reduceri semnificative pentru a atinge obiectivele de cost. 

Acesta dilema a fost demult rezolvata si strategiile de marketing nu trebuie lasate sa va induca in eroare. Intodeauna vom considera Ah( amperi-ora). Unitatea de masura a energiei Wh (wati-ora ) este si ea corecta dar este improprie. Sa analizam impreuna  un exemplu:

Avem un acumulator de 100Ah la 12V . Cati Wh avem disponibil ? ... haideti sa vedem:

Un acumulator cu plumb se va incarca in 3-trepte, iar acest lucru poate insemna ca tensiuena la bornele sale poate fi 14,4V daca e in proces de absortie, sau 12,7V daca e complet incarcat in stare stand-by. Energia este obtinuta prin formula :

              Energie stocata (Wh) =  Capacitate ( Ah)  x  Tensiune ( V) 

Daca vom considera bateria in Stand-by vom avea :

                               100Ah x 12,7V =  1270Wh 

Daca vom considera acumulatorul in faza de absortie :

                               100Ah x 14,4V =  1440Wh 

Ambele valori sunt corecte, dar reflecta ca in situatia a doua, avem mai multa energie stocata ... ceea ce nu este adevarat ! ... Exprimarea capacitatii in Wh ( wati-ora) este paguboasa si incorecta tehnic pentru utilizatori. De aceea intodeauna expresia energiei stocate in Ah la 25° C este formula internationala acceptata, fiind corect tehnic si comercial. 

Performanța bateriei scade treptat si se deteriorează cu timpul din cauza unor reacții chimice nedorite și modificările fizice ale substanțelor chimice active.  Acest proces nu este, în general reversibil, iar în cele din urmă și rezultatele duc în final la pierderea bateriei. Următoarele informatii sunt câteva exemple:

• Coroziunea consumă o parte din substanțele chimice active din celula duce la impedanță sporită și pierderea de capacitate

• Pierderea chimică prin evaporare. Produsele gazoase rezultate de la procesul incarcare/descarcare,  sunt pierdute în atmosferă si provoacă pierderea de capacitate.

• Modificarea caracteristicilor fizice (morfologia) ale substanțelor chimice de lucru:

- Formarea Cristalelor. Odata cu trecerea timpului structura de cristal se modifica la schimbările de suprafață de electrozilor si  se formează strucuturi din cristale mari. Aceasta reduce zona efectivă a electrozilor și, prin urmare, suportarea lor actuală și capacitate de stocare a energiei.

- Creșterea formatiunilor dendritice. Aceasta inseamna de fapt formarea de cristale mici sau structuri netede în jurul electrozilor,  în ceea ce ar trebui să fie o soluție apoasă. Inițial aceste dendrite pot determina o creștere a capacitatii de descarcare dar in cele din urmă dendritele poate strapunge separatorul cauzând un scurt-circuit.

• Pasivizarea. Acesta este un strat rezistiv, care se formeaza pe electrozi si care împiedică acțiunea chimică a celulei.

• Celule scurtcircuitate. Celule care au fost marginal acceptabile atunci când bateria este nouă si care ar fi continut vicii ascunse, care devin evidente numai ca procesul de imbatranire. Acest lucru poate aparea in construcția de celule low-cost.

Actiuni abuzive de exploatare a bateriei de acumulatori 

Abuz nu înseamnă doar abuzul fizic deliberat sau nu, de către utilizatorul final.  Acesta poate fi de asemenea abuzul accidental care ar putea fi inevitabil daca sistemul nu a fost proiectat corect.  Acest lucru poate include lovire sau cadere, zdrobire, penetrare, impactul, imersiune în lichide, congelare sau contact cu focul, oricare din evenimentele de abuz mecanic  care ar putea să apară la o baterie. Este general acceptat faptul că bateria ar putea să nu supraviețuiască in toate aceste situatii, cu toate acestea bateria nu ar trebui să se provoace un pericol sporit sau o problemă de siguranță în aceste circumstanțe.

Substanțe chimice active epuizate

In celulele primare ale unui acumulator, acest lucru este clasificat ca fiind un defect estimat , deoarece acest lucru este de așteptat, dar in elementele secundare ne asteptam ca substantele chimice active care urmează să fie restaurate prin reîncărcare. După cum am menționat si mai sus, îmbătrânirea va provoca epuizarea treptată a masei active, iar in unele baterii nu putem intervenii pentru a restabilii functionalitatea ei.

Modificarea în structura moleculară sau fizică a electrozilor

Chiar dacă compoziția chimică a substanțelor chimice active,  pot rămâne neschimbate, schimbări în morfologia lor pot avea loc odata cu imbatranirea celulelo. Reactile chimice care se formeza intr-un acumulator, în cele din urmă duc la epuizarea ei, făcând bateria inutilizabila.

Stratificarea electrolitului

Supraîncălzirea sau supra-tensiune poate provoca stratificarea chimica a electrolitului.

Placarea electrodului intern

In celulele litiu, funcționare cu temperatură scăzută sau supra-curent în timpul încărcării poate provoca depunere de metal litiu pe anod duce la pierderea capacității ireversibile și, eventual, un scurt-circuit.

Creșterea internă de impedanță

Impedanta internă a celulei tinde să crească cu vârsta si apare tendinta de a forma cristale, reducând suprafața efectivă a electrozilor.

Capacitatea redusă

Aceasta este o altă consecință a îmbătrânirii celulelor și creșterea depunerilor de cristale in placi. In aceasta situatie bateria este recuperabilă uneori, prin recondiționarea celulelor efectuand una sau mai multe descarcari  adânci urmata de egalizare.

Creșterea curentului de autodescărcare

Structura de cristal si schimbarea componentei substanțelor chimice active, asa cum am subliniat mai sus, poate provoca ca electrozii sa puna presiune mai mare pe separator, iar ca o consecință directa apare creșterea curentului de descărcare a celulei. Ca și în toate reacțiile chimice aceasta creste odata cu temperatura. Din păcate, aceste schimbări  sunt de obicei ireversibile.

Fisurarea si spargerea separatorului

Scurt circuitele pe acumulatori sau celule de acumulatori , poate fi cauzată de fisurarea sau spargerea separatorului prin cresterea dendritei separatorul cauza, contaminare, bavuri pe electrozii sau de diminuarea separatorului in timpul si din  cauza supraîncălzirii bateriei.

Supraîncălzirea

Supraîncălzirea este întotdeauna o problemă și este un factor care contribuie la aproape toate caderile celulelor din acumulatori. Ea are multe cauze si poate duce la schimbări ireversibile ale substanțelor chimice utilizate în celule, emisii de gaze, deformarea  materialelor, umflarea și o denaturare a carcasei celulei. Prevenirea unei celule de supraîncălzire este cel mai bun mod de prelungire a vieții sale.

Actiunea distructivă a temperaturii

Rata la care recatile chimice se dubleaza este pentru fiecare 10 ° C crestere a temperaturii celulei. Flux de curent printr-o celulă determină temperatura să crească. Așa cum temperatura creste viteza de acțiune electro-chimica, în același timp impedanța celulei scade si duce la temperaturi și mai ridicate sub actiunea curenților mar.  Acesti factori ar putea duce în cele din urmă la distrugerea celulelor din baterie cu excepția cazului cand sunt luate măsuri de precauție prin instalararea de senzori termici care pot influenta sistemul de incarcare a regulatoarelor si redresoarelor din cadrul sistemelor cu energie alternativa. După cum se menționează mai sus, totuși procesul de îmbătrânire va provoca epuizarea treptată a masei active, iar acumculatorul va trebui inlocuit.

Schimbare in structura moleculara sau fizică a electrozilor

Chiar dacă compoziția chimică a substanțelor chimice active pot rămâne neschimbate, schimbări în morfologia electrozilor care au loc odata cu varsta, pot împiedica acțiunile chimice din acumulator, conducând în cele din urmă la ditrugerea acumulatorilor.

Separarea electrolitului

Supraîncălzirea sau supra-tensiunea poate provoca descompunerea chimică a electrolitului.

„Placarea” electrodului

În celulele litiu, actiunea de încărcare la temperatură scăzută sau supra-curent poate provoca depunere de metal litiu pe anod si duce la pierderea capacității ireversibile și eventual un scurtcircuit.

Creșterea impedanței interne

Impedanta celulei interne din acumulator  tinde să crească cu vârsta ca urmarea a formarii  cristale, reducând suprafața efectivă a electrozilor.

Scaderea capacitatii

Aceasta este o altă consecință a îmbătrânirii celulelor și creșterea zonelor cu depuneri de cristale. Este uneori recuperabilă, prin recondiționarea celulelor si prin supunerea celulelor la una sau mai multe descarcări adânci.

Eliminarea de gaze

Eliminarea de gaze este  în general cauzata de supra încărcare. Acest lucru duce la pierderea de substanțe chimice active, dar în multe cazuri acest lucru poate fi, de asemenea  periculos.  În unele celule o parte din gazele eliberate pot fi explozive. Celulele cu plumb - acid de exemplu, degaja oxigen și hidrogen atunci când sunt supraîncărcate.

Eliminarea de gaze și extinderea substanțelor chimice din cauza temperaturilor ridicate duce la acumularea de presiuni  în celulă și acest lucru poate fi periculos după cum sa menționat mai sus. In celulele sigilate ar putea duce la ruperea sau explozia celulei ca urmare a presiunii construi cu excepția cazului în celula are un orificiu de presiune, pentru a permite evadarea a gazelor ( Acumulatori VRLA). Presiunea poate provoca scurtcircuite datorate factorului de penetrare a separatorului și acest lucru este o problemă în celule cilindrice, care au tendința de a rezista la deformare sub presiune in  raport cu celule prismatice ale căror cazuri atenuează efectul de presiune oarecum.

Cauza spargerii separatorului

Scurt circuitul poate fi o cauzată de crestere a dendritei pe separatorul in cauza, bavuri pe electrozi din fabricatie sau deformarea  separatorului din cauza supraîncălzirii.

Deformarea mecanica ( „Umflarea” bateriei )

Unele celule sunt predispuse la umflarea din cauza supraîncălzirii.  Acest lucru este valabil în special la celulele cu  husă din litiu-polimer.  Acest fenomen duce la pierderea de capacitate de stocare ca urmare a contactului dintre particulele conductoare din interiorul celulei.

Ambalarea termica

Rata la care reactile chimice se dubleaza este obtinuta pentru fiecare crestere de 10 ° C a temperaturii. Fluxul de curent printr-o celulă determină temperatura să crească.  Pe măsură ce temperatura crește vitezele de acțiune electro-chimice cresc și în același timp impedanța celulei este redusă ducand  la curenți mai mari și temperaturi și mai ridicate, care ar putea duce la distrugerea celulelor dacă nu se iau măsuri de precauție.

Proiectarea corecta a aplicației

Primul pas este acela de a ne asigura că bateria de acumulatori aleasa este adecvata pentru aplicatia noastra. Proiectarea modului de functionare si alegerea corecta a acumulatorului este esentiala pentru succesul sistemului

Calificarea si performanta recunoscuta a furnizorului

Al doilea pas este de a selecta un furnizor de acumulatori recunoscut de piata si cu o experienta mare,  pentru a oferi un produs de încredere în condiții de siguranță.  Vom descoperii foarte usor acesti fabricanti prin faputul ca au in general cele mai performante baterii si un pret ridicat al acumulatorilor in comparatie cu alti producatori.  Fabricantii ROLLS, Hoppecke sau Exide Tehnologies sunt cei trei lideri recunoscuti de piata acumulatorilor deep-cycle.

Performanta acumulatorilor

Următorul pas este de a verifica daca bateria de acumulatori aleasa îndeplineste specificațiile dorite sub orice condiție prevăzută de utilizare și dacă dispozitivele de siguranță incorporate  funcționeza corect.

Protecția circuitelor

Odata cu bateria au fost alese si circuitele auxiliare electronice. Cele mai importante dintre acestea sunt circuitele de siguranță care să garanteze faptul că celulele sunt menținute în cadrul de temperatura specificat de operare, curentul de incarcare și limitele de tensiune.  Acest lucru ar trebui să fie  inclus in caietul de sarcini al regulatorului.

Prevenirea problemelor -  Opinii de proiectare

Procesul de proiectare pentru nouă o tehnologie ar baterieie ar putea dura până la 10 ani sau mai mult.  Va recomandam sa utilizati in sisteme acumulatori care au o mare vechime in fluxul de productie a fabricantului.

Verificari periodice

Solicitati periodic personanului cu experienta si expertiza in utilizarea acumulatorilor, teste de capacitate si teste de functionarea a acumulatorilor. Aceste teste pot prevenii probleme care pot duce la o deteriorare completa a bateriei de acumulatori.