Náklady na akumulaci elektřiny v sekundárních článcích

Datum: 23.9.2013  |  Autor: Ing. Pavel Tošer, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ing. Sebastian Vaculík, doc. Ing. Petr Bača, Ph.D.  |  Recenzent: Ing. Martin Kolařík

Čánek se zabývá náklady na akumulaci elektřiny v akumulátorech běžně dostupných na trhu v České republice. Cílem je porovnat akumulátory různých typů a velikostí a nakonec vybrat optimální typ z hlediska výkonu a samozřejmě také ceny.

Teoretický úvod

Sekundární články poskytují z ekonomického pohledu daleko více energie než články primární díky jejich funkčnímu principu – elektřina v primárních článcích vzniká chemickou reakcí, která je nevratná, naproti tomu v sekundárních článcích se elektřina prostřednictvím vratných chemických reakcí uchovává.

Níže jsou uvedeny popisy zkratek sekundárních článků tak, jak jsou uváděny v literatuře a používány v tomto článku.

LiFePo4Lithium-železo-fosfátový akumulátor
LiFeYPo4Lithium-železo-fosfátový akumulátor (Fe dotováno Yttriem)
NaSSodium-sulfur battery – Sodíkovo sírový akumulátor
PbALead – Acid – olověný akumulátor
Pb floodedLead – Acid – olověný akumulátor – zaplacená konstrukce
Pb AGMLead – Acid – olověný akumulátor – elektrolyt v separátoru
NiCdNickle-Cadmium – Nikl-kadmiový akumulátor
NiMHNikl-Metal Hydridový akumulátor
VRBVanadium Redox Battery – Vanadová redoxní baterie
ZnBrZinc-Bromide Battery – inko-bromový akumulátor
PSBPolysulfide-Bromide Battery – Polysulfidová Bromová Baterie

Pro různé výkonové aplikace jsou vhodné různé typy sekundárních článků [1], [8]. Například systém sodík-síra je výhodný ve výkonových aplikacích nad 1 MW a prozatím není ve větší míře komerčně využíván pro nižší výkony.

Pro akumulaci elektřiny z fotovoltaických elektráren jsou v praxi nejčastěji používány olověné akumulátory v trakčních a staničních variantách a také velmi výhodný systém LiFePO4. Dále by bylo teoreticky možné využití například i méně známých komerčních systémů, jako průtokových redoxních akumulátorů a další. Pro porovnání však byly vybrány nejpoužívanější a komerčně dostupné typy.

Parametry akumulátorů

Základní parametry akumulátorů jsou [1], [8]:

  • Hustota energie [Wh/kg]
  • Energetická účinnost nabíjecího/vybíjecího cyklu [%]
  • Životnost v počtu nabíjecích respektive vybíjecích cyklů
  • Životnost v letech [rok]
  • Samovybíjení [%/měsíc]
  • Rozsah pracovních teplot [°C]
  • Maximální výkon [W]
  • Kapacita [Ah]
  • Rychlost nabíjení [h]
  • Možnost recyklace [–]
  • Investiční náklady – tj. cena za 1 V.Ah akumulační kapacity v jednom nabíjecím cyklu [Kč/(V.Ah)]
  • Dodatečné náklady [Kč]

Požadavky na akumulátory jsou často protichůdné. Ideální akumulátor by měl mít vysokou hustotu energie, nízké investiční náklady, vysokou účinnost nabíjecího cyklu, vysokou životnost jak cyklickou, tak časovou (udávanou v letech), nízké samovybíjení, vysoký rozsah pracovních teplot a schopnost rychlého nabíjení.

Z finančního hlediska je nutno rozlišovat mezi náklady na samotný akumulátor a případnými náklady na doplňkové komponenty (například ochrana LiFePO4 akumulátoru).

Základní specifikace srovnávaných typů akumulátorů jsou uvedeny v Tab. 1.

Tab. 1: Porovnání vlastností nejčastěji používaných sekundárních článků [2].
Typ akumulátoruNi-CdNi-MHLiFePO4Pb
startovací
Pb
staniční
Pb
trakční
Reálná hustota energie [Wh/kg]45–8060–12090–12030–50
Napětí článku [V]1,21,23,32,1
Počet cyklů [–]1500300–500> 2000400–500600 +
Životnost [let]5 +3–410 +5 +10 +
Doba nabíjení [h]1–22–40,5–48–16
Samovybíjení/měsíc [%]20305–10205

Energetická účinnost

Energetická účinnost nabíjecího/vybíjecího procesu je zásadní pojem při určování celkové účinnosti systému, kterého je akumulátor součástí. Energetická účinnost je závislá na elektrochemické účinnosti daného typu akumulátoru. Hodnoty účinností různých typů akumulátorů jsou shrnuty v Tab. 2. Hodnoty účinností jsou dány základními funkčními principy akumulátorů. Vyšší/nižší hodnoty účinností lze dosáhnout nabíjením bez/s napěťovým omezením, proto jsou v Tab. 2 uvedeny minimální a maximální možné hodnoty účinnosti v závislosti na DOD. Lze také zlepšit účinnost nabíjecího procesu úpravou aktivní hmoty kladné nebo záporné elektrody s použitím aditiv nebo expandérů za účelem zvětšení aktivního povrchu elektrod [2].

Tab. 2: Limitní hodnoty účinnosti nabíjecího/vybíjecího procesu různých druhů akumulátorů [2].
Typ akumulátoruLiFePo4NaSPbANiCdNiMHVRBZnBrPSB
η [%]85–9575–8360–9165–8565–8560–8060–7360–65
Obr. 1a: Vliv DOD olověného akumulátoru na energii dodanou při nabíjení.Obr. 1b: Vliv DOD olověného akumulátoru na energii odevzdanou při vybíjení.Obr. 1: Vliv DOD olověného akumulátoru na energii dodanou při nabíjení / odevzdanou při vybíjení.

Porovnání

Kromě celé řady dalších parametrů můžeme akumulátory srovnávat z pohledu nákladů na kWh odebrané elektrické energie. V dalším textu uvedené porovnání zahrnuje pouze účinnost akumulace elektrické energie v rámci samotného akumulačního cyklu a cyklickou životnost akumulátorů. Přesnější výpočet by měl zahrnovat řadu dalších ovlivňujících faktorů, například cenu elektřiny spotřebované při nabíjení nad rámec elektřiny odebrané. Mezi vlivy, které mohou dále zasahovat do výsledných nákladů na 1 kWh, můžeme dále zahrnout provozní teplotu, samovybíjení a v neposlední řadě způsob používání.

Náklady na 1 kWh elektřiny odebrané z akumulátoru byly vypočítány z ceny akumulátoru, jeho kapacity, nominálního napětí a počtu cyklů. Výpočet byl korigován energetickou účinností nabíjecího/vybíjecího procesu v extrémních případech, tedy krajních mezích (*ηSH, *ηHH) viz Tab. 3, Tab. 4 a Tab. 5.

vzorec
 

Příklad 1: náklady na akumulaci elektřiny pro velmi malou kapacitu řádově 100 V.Ah. Akumulátory této velikosti jsou používány například v elektrokolech.

Tab. 3: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh elektrické energie – vybrané akumulátory s menší kapacitou do 10 Ah.
Typ akumulátoruLiFePO4 [7]LiFePO4 [70 % DOD] [7]NiMH [6]NiCD [5]Pb AGM [3]Pb flooded [4]
Kapacita [Ah]10105757
Napětí [V]1212121,21212
Počet cyklů při 50 % DOD [–]150020004001500500500
Cena [Kč]15301530725559789307
ηSH [%]858565656060
ηHH [%]959585859191
Cena za 1 kWh při ηSH [Kč]10,007,5046,4768,2543,8324,37
Cena za 1 kWh při ηHH [Kč]8,956,7135,5452,1928,9016,06
Náklady na 1 kWh [Kč]9,477,1141,0160,2236,3720,21
Obr. 2: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh elektřiny z různých typů akumulátorů o kapacitě řádově 10 Ah.
Obr. 2: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh elektřiny z různých typů akumulátorů o kapacitě řádově 10 Ah.
 

Příklad 2: pro zajištění nejnutnější spotřeby domácnosti na jeden den je nutná kapacita akumulátorů řádově 1000 V.Ah.

