logo TZB-info

Reklama

Náklady na akumulaci elektrické energie v komerčních sekundárních článcích


© Fotolia.com

Článek 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 pro domácí nebo malé FVE.

Reklama

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. V případě lithium iontových akumulátorů pak pomocí interkalačního principu přesunu iontů mezi kladnou a zápornou elektrodou.

Níže jsou uvedeny popisy zkratek sekundárních článků tak, jak jsou uváděny v literatuře a používány v tomto článku – Tabulka 1.

Tab. 1 Seznam použitých zkratek
LiFePO4Lithium-železo-fosfátový akumulátor (IFR)
LiFeYPO4Lithium-železo-fosfátový akumulátor (Fe dotováno Yttriem)
LiCoO2Lithium-kobalt oxid akumulátor (ICR nebo LCO)
LiNiMnCoO2Lithium-nikl-mangan-kobalt oxid akumulátor (INR nebo NMC)
LiMn2O4Lithium-mangan oxid akumulátor (IMR nebo LMO)
Li4Ti5O12Lithium-titaničitá keramika akumulátor (LTO)
LiNiCoAlO2Lithium-nikl-kobalt-hliník oxid akumulátor (NCA)
NaSSodium-sulfur battery – Sodíkovo sírový akumulátor
PbALead – Acid – olověný akumulátor
Pb floodedLead – Acid – olověný akumulátor – zaplavená 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 – zinko-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 Li systémy. Olověné akumulátory v trakčních a staničních variantách jsou využívány při prioritním zohlednění finančních nákladů. 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, velký 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 tepelná ochrana LiFePO4 akumulátoru, jednotka řídící nabíjení a vybíjení akumulátorů).

Základní specifikace srovnávaných typů akumulátorů jsou uvedeny v Tab. 2.

Tab. 2: Porovnání vlastností nejčastěji používaných sekundárních článků [2]
Typ akumulátoruNi-CdNi-MHLiFePO4
(IFR)
LiCoO2
(ICR)
LiNiMnCoO2
(NMC)
LiMn2O4
(IMR)
Li4Ti5O12
(LTO)
LiNiCoAlO2
(NCA)
Pb
startovací
Pb
staniční
Pb
trakční
Reálná hustota energie [Wh/kg]45–8060–12090–120160–220180–260230–25060–85240–26030–50
Napětí článku [V]1,21,23,23,63,63,62,33,62,1
Počet cyklů [–]1500300–500> 3000> 300> 600> 500> 20000> 500400–500600 +
Životnost [let]5 +3–410 +10 +10 +10 +15 +10 +5 +10 +
Doba nabíjení [h]1–22–40,5–40,5–40,5–40,5–40,2–60,5–42–16
Samovybíjení/ měsíc [%]20305–105–105–105–103–55–10205

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. 3 uvedeny minimální a maximální možné hodnoty účinnosti v závislosti na stupni vybití DOD (Obr. 1). 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. 3: 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 / odevzdanou při vybíjení
Obr. 1b: Vliv DOD olověného akumulátoru na energii dodanou při nabíjení / 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. 4, Tab. 5 a Tab. 6., Tab. 7, Tab. 8.

vzorec
 

Běžně užívaná jednotka velikosti kapacity akumulátoru jsou Ah (Ampér hodiny), případně jejich díly či násobky. Označení kapacita akumulátoru je historické označení a s kapacitou kondenzátoru ve F (Farad) to nemá nic společného. Ve skutečnosti se jedná o množství uloženého náboje v daném akumulátoru, tedy velikost proudu, který je schopen akumulátor dodávat po danou dobu. Množství uložené energie v daném akumulátoru má jednotku Wh, případně jejich díly či násobky. Množství této energie je dáno násobkem uloženého náboje v akumulátoru (kapacitou akumulátoru) krát jmenovitým napětím akumulátoru.

Příklad 1: Náklady na akumulaci elektřiny pro velmi malou kapacitu řádově 0,1 kWh. Akumulátory této velikosti jsou používány například v elektrokolech.

Tab. 4: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh elektrické energie – vybrané akumulátory s malou kapacitou do 10 Ah
Typ akumulátoruLiFePO4
[12]
LiCoO2
(ICR)
[14]
LiNiMnCoO2
(NMC)
[4]
LiMn2O4
(IMR)
[15]
Li4Ti5O12
(LTO)
[17]
LiNiCoAlO2
(NCA)
[18]
NiMH
[6]
NiCd
[5]
Pb
AGM
[13]
Pb
flooded
[4]
Kapacita [Ah]102,63,453,11,33,455797
Napětí [V]123,63,63,62,33,6121,21212
Počet cyklů při 50% DOD [–]2000300600500100005004001500500500
Cena [Kč]29601752334291331891590149450662
ηSH [%]85858585858565656060
ηHH [%]95959595959585859191
Cena za 1 kWh při ηSH [Kč]14,5173,3236,7890,455,2335,81101,9218,1913,8926,27
Cena za 1 kWh při ηHH [Kč]12,9865,6032,9180,924,6832,0477,9413,919,1617,32
Náklady na 1 kWh [Kč]13,7569,4634,8585,694,9633,9389,9316,0511,5321,80
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 1 kWh.

Tab. 5: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – vybrané olověné akumulátory se střední kapacitou od 40 do 150 Ah [3, 16]
Typ akumulátoruPb
trakční
Pb
trakční
Pb
trakční
Pb
staniční
4–6 let
Pb
staniční
8–12 let
Pb staniční –
vysokozátěžový
Pb –
startovací
LiNiMnCoO2
(NMC)
[16]
Li4Ti5O12
(LTO)
[16]
Kapacita [Ah]601151507575130569440
Napětí [V]121212121212123,62,3
Počet cyklů při 50% DOD [–]2008008002506001100500100020000
Cena [Kč]216772508121422062807496186639481658
ηSH [%]606060606060608585
ηHH [%]919191919191919595
Cena za 1 kWh při ηSH [Kč]25,0810,959,4031,2619,387,289,2613,731,06
Cena za 1 kWH při ηHH [Kč]16,547,226,2020,6112,784,806,1012,280,95
Náklady na 1 kWh [Kč]20,819,097,8025,9416,086,047,6813,001,01
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 kWh.

Tab. 6: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – vybrané olověné akumulátory s vysokou kapacitou od 200 do 100 Ah dostupné v ČR [9]
Typ akumulátoruPb trakční
[200 Ah]
Pb trakční
[300 Ah]
Pb trakční
[500 Ah]
Pb trakční
[620 Ah]
Pb trakční
[805 Ah]
Pb trakční
[1000 Ah]
Kapacita [Ah]200300506208051000
Napětí [V]222222
Počet cyklů při 50% DOD [–]150015001500150015001500
Cena [Kč]367843505089592573538658
ηSH [%]606060606060
ηHH [%]919191919191
Cena za 1 kWh při ηSH [Kč]10,228,065,655,315,074,81
Cena za 1 kWh při ηHH [Kč]6,745,313,773,503,353,17
Náklady na 1 kWh [Kč]8,486,694,674,414,213,99
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 e-shopech [11]. Při aktuálním kurzu za USD dle ČNB ze dne 27. 1. 2020 22,798 Kč byly vypočteny ceny viz Tab. 6. