přeskočit na hlavní obsah

Akumulace energie

baterie, akumulátory

Sluneční záření a další obnovitelné formy energie, které nám příroda nabízí trpí dvěma základními nedostatky, které jsou výraznými argumenty všech nesympa-tizantů a nedůvěřivá) obnovitelných zdrojů energie. První nevýhodou těchto přirozených energetických zdrojů je malá energetická hustota, na metr čtverečný zemského povrchu dopadá sluneční záření o intenzitě maximálně 1 370 W, teploty a tepelné kapacity látek okolního prostředí jsou nízké, průměrné rychlosti větru nejsou zdaleka tak vysoké, jak by bylo ideální apod.

Druhou nevýhodou obnovitelných zdrojů energie je jejich časová proměnlivost a nestabilita, Slunce svítí jen vedne a jen při jasné obloze, vítr nefouká pravidelně a voda teče podle množství srážek. Dlouhodobá měření a statistické údaje pozorovatelů přírody, meteorologů, říkají, že má smysl se danou problematikou zabývat. Průměrná množství jednotlivých podob energie v určitých lokalitách nejsou zanedbatelná. Bohužel však většinou potřebujeme jinou formu energie, v jiný čas a na jiném místě, to je celý problém.

Jsme tedy nuceni energii akumulovat a transformovat do podoby, ve které ji můžeme využít, ponechat, pošetřit, a ve které jí můžeme převážet, což jde velice těžko, příroda se brání.

Způsoby akumulace

Energii můžeme tedy akumulovat ve všech možných podobách, které si připouštíme, kromě záření, které se nám v primární podobě akumulovat nedaří.

1. Tepelná energie

Jednou z nejpřirozenějších forem energie je teplo, které je pro nás také často konečnou formou energie. Tepelná energie lze akumulovat v kapalných a pevných látkách nebo jako skupenské teplo tání. Teplo je energie neuspořádaného pohybu molekul a je příčinou změny teploty, při zahřátí je teplo dodáváno (nabíjení) a při ochlazování teplo odebíráme (vybíjení).

Platí rovnice: Q = c. p.V . (t2-ti) [J] kde Q - akumulované teplo [J]
c - měrná tepelná kapacita [J/kg/K]
p - hustota akumulační látky [kg/m3]
V - objem zásobníku tepla [m]
t - teplota na počátku nabíjení
t - teplota na konci nabíjení

Tepelné akumulátory lze rozdělit podle teplotního rozsahu, ve kterém pracují (nízkoteplotní, vysokoteplotní), podle látky, ve které se teplo akumuluje (voda, štěrk, vzduch, eutektické soli), podle způsobu akumulace (ohřev, změna skupenství, změna chemického složení) a podle užití a velikosti (vysokokapacitní - sezónní, níz kokapacitní).

Nejpoužívanější látkou pro tepelnou akumulaci je levná voda, je jí dostatek, má vysokou tepelnou kapacita a příznivé podmínky pro přestup tepla ve výměníku. Nevýhodou je relativně nízký teplotní rozsah, ve kterém se můžeme pohybovat, teplota vře při atmosférickém tlaku při 100 C a tuhne při teplotě 0 C.

Štěrk je také levný akumulační materiál a je vhodný zejména pro akumulaci tepla ze vzduchových slunečních sběračů. Prostorem tepelně izolovaného akumulátoru naplněného štěrkem proudí horký vzduch a odevzdává mu své teplo. Přenos tepla ze vzduchu do štěrku bude tím lepší, čím větší bude styčná plocha, celkový povrch částic. Jedna krychle čediče o objemu 1 m3 má povrch 6 m; jeden milión krychliček o objemu 1 cm3 má povrch 600 m, a pokud je tento počet krychliček neuspořádaně umístěn v zásobníku, má jejich povrch 100 x větší styčnou plochu pro lepší přenos tepla.

K akumulaci lze dobře využít skupenského tepla tání některých látek. Pevná látka zahříváním zvyšuje svou energii se stoupající teplotou, v okamžiku tání pořád narůstá energetický obsah látky za konstantní teploty. Tato energie spotřebovaná na skupenskou přeměnu se nazývá skupenské nebo latentní teplo tání. Při vybíjení látka tuhne a své latentní teplo vydává při konstantní teplotě. Při stejném teplotním rozdílu operujeme s větším množstvím energie.