Tab. 4: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – vybrané olověné akumulátory
s kapacitou od 60 do 150 Ah [3].
Typ akumulátoruPb trakčníPb trakčníPb trakčníPb staniční 4–6 letPb staniční 8–12 letPb staniční – vysokozátěžovýPb – startovací
Kapacita [Ah]60115150606012056
Napětí [V]12121212121212
Počet cyklů při 50 % DOD [–]2008008002508001100500
Cena [Kč]2179554975383084468761881792
ηSH [%]60606060606060
ηHH [%]91919191919191
Cena za 1 kWh při ηSH [Kč]25,228,388,7228,5613,566,5117,78
Cena za 1 kWh při ηHH [Kč]16,635,525,7518,838,944,2911,72
Náklady na 1 kWh [Kč]20,926,957,2423,6911,255,4014,75
Obr. 3: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh Pb akumulátorů o kapacitě řádově 60–150 Ah běžně dostupných na trhu.
Obr. 3: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh Pb akumulátorů o kapacitě řádově 60–150 Ah běžně dostupných na trhu.
 

Příklad 3: pro zajištění spotřeby domácnosti na několik dnů je nutná kapacita akumulátorů kolem 10 000 V.Ah.

Tab. 5: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – vybrané olověné staniční akumulátory
s kapacitou od 200 do 1000 Ah dostupné v ČR [9].
Typ akumulátoruPb trakční [200 Ah]Pb trakční [300 Ah]Pb trakční [490 Ah]Pb trakční [600 Ah]Pb trakční [800 Ah]Pb trakční [1000 Ah]
Kapacita [Ah]2003004906008001000
Napětí [V]222222
Počet cyklů při 50 % DOD [–]150015001500150015001500
Cena [Kč]43805860749087431251614565
ηSH [%]606060606060
ηHH [%]919191919191
Cena za 1 kWh při ηSH [Kč]12,1710,858,498,108,698,09
Cena za 1 kWh při ηHH [Kč]8,027,165,605,345,735,34
Náklady na 1 kWh [Kč]10,099,007,056,727,216,71
Obr. 4: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – vybrané olověné staniční akumulátory s kapacitou od 200–1000 Ah
Obr. 4: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – vybrané olověné staniční akumulátory s kapacitou od 200–1000 Ah
 

Nebyl nalezen v ČR prodejce pro staniční akumulátory velkých kapacit nad 200 Ah, byly proto použity ceny na zahraničních eshopech [11]. Při aktuálním kurzu za USD dle ČNB ze dne 4. 9. 2013 19,572 Kč byly vypočteny ceny viz Tab. 7. Výsledná cena je velmi zajímavá. K výsledné ceně je při případné koupi nutné započítat náklady na doručení.

Tab. 6: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – vybrané olověné staniční akumulátory (zahraniční prodejce viz text) s kapacitou od 225 do 1100 Ah [10], [11].
Typ akumulátoruPb staniční
[200 Ah]
Pb trakční
[325 Ah]
Pb trakční
[370 Ah]
Pb trakční
[1100 Ah]
Kapacita [Ah]2253253701110
Napětí [V]6662
Počet cyklů při 50 % DOD [–]1600160016001600
Cena [Kč]3500610069607060
ηSH [%]60606060
ηHH [%]91919191
Cena za 1 kWh při ηSH [Kč]2,703,263,273,31
Cena za 1 kWh při ηHH [Kč]1,782,152,152,18
Náklady na 1 kWh [Kč]2,242,702,712,75
Obr. 5: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – vybrané olověné staniční akumulátory ze zahraniční distribuce viz. text s kapacitou od 225–1100 Ah.
Obr. 5: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – vybrané olověné staniční akumulátory ze zahraniční distribuce viz. text s kapacitou od 225–1100 Ah.
 

Zvlášť jsou uvedeny výsledky pro LiFeYPO4 akumulátory středních a vyšších kapacit.

