Akumulatory czy superkondensatory – zasobniki energii w UPS-ach
advertisement
dr inż. Karol Bednarek EVER Power Systems Akumulatory czy superkondensatory – zasobniki energii w UPS-ach W systemach zasilania gwarantowanego, których główną grupę stanowią zasilacze awaryjne UPS, jednymi z najważniejszych informacji funkcjonalnych z punktu widzenia użytkownika są parametry źródeł magazynujących energię (przetwarzaną i wykorzystywaną – w przypadku braku zasilania sieciowego lub nieprawidłowych parametrów napięcia sieciowego – do zasilania zabezpieczanych odbiorników). Bardzo istotnym użytkowo parametrem w tych urządzeniach jest czas podtrzymania zasilania podczas pracy buforowej (lub inaczej bateryjnej, czyli w okresie wytwarzania przez UPS napięcia zasilającego odbiorniki), ale nie mniej ważnymi parametrami są czas ładowania źródeł (przywrócenie gotowości UPS do ponownej pracy bateryjnej po rozładowaniu zasobnika energii) oraz liczba cykli ładowania i rozładowania zasobnika energii. Jako źródła zmagazynowanej energii powszechnie wykorzystuje się wtórne ogniwa chemiczne, jakimi są akumulatory. Tylko nieliczne renomowane firmy produkujące zasilacze UPS realizują projekty związane z najnowocześniejszymi technologiami, w których jako zasobniki energii stosuje się superkondensatory. Znakomitym przykładem w tym zakresie mogą być UPS EVER serii EVOLUTION przedstawione na rys. 1 (ze szczegółami można zapoznać się na stronie internetowej http://www.ever.eu/sinline_evolution). Rys. 1. Zasilacze awaryjne EVER EVOLUTION z zastosowanymi superkondensatorami Przy podejmowaniu decyzji co do wyboru źródła magazynowanej energii należy na problem spojrzeć wieloaspektowo – nie wystarczy porównać cen zakupu poszczególnych źródeł (akumulatorów lub superkondensatorów), ale trzeba również uwzględnić warunki ich eksploatacji, trwałość (żywotność), niezawodność, zakres temperatur pracy, wpływ na środowisko naturalne, jak również koszty związane z obsługą, konserwacją oraz okresami użytkowania (wymiany wyeksploatowanego źródła na nowe), ponieważ tańsze w zakupie źródła magazynowanej energii nie muszą być tożsame z bardziej ekonomicznymi w przewidywanym czasie eksploatacji zasilacza awaryjnego (UPS-a). Budowa i własności funkcjonalne superkondensatorów Najnowszymi rozwiązaniami magazynów energii elektrycznej są superkondensatory, które mogą przyjmować i oddawać bardzo duże prądy (rzędu kA), posiadają dużą pojemność i bardzo dużą trwałość oraz mogą pracować w szerokim zakresie temperatur. W kondensatorach energia elektryczna magazynowana jest w polu elektrycznym. Superkondensator (nazywany również ultrakondensatorem) jest specyficznej budowy kondensatorem elektrolitycznym, wykazującym się niebywale dużą pojemnością elektryczną (nawet rzędu kilku tysięcy faradów), dużą gęstością energii i bardzo dużą gęstością mocy. Łączy on w pewnym sensie cechy akumulatora i tradycyjnego kondensatora. Duża gęstość energii świadczy o zasobności naładowanego źródła (zdolności do magazynowania energii), natomiast z gęstością mocy związany jest sposób eksploatacji źródła – duża gęstość mocy świadczy o możliwościach poboru dużych energii w krótkim czasie (a zatem możliwościach ładowania i rozładowywania dużymi prądami, czyli uzyskania szybkiej wymiany ładunku). Idealny magazyn energii powinien wykazywać się jak największą gęstością energii i jak najwyższą gęstością mocy. Zasada funkcjonowania kondensatora elektrochemicznego polega na gromadzeniu ładunków elektrycznych w obrębie podwójnej warstwy elektrycznej (Electric Double Layer – ELD), która powstaje na granicy ośrodków elektroda – elektrolit (rys. 2). a) b) Rys. 2. Budowa i zasada funkcjonowania superkondensatora: a) chaotyczny rozkład ładunku elektrycznego w elektrolicie w kondensatorze rozładowanym, b) wytworzenie się warstw podwójnych w przypadku naładowania kondensatora Ponieważ pojemność kondensatora zależy wprost proporcjonalnie od powierzchni elektrod, a odwrotnie proporcjonalnie od odległości, elektrody wykonuje się z materiałów węglowych o znacznie rozwiniętej powierzchni czynnej. Wykorzystując zaawansowane nanotechnologie elektrody produkuje się w postaci wielościennych nanorurek węglowych, dzięki czemu osiąga się ich gigantyczne powierzchnie właściwe (przekraczające nawet 2000 m2 na jeden gram elektrody), a co za tym idzie również ogromne pojemności. Jako substancje elektrolityczne stosowane są elektrolity organiczne (przy których zastosowaniu uzyskuje się wyższe wartości napięć pracy – rzędu 2,7 ÷ 2,8 V – dzięki czemu osiąga się wyższe gęstości energii) bądź elektrolity wodne (napięcie pracy jest w nich ograniczone do wartości 0,7 ÷ 0,8 V w celu uniknięcia zajścia elektrolizy). Do najbardziej charakterystycznych (a jednocześnie technicznie uzasadnionych) obszarów zastosowań superkondensatorów można zaliczyć: urządzenia mobilne i przenośne (praca cykliczna), przemysł motoryzacyjny (pojazdy elektryczne i hybrydowe), zasilacze rezerwowe (UPS-y, przemysł wojskowy, jak również kosmiczny, urządzenia teleinformatyczne oraz elektroniczne itp.), przemysł energetyczny (systemy kondycjonowania mocy, stabilizacja pracy sieci), współpraca z odnawialnymi źródłami energii (ogniwa fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe), systemy bezpieczeństwa w samolotach, układy alarmowe i przeciwpożarowe, systemy oświetlenia awaryjnego itp. Szczególnie zasadne jest wykorzystanie superkondensatorów w systemach zasilania podlegających losowym silnym wahaniom zarówno mocy obciążeń (głównie w stanach przejściowych pracy urządzeń), jak również związanych z gromadzeniem ładunku elektrycznego. Superkondensatory stosuje się wówczas jako buforujące magazyny energii elektrycznej zdolne do przejęcia chwilowych uderzeń mocy i do podtrzymania napięcia przy zaniku energii w sieci zasilającej. Bardzo korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie superkondensatorów jako magazynu energii w energoelektronicznych systemach zasilania gwarantowanego, czyli UPS-ach. Dzięki nieustannie rozwijanym badaniom naukowym w zakresie technologii nowoczesnych materiałów, superkondensatory posiadają wiele wyjątkowo korzystnych własności funkcjonalnych, wśród których na uwagę zasługują: bardzo duża gęstość mocy (przekraczająca 10000 W/kg), co umożliwia stosowanie dużych wartości prądów ładowania i rozładowania, zdolność do gromadzenia dużych energii (gęstość energii osiąga wartości rzędu 10 Wh/kg), szeroki zakres temperatur pracy (– 40˚C ÷ 65˚C), bardzo duże pojemności superkondensatorów (przekraczające 2000 F), mała wartość rezystancji wewnętrznej (nawet poniżej 0,3 mΩ), a zatem małe wewnętrzne straty energetyczne, wysoka sprawność (nawet przekraczająca 95%), krótkie czasy uzupełniania energii (bardzo duża szybkość ładowania) – rzędu kilku minut, wysoka trwałość, przekraczająca 1000000 cykli (ładowania/rozładowania) bądź 20 lat eksploatacji, bezobsługowość i niskie koszty eksploatacyjne, niewielka degradacja własności przy wielokrotnym ładowaniu i rozładowaniu, mała szkodliwość dla środowiska. Są to elementy oraz technologie drogie, ale niezwykle dynamicznie rozwijające się i relatywnie szybko staną się zdecydowanie bardziej przystępne cenowo (podobnie jak miało to miejsce w przypadku elementów półprzewodnikowych, a obecnie zachodzi również w obszarze ogniw fotowoltaicznych). Ponadto przy dokonywaniu analiz finansowych należy wziąć pod uwagę koszty globalne dla całkowitego czasu użytkowania rozważanych urządzeń. Uwzględniając w tych rozważaniach brak kosztów obsługi i oszczędności finansowe związane z bardzo dużą trwałością (brakiem konieczności częstych wymian na nowe), jak również wyższymi sprawnościami (mniejszymi stratami energii podczas użytkowania, a zatem i kosztami z tym związanymi) łączne koszty inwestycyjne (wynikające z ich zakupu) i eksploatacyjne (cała sfera użytkowania i obsługi) stają w zupełnie innym świetle, gdzie zauważyć można realne korzyści finansowe. Wtórne ogniwa elektrochemiczne – akumulatory Akumulatory (baterie) są ogniwami elektrochemicznymi, czyli następuje w nich przetwarzanie energii chemicznej na elektryczną. Jeżeli element (elektroda) z materiału przewodzącego zostanie zanurzony w elektrolicie (wodnym roztworze kwasu, zasady lub soli), to będzie on posiadał określony potencjał elektrochemiczny, charakterystyczny dla danego materiału elektrody oraz zastosowanego elektrolitu. Jeśli w danym elektrolicie zostaną zanurzone dwie elektrody z różnych materiałów przewodzących, to każda z nich będzie miała inny potencjał elektrochemiczny, a zatem powstanie różnica potencjałów, czyli napięcie elektryczne. Jest to zasada funkcjonowania elektrochemicznych źródeł napięcia. W celu poprawy własności użytkowych akumulatory wykonuje się często jako bezobsługowe (typu VRLA – Valve Regulated Lead - Acid – kwasowo-ołowiowe z zaworami regulacyjnymi). Produkuje się je w dwóch technologiach: a) akumulatory żelowe (w których wodny roztwór kwasu siarkowego po wymieszaniu z krzemionką tworzy masę o konsystencji żelu, spełniającego rolę elektrolitu), b) akumulatory AGM (Absorbed Glass Mat – w których elektrolit jest zaabsorbowany w separatorze wykonanym z porowatej maty szklanej). Wadą akumulatorów żelowych w stosunku do AGM są ograniczenia co do rozładowywania dużymi prądami, dlatego rzadziej są wykorzystywane w układach wysokomocowych. Do cech charakterystycznych akumulatorów (jako magazynów energii) można zaliczyć: zdolność do gromadzenia bardzo dużych energii (gęstość energii osiąga wartości rzędu 100 Wh/kg), w wykonaniach VRLA nie ma wycieków i nie wymagają uzupełniania elektrolitu, mniejsze gęstości mocy – rzędu 100 W/kg (przy obciążeniach większymi wartościami prądów ma miejsce przyspieszona ich degradacja), mają znacznie niższą trwałość (rzeczywista żywotność jest na poziomie 5 lat bądź 1000 cykli ładowanie/rozładowanie), długi czas ładowania (nawet rzędu kilkunastu godzin), sprawność rzędu 70%, silna zależność parametrów (SEM, rezystancji wewnętrznej, trwałości) od temperatury. Analiza porównawcza superkondensatorów z akumulatorami Na podstawie zgromadzonych materiałów (związanych z dokumentacjami technicznymi oraz własnościami funkcjonalnymi) można stwierdzić, że jednym z najbardziej obiecujących magazynów energii są superkondensatory. Największym ich atutem jest bardzo duża gęstość mocy, co jednoznacznie wiąże się z imponująco krótkimi czasami ładowania (uzupełniania ładunku), wynoszącymi kilka minut, podczas gdy ładowanie akumulatorów trwa do kilkunastu godzin. Z dużej gęstości mocy wynikają także bardzo duże prądy ładowania superkondensatorów, jak również możliwości obciążania tych źródeł dużymi prądami (mogą one osiągać wartości rzędu kA). Zdecydowanie gorzej te parametry wyglądają w przypadku akumulatorów, dla których w procedurach ładowania przyjmuje się, że początkowy prąd ładowania nie powinien przekraczać wartości 0,3 Cn [A] (przy czym Cn – jest pojemnością akumulatora [Ah]), co przy pojemności akumulatora 7 Ah daje wartość 2,1 A. Zaleca się jednak, by początkowy prąd ładowania odpowiadał wartości 0,1 Cn [A], czyli dla wspomnianego akumulatora wynosiłby 0,7 A. Ponadto akumulatory są wrażliwe na zbyt głębokie (nadmierne) rozładowania, które mogą prowadzić do zmniejszenia ich pojemności (ograniczenia możliwości magazynowania energii) oraz skrócenia trwałości (żywotności). Istotnym parametrem w superkondensatorach są również mniejsze prądy samorozładowania niż w przypadku akumulatorów. Kolejną ważną cechą funkcjonalną (świadczącą o możliwościach gromadzenia energii elektrycznej) jest gęstość energii, która osiąga korzystniejsze wartości w przypadku akumulatorów (różnica o około rząd wielkości). Pewną niedogodnością w superkondensatorach jest niskie napięcie pracy pojedynczego ogniwa (chociaż w rzeczywistości pojedyncze ogniwo akumulatora również ma wartość napięcia rzędu 2 V). W celu uzyskania wyższej wartości napięcia zarówno superkondensatory, jak i akumulatory łączy się szeregowo w moduły (o napięciu nawet rzędu 800 V). Ważnymi użytkowo parametrami są także rezystancja wewnętrzna i sprawność – świadczą bowiem o stratach energetycznych w tych urządzeniach. Oba te parametry mają korzystniejsze wartości w superkondensatorach, a zatem pod względem strat mocy bardziej ekonomicznym rozwiązaniem jest zastosowanie superkondensatora (straty związane ze sprawnością tych urządzeń są około pięciokrotnie wyższe w przypadku akumulatorów). W układach zasilania pracujących przy wyższych mocach stanowić to może bardzo istotny ekonomicznie element kosztów eksploatacyjnych. Jednym z najbardziej przemawiających na korzyść superkondensatorów czynników jest trwałość (lub inaczej czas życia), określana w latach lub liczbie cykli ładowania/rozładowania. Superkondensatory charakteryzują się ponad 1000-krotnie większą liczbą cykli ładowania niż akumulatory. Również na korzyść superkondensatora przemawia zakres temperatur pracy (szerszy jest zarówno w górnym, jak i dolnym progu). Staje się to często ważnym elementem użytkowym, ponieważ jest wiele przypadków technicznych (np. elektroenergetyczne stacje rozdzielcze bądź telekomunikacyjne stacje nadawcze – często ulokowane w metalowych kontenerach, narażonych na zmienne warunki klimatyczne), w których z uwagi na panujące warunki termiczne akumulatory nie mogą spełniać właściwie swoich funkcji bądź konieczna staje się częsta ich wymiana na nowe (co generuje znaczne dodatkowe koszty inwestycyjne). W instrukcjach eksploatacji akumulatorów zawarte są informacje, że deklarowany czas ich użytkowania odnosi się do temperatury 25˚C, natomiast każdy trwały wzrost temperatury o około 8˚C zmniejsza żywotność akumulatora o połowę (czyli przykładowo eksploatacja akumulatora przy 41˚C skraca czas użytkowania do 25% jego projektowanej żywotności). W przypadku superkondensatorów degradacja ich własności funkcjonalnych, związanych z upływem czasu i zmianami czynników środowiskowych, jest pomijalnie mała. W tabeli 1 zestawiono wybrane parametry przykładowych akumulatorów oraz superkondensatorów. Tabela 1. Porównanie parametrów akumulatorów bezobsługowych i superkondensatorów Model zasobnika energii Parametr Oznaczenie i jednostka napięcie pojemność elektryczna rezystancja wewnętrzna prąd ładowania gęstość mocy gęstość energii zakres temp. pracy Akumulator Superkondensator U [V] Cn [Ah] RW [m ] VRLA GP 1272 12 7,2 25 VRLA HR 1234WF2 12 9 15 LSUC 3000F/2,8V-P 2,8 1,17** 0,25 LSUM 050R4P 0166F EA* 45 1,31** 6,5 IL [A] P/m [W/kg] A/m [Wh/kg] T [˚C] 2 74 34,5 0 ÷ 40 2,4 82 41,5 0 ÷ 40 2400 12 450 5,03 – 40 ÷ + 65 98 287 3,42 – 40 ÷ + 65 ilość cykli ładowania n [-] 1 000 1 000 1 000 000 czas ładowania tL [h] 14 14 0,00049 pojemność kondensatora C [F] – – 3000 * moduł superkondensatorowy; ** oszacowany zgromadzony ładunek elektryczny 1 000 000 0,01334 166,6 Zestawione parametry użytkowe trudno jest porównywać, ponieważ pojedyncze akumulatory i superkondensatory mają różne napięcia pracy, pojemności elektryczne itp. Dlatego w celu urealnienia porównań autor teoretycznie utworzył moduły bateryjne odpowiednio akumulatorów, jak również superkondensatorów. Jako czynniki wspólne przyjęto to samo napięcie wyjściowe (pracy) oraz analogiczną pojemność elektryczną (ilość zgromadzonego ładunku). Uzyskane rezultaty zestawiono w tabeli 2. Superkondensatory coraz częściej łączone są równolegle z innymi zasobnikami energii (np. ogniwami paliwowymi), dzięki czemu możliwe staje się krótkotrwałe dostarczenie chwilowych mocy szczytowych, co korzystnie wpływa na parametry i rozmiary całego układu zasilania. Superkondensatory umożliwiają w systemach elektroenergetycznych poprawę warunków pracy sieci, jak również w obwodach zasilania dostarczenie w krótkim czasie ogromnych energii – rzędu megadżuli. Nieustanny, intensywny rozwój nanotechnologii, jak również ciągle poszerzające się spektrum możliwości zastosowań sprawiają, że superkondensatory mogą stać się jednymi z najczęściej wykorzystywanych magazynów energii. Posiadają wiele parametrów użytkowych jednoznacznie wskazujących na ich przewagę w stosunku do innych urządzeń gromadzących energię elektryczną. Tabela 2. Porównanie oszacowanych parametrów akumulatorów bezobsługowych i superkondensatorów zestawionych w moduły bateryjne o analogicznych napięciach i pojemnościach elektrycznych Model zasobnika energii Parametr Oznaczenie i jednostka napięcie pojemność elektryczna rezystancja wewnętrzna prąd ładowania gęstość mocy gęstość energii zakres temp. pracy ilość cykli ładowania czas ładowania pojemność kondensatora U [V] Cn [Ah] RW [m ] IL [A] P/m [W/kg] A/m [Wh/kg] T [˚C] n [–] tL [h] C [F] Akumulator Superkondensator Szereg. 4 x VRLA GP 1272 48 7,2 100 2 74 34,5 Równol. 6 x LSUM 050R4P 0166F EA 45 (max 50,5) 7,86 1,08 588 287 3,42 1 000 14 – 1 000 000 0,013 1000 UPS EVER EVOLUTION – znakomita szybkość ładowania i żywotność Z uwagi na szczególne zalety superkondensatorów jako magazynów energii profesjonalni producenci systemów zasilania gwarantowanego (UPS), dysponujący nowoczesnymi, zaawansowanymi technologiami, posiadający prężnie prosperujące działy badań i rozwoju mają w swej ofercie nowatorskie rozwiązania UPS-ów, w których jako zasobniki energii wykorzystane są superkondensatory. Przykładem może być EVER SINLINE EVOLUTION 2 kVA. Dzięki zastosowaniu superkondensatora czas ładowania do 100% pojemności wynosi zaledwie od 3 do 5 minut (zamiast zwyczajowych 8 do 14 godzin w przypadku akumulatorów). UPS-y SINLINE EVOLUTION błyskawicznie wracają (po rozładowaniu) do pełnej gotowości do pracy, a ponadto cechują się bardzo dużą żywotnością (wysoką liczbą cykli ładowania – do 1 000 000 razy). Zastosowane superkondensatory są bardzo odporne na warunki zewnętrzne i poprawnie funkcjonują nawet w temperaturach od – 40 do + 60 ˚C. Rys. 3. UPS EVER Sinline Evolution z zaskakującą szybkością ładowania magazynu energii (superkondensatora) Przy obciążeniu odpowiadającym 100% mocy znamionowej czas podtrzymania zasilania wynosi w ich przypadku 4,7 min., natomiast przy 50% Pmax – wynosi 9,4 min. SINLINE EVOLUTION, wykorzystujący najnowocześniejsze technologie w zakresie gromadzenia energii elektrycznej, jest niezwykle imponującym rozwiązaniem systemu zasilania gwarantowanego. LITERATURA 1. Czerwiński A., Akumulatory baterie ogniwa, WkiŁ, Warszawa 2005 2. Merkisz J., Pielecha I., Alternatywne paliwa i układy napędowe pojazdów, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004 3. Bujło P., Sikora A., Paściak G., Chmielowiec J.: Energy flow monitoring unit for Hy-IEL (PEM fuel cell-supercapacitor) electric scooter, Electrical Review, No 3(86), 2010 4. Conway B.E., Electrochemical supercapacitators. Scientific Fudamentals and Technological Applications, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York 1999 5. http://www.welcome-ecolcap.put.poznan.pl/ 6. http://www.emu.com.pl/pl_,produkty_akumulatory_europower,_kd_ud.php 7. http://bater.pl/produkty-i-uslugi/baterie-stacjonarne/baterie-vlra 8. http://www.ultracapacitor.co.kr/support/index.html 9. http://www.dacpol.com.pl/files/pl/katalog/ed14/368_369/368_369.html Publikacja: Elektro.info, nr 1-2 (101), 2012, ISSN 1642-8722, s. 54-57