Q = c. p.V.(t2-ti) + l. p .V [J]
l - měrné skupenské teplo [J/kg]

Pro akumulaci s využitím skupenské přeměny jsou zapotřebí látky s vysokým latentním teplem tání, které se neznehodnocují dlouhodobým využíváním a u kterých je teplota tání a tuhnutí v oblasti teplot při kterých se akumuluje. Například Glauberova sůl (Na SO.10H O) se při teplotě 32 C zbavuje své krystalické vody (dehydratuje) a rozpouští se v ní. (Lub™ sůl = 0,243 MJ/kg; p = 1 475 kg/m3; do 1 m3 lze akumulovat 258 MJ v podobě latentního tepla, což u stejně velkého vodního akumulátoru dělá teplotní rozdíl 60 C. Moderní tepelné zásobníky mohou akumulovat až s hustotou 500 MJ/m3. Například do 730 litrového zásobníku od firmy A. Schneider se při rozdílu teplot 60 C vejde 360 MJ.

2. Akumulace elektrické energie

Elektrická energie patří dnes k nejužitnějším formám energie a pro její akumulaci slouží baterie, akumulátory, ve kterých dochází k přeměně elektrické energie v chemickou a naopak. Důležitým faktorem je schopnost znovu nabití, čímž lze také odlišit dva základní pojmy, baterie a akumulátory. Protože nás zajímá možnost akumulace el. energie z OZE, budeme se zabývat pouze akumulátory, články, které lze mnohonásobně nabíjet a vybíjet. S vývojem elektroniky, mobilních telefonů, laptopů apod. se v poslední době také výrazně vyvíjejí i jednotlivé typy akumulátorů, klesá jejich hmotnost, zvětšuje se jejich kapacita a odstraňují se technické nedostatky. K nejdůležitějším charakteristikám akumulátorů patří jejich kapacita, elektrická energie, kterou může nabitý akumulátor odevzdat než nabude napětí odpovídající vybitému stavu. Udává se v ampérhodinách (Ah). Další charakteristickou veličinou je napětí na jeden článek. Jestliže je zapojen větší počet článků do série, vznikne akumulátor, jehož jmenovité napětí odpovídá součtu napětí všech článků.

Obecně lze jen stěží podchytit a popsat všechny typy akumulátorů, které jsou dnes na trhu, a které se teprve vyvíjejí, proto berte prosím tuto kapitolu jako úvodní přehled, je třeba respektovat rychlost rozvoje v této oblasti. Některé parametry a údaje jsou patrně již dnes dávno překonány.

Hlavní druhy elektrických akumulátorů

Olověné akumulátory

První nabíjecí akumulátory na světě byly olověné a navrhl je již v roce 1859 francouzský fyzik Gaston Planté. Poskytují vyšší napětí pro jednotlivé články, mají menší pořizovací náklady a vyšší energetickou účinnost. V České republice se však vyrábějí pouze v provedení pro spouštění spalovacích motorů. Toto provedení je však s ohledem na provozní podmínky spojené s vysokým stupněm vytěžování těchto baterií nevhodné pro akumulaci elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Pro tyto účely slouží speciální olověné akumulátory, které omezují požadavky na jejich údržbu během dlouhodobého provozu. Olověné akumulátory musí být vždy skladovány v režimu nabíjení.

Článek olověného akumulátoru je tvořen dvěma olověnými elektrodami pokrytými sulfidem olova (PbSO4 a elektrolytem, zředěnou kyselinou sírovou (H2SO4 + H2O). Při nabíjení se začne na kladné elektrodě tvořit oxid olovičitý (PbO2), na záporné elektrodě zůstane olovo. Současně vlivem probíhajících chemických reakcí klesá obsah vody a zvyšuje se koncentrace kyseliny sírové v elektrolytu asi z 1,12 g/cm3 na 1,28 g/cm3. Napětí článku přitom dosáhne hodnotu 2 V. Klidové napětí nabitého článku je o něco větší než 2,0 V a činí asi 2,12 V. Napětí vybitého článku je 1,75 V. Při vybíjení teče proud opačným směrem, uvolňuje se voda a elektrody se opět pokryjí sulfidem olova. Metabolismus olověných akumulátorů je pomalý a nelze jej uspěchat.