Tab. 7: Výpočet nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – LiFeYPO4 dostupné akumulátory v kapacitách 60–700 Ah [7].
Typ akumulátoruLiFeYPO4
[60 Ah]
LiFeYPO4
[100 Ah]
LiFeYPO4
[200 Ah]
LiFeYPO4
[300 Ah]
LiFeYPO4
[400 Ah]
LiFeYPO4
[700 Ah]
Kapacita [Ah]60100200300400700
Napětí [V]3,23,23,23,23,23,2
Počet cyklů při 70 % DOD [–]500050005000500050007000
Cena [Kč]19903550669099901390018820
ηSH [%]858585858585
ηHH [%]959595959595
Cena za 1 kWh při ηSH [Kč]2,442,612,462,455,112,82
Cena za 1 kWh při ηHH [Kč]2,182,342,202,194,572,53
Náklady na 1 kWh [Kč]2,312,472,332,324,842,68
Obr. 6:Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh LiFeYPO4 akumulátorů dostupných kapacit 60–700 Ah.
Obr. 6:Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh LiFeYPO4 akumulátorů dostupných kapacit 60–700 Ah.

Celkové náklady ovlivňuje vybraný typ/výrobce a jeho cena. Z dostupných staničních akumulátorů nejvíce vyhovuje typ určený pro vysokou zátěž, kdy jeho cena spojená s kapacitou a počtem cyklů se blíží akumulátorům LiFePO4 a LiFeYPO4. Pokud se zaměříme na porovnání průměrných nákladů, najdeme poměrně značné rozdíly u jednotlivých typů akumulátorů. Tyto rozdíly jsou způsobeny především vysokou cenou za vcelku malou celkovou kapacitu. Výsledná cena může být navíc ovlivněna dalšími náklady. Například přídavné ochranné obvody u LiFePO4, Pb varianty pokud jsou zapotřebí atd. Nejvýhodnější varianty mají také určité nedostatky, mezi něž patří velikost a značná hmotnost, avšak jsou vykoupeny náklady za 1 kWh elektrické energie v rozpětí 2–3 Kč.

 

Závěr

Hlavním tématem tohoto příspěvku bylo porovnat náklady na 1 kWh elektřiny odebrané z akumulátoru v nejpoužívanějších typech sekundárních článků. Parametry použité ve výpočtech jsou převzaty z oficiálních materiálů výrobců a dodavatelů. Pro srovnání nebyly kombinovány varianty spojování akumulátorů do série/paralelně za účelem zvýšení napětí akumulačního systému. Pro porovnání například 12V variant by bylo zapotřebí sestavit systémy s daným výstupním napětím z několika akumulátorů nebo zakoupit již hotový blok dle zmíněných parametrů.

Jako nejlepší varianta se v současnosti jeví použití staničního olověného akumulátoru nebo LiFePO4 resp. LiFeYPO4 akumulátorů, které disponují především vysokou kapacitou, životností a přijatelnou cenou v porovnání s dosahovanými výsledky ostatních systémů viz Obr. 4 – Obr. 6.

Studie může být dále doplněna o další typy akumulátorů, případně zpřesněna zahrnutím neuvažovaných vlivů.

Poděkování

Tato práce vznikla za podpory grantu FEKT-S-11-7 a evropského projektu CVVOZE CZ.1.05./2.1.00/01.0014.

Literatura

 
English Synopsis
The costs of electricity accumulation in secondary cells

The main topic of this paper was to compute the price for 1 kWh of electric energy in a different battery systems. The prices were determined from the datasheets of the manufacturers. The stationary lead acid batteries and LiFeYPO4 batteries are recommended because of their great properties.

 

Hodnotit:  

Datum: 23.9.2013
Autor: Ing. Pavel Tošer, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologiíIng. Sebastian Vaculíkdoc. Ing. Petr Bača, Ph.D.Recenzent: Ing. Martin Kolařík



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (2 příspěvky, poslední 25.09.2013 22:40)

Mohlo by vás také zajímat


Kam dál


Projekty 2016

Reklama


Slunce v domě on-line


Partneři oboru

logo HOTJET logo EICERO

E-mailový zpravodaj

WebArchiv - stránky archivovány národní knihovnou ČR

Spolupracujeme

logo Česká peleta

Nejnovější články

 
 
 

Aktuální články na ESTAV.czBudova muzea v Budapešti bude připomínat velkou U-rampuStavíte dům? Poradíme vám, jak na rozvody vodyNěmecko dá do roku 2030 na dopravní infrastrukturu 270 mld. eur