Nikl - Kadmiové (NiCd) akumulátory

Tento typ článků patřil donedávna k jedinému typu dobíjecích akumulátorů vhodných pro přenosná rádia, laptopy, mobilní telefony a videokamery. NiCd akumulátory jsou známy jako spolehlivé nabíjecí články s vysokou spolehlivostí, dlouhou životností a vysokou výtěžností. Navíc lze tyto akumulátory pořídit za přijatelnou cenu a každý kdo ještě dnes kupuje do své svítilny, rádia či jiného přenosného el. spotřebiče klasické baterie by se měl nad sebou zamyslet, protože na trhu lze za přijatelnou cenu pořídit NiCd akumulátory všech provedení včetně nabíječek. Běžného spotřebitele odradí cena, která je pochopitelně vyšší v porovnání s bateriemi na jedno použití, ale rozhodně nedosahuje pětiset násobku, což je minimální životnost v počtu cyklů NiCd akumulátoru. Navíc je rozdíl zda naše životní prostředí zatěžujeme jedním akumulátorem nebo pěti sty bateriemi. Nikl-kadmiové články mají nominální napětí 1,2 V, což je v porovnání s běžnými bateriemi nižší hodnota. Argument, že Váš walkman potřebuje 1,5V baterie rozhodně neobstojí.

Nikl-kadmiová baterie používá jako aktivní materiál pro kladnou elektrodu hydroxid nikelnatý a pro zápornou elektrodu hydroxid kademnatý. Elektrolytem je vodný roztok hydroxidu draselného obsahující malé množství hydroxidu lithného pro zlepšení životnosti během cyklu a pro zlepšení funkce při vysokých teplotách. Elektrolytu se používá pouze pro přenos iontů, během nabíjecího/vybíjecího cyklu nedochází k jeho chemickým změnám ani znehodnocování. V případě olověné baterie kladná a záporná aktivní složka chemicky reagují s elektrolytem (kyselinou sírovou), což vede ke stárnutí
.
Nosná konstrukce kladné i záporné elektrody je z oceli. Ta zůstává s elektrolytem nedotčena a uchovává si pevnost po celou dobu životnosti článku. U olověných baterií je základní konstrukce u obou desek z olova a oxidu olovnatého. Tyto látky se zúčastňují elektrochemických pochodů a přirozeně korodují v průběhu životnosti baterie.

Nabíjecí/vybíjecí reakce nikl - kadmiové baterie je následující:
2 NiOOH + 2 H2O + Cd vybíjení ==> 2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2 <== nabíjení

Během vybíjení se trojmocný hydratovaný oxid ni-kelnatý redukuje na dvojmocný oxid nikelnatý a kadmium u záporné elektrody je oxidováno na hydroxid ka-demnatý. Při nabíjení se uskutečňuje opačná reakce, dokud potenciál článku nestoupne na úroveň, kdy se začne uvolňovat vodík u záporné elektrody a kyslík u kladné elektrody, což vede k úbytku vody. Na rozdíl od olověné baterie, dochází během nabíjení a vybíjení k minimální změně hustoty elektrolytu. To umožňuje používat značnou rezervu elektrolytu bez ovlivnění elektrochemických procesů mezi elektrodami. Vzhledem k jejímu elektrochemickému principu je chování nikl - kadmiové baterie stabilnější než u olověné baterie, je jí dána vyšší životnost, lepší charakteristiky a větší odolnost proti nepříznivým podmínkám. Je také nezbytné vybít NiCd akumulátory před každým nabíjením, protože nadměrný počet cyklů příliš zatěžuje NiCd akumulátory. Typicky 60 % až 70 % vyřazených a znehodnocených NiCd akumulátorů lze pomocí speciálních metod a akumulátorových analyzérů znovu oživit.

Zkušenosti ze sedmiletého provozu nabíjení NiCd akumulátoru z větrné elektrárny v Antarktidě

Z dosavadního sedmi letého provozu NiCd baterie tvořené články typu KPM 160P o kapacitě 160 Ah vyplynula mimořádná spolehlivost jejího provozu s větrnou elektrárnou AVE 300 o výkonu 300 W. Kapacita poklesla na 90,6 % jmenovité hodnoty. Použití NiCd baterie s hustotou elektrolytu 1,28 g/cm3 umožňuje spolehlivý provoz až do - 40 'C bez nebezpečí zamrznutí elektrolytu. Během provozu při teplotách - 18 'C nepoklesne jejich kapacita oproti hodnotě při 20 'C pouze o 20 %, zatímco při použití olověných baterií dojde za těchto podmínek k poklesu o 75 %. Samovybíjení NiCd baterií je poměrně malé - po šesti měsících se akumulovaná energie zmenší asi o 15 %. Tuto vlastnost ocenil výzkumný tým po dosažení základny na ostrově. NiCd baterie, která v drsných podmínkách polární zimy přežila mimo provoz celých devět měsíců, byla schopna okamžitě plnohodnotného provozu.

Nikl - Metal hydridové (NiMH) akumulátory

Nikl - Metal hydridové akumulátory představují další vývojový stupeň NiCd akumulátorů, mají větší kapacitu v porovnání s NiCd a menší nabíjecí proud. Uplatňují se zejména pro napájení mobilních telefonů, laptopů a nářadí. Vývoj NiMH začal již v sedmdesátých letech, ale metal hydrid nebyl v prostředí článku stabilní a vývoj ustal. Teprve v osmdesátých letech byly vyvinuty lepší hydridy, které byly dostatečně stabilní pro účely akumulátorů.

Některé charakteristické vlastnosti NiMH akumulátorů:
•    30 % větší kapacita oproti standardním NiCd
•    menší náchylnost k paměťovému efektu oproti NiCd
•    méně toxických látek, NiMH jsou dnes označovány jako „přátelské k životnímu prostředí"
•    vydrží méně nabíjecích cyklů oproti NiCd, upřednostňují menší hloubku vybíjení a jejich dlouhověkost je přímo úměrná hloubce jejich vybíjení
•    rychlé nabíjení: NiMH produkují při nabíjení mnohem více tepla a vyžadují mnohem komplexnější algoritmus pro úplné nabíjení, nedoporučuje se využívat nabíječek určených pro NiCd
•    NiMH nelze nabíjet takovou rychlostí jako NiCd
•    Vybíjecí proud je znatelně nižší v porovnání s NiCd
•    samovybíjení NiCd je po prvním dnu 10 % a poté se ustálí na 10 % za měsíc, NiMH jsou na tom až dvakrát hůře

Lithium - iontové (Li - ion) akumulátory

Pionýrem v této technologii byl již v roce 1912 G. N. Lewis, ale nabíjecí lithiové akumulátory se objevily až v sedmdesátých letech. Lithium je nejlehčí z kovů, má vysoký elektrochemický potenciál a poskytuje tedy vysoký energetický obsah. Nabíjecí akumulátory tvořené elektrodami z lithia mají vysoké jmenovité napětí, kapacitu a tím také mimořádnou energetickou hustotu. První lithiové baterie byly velmi senzitivní na teplotu a zejména při nabíjení hrozila jejich exploze, jsou dokonce známy případy, kdy tyto baterie v mobilních telefonech popálily obličej uživatele. Z těchto důvodů se přešlo pouze k využívání lithiových iontů ze sloučenin (např. lithium - kobalt dioxid LiCoCh). Oproti lithiovým akumulátorům mají sice lithium-iontové akumulátory o něco menší energetickou hustotu, ale jejich použití je bezpečné. První komerční lithiovou baterii představila společnost Sony v roce 1991 a od té doby je Sony také největším dodavatelem těchto typů akumulátorů.

Energetická hustota li - iontových akumulátorů je nejméně dvojnásobná v porovnání s NiCd a zátěžový proud je o poznání vyšší. Přestože mají li - iontové články podobnou vybíjecí charakteristiku s NiCd, mají relativně malé samovybíjení.

Pro bezpečnost a dlouhověkost musí být každý li -iontový akumulátor vybaven ochranným obvodem, který hlídá maximální napětí každého článku během nabíjení a minimální při vybíjení. Také musí být limitován maximální vybíjecí a nabíjecí proud a sledována teplota článku. Zasahovat do nabíjení a nahrazovat originální nabíječky li - iontových baterií se nedoporučuje.

Využití li - iontových baterií se začíná prosazovat v oblastech, kde je vyžadována vysoká hustota energie a kde není cena prioritní. První aplikace byly pro armádní komunikační zařízení a dnes jsou běžné i v mobilních telefonech.

Lithium - polymerové (Li - polymer) akumulátory

Levnějším provedením lithium - iontových akumulátorů jsou lithium - polymerové akumulátory. Původní koncepce takovéhoto článku předpokládá použití elektrolytu v pevném skupenství. Tato konstrukce nabízí jedinečné možnosti a vlastnosti, snadnou výrobu, odolnost, bezpečnost a dobrou cenu. Odpadá nebezpečí průsaku toxických elektrolytů stěnou článku, i když se pro zlepšení vodivosti polymeru, v tuhém stavu, přidává kapalná látka. Tato technologie nabízí trojnásobnou energetickou hustotu oproti NiCd a jedinečnou flexibilitu provedení, včetně prizmatických článků, tenkých jen 1 mm. Články tohoto typu bude v budoucnu možné rolovat a tvarovat podle potřeby a prostoru.

Zátěžový proud a životnost li-polymerových akumulátorů je mnohem nižší oproti li-iontovým akumulátorům. Výraznou výhodou této technologie by měla být nízká cena mezi nabíjecími akumulátory.

Opakovaně použitelné alkalické baterie

Myšlenka nabíjet alkalické baterie není nijak nová, a určitě jste někdo zkoušel nabíjet baterie na jedno použití s částečně úspěšným výsledkem. Hlavní rozdíl mezi těmi co jsou konstruované na znovu nabíjení a ty na jedno použití je jejich energetická hustota. Standardní, ne-nabíjecí baterie mají max. energetickou hustotu, zatímco znovu nabíjecí platí za svou regenerativní schopnost kompromisem v podobě snížení energetické hustoty po prvním nabití.

Životnost regenerativních alkalických článků je přímo závislá na hloubce vybití. Čím více baterii vybijeme tím má méně nabíjecích cyklů.

Akumulátory NaS

Oproti olověným akumulátorům mají akumulátory NaS reagující látky v kapalném stavu a „elektrolyt" je pevný. Princip tohoto článku je na obrázku. Reagujícími látkami je roztavený sodík (Na) a roztavená síra (S). Elektrolyt je beta-aluminiumoxid, keramická pevná látka, která je pro sodíkové ionty propustná („vodivá"). Během vybíjecího procesu putuje sodík ve formě iontů elektrolytem k síře a reaguje tam s ní na sulfid sodíku NaS. Během fáze nabíjení se tento proces obrátí. Přednost tohoto článku spočívá v tom, že oproti olověným nebo nikl kadmiovým akumulátorům má čtyřikrát větší hustotu energie. Nevýhodou je, že může dodávat proud jen za předpokladu, že reagující látky jsou v kapalném stavu, což nastává teprve při teplotě 285 'C. Optimální provozní teplota je ještě vyšší (mezi 290 a 300 'C). Během vybíjení se uvedená teplota udržuje vznikajícími tepelnými ztrátami.

Akumulátory tohoto typu musí tedy být na rozdíl od běžných tepelně izolovány. Kromě toho spotřebovávají určitou část energie na krytí vznikajících tepelných ztrát. K přednostem tohoto akumulátoru patří v neposlední řadě to, že nepotřebuje údržbu. Není tedy nutné doplňování vody jako u olověného akumulátoru.

Životnost NaS akumulátorů se pohybuje okolo 10 let, resp. 1 000 cyklů nabíjení - vybíjení. To odpovídá u elektromobilů (např. pro městský provoz) celkové ujeté vzdálenosti 150 000 až 200 000 km. Nelze zatím říci nakolik se tento typ akumulátoru prosadí. Především hospodárnost jeho i jiných vysokoenergetických akumulátorů, jako např. cín - bronz, nikl - vodík nebo sodík -chlorid niklu, je ještě daleko od splnění našich přání.

Baterie se staly pevnou součástí našeho života. Pomáhají nám když telefonujeme přátelům, asistují při dokončování transakcí na našem notebooku a jsou naší podporou při nebezpečných výpravách když nasazujeme život. Moderní technologie představují také nové a vylepšené akumulátory nabízející zřejmé výhody oproti starším typům, ale přesto nejsou žádné plně dostatečné pro přenosné aplikace a akumulaci energie z obnovitelných zdrojů. Akumulátorovým nabíječkám bývá věnována nejmenší pozornost při pořizování zařízení s el. akumulátorem. Nadměrná teplota během nabíjení a stand-by režim je jedním z největších zabijáků akumulátorů. Uživatel mobilního telefonu, který zvolí silnější akumulátor a nepoužívá adekvátní nabíječku nemusí být spokojen. Komerční rychlo-nabíječky nejsou vždy konstruovány pro nejvyšší blaho akumulátorů. Ve snaze produkovat rychlé a levné nabíječky jsou potřeby akumulátorů často ignorovány. Skoro nerentabilní výkonnost a kratší životnost akumulátorů je často důsledkem špatných a levných nabíječek. Ztráta kapacity akumulátorů přichází pomalu a v mnoha případech bez vědomí uživatele. Nejlépe je články akumulátoru nijak nepobuřovat a nechat je přirozeně stárnout. Pořádná údržba a správné zacházení zabrání předčasnému selhání a jsou tou nejlepší radou. Akumulátory jsou kazící se zboží, jen co opustí výrobní linku tak začínají stárnout a zhoršovat svoje vlastnosti. I nejlepší údržba a dobré zacházení nezabrání nutnosti jejich nahrazení.

Seriál: Úspory paliv, energie a vody, článek z r. 2002

zdroj: Alternativní energie

Líbil se vám článek?

ano: 258     ne: 250

Doporuč


 

Poslat známému


logo © 2007 4-INDUSTRY, s.r.o. Všechna práva vyhrazena. Ochrana údajů –  Podmínky při poskytování služeb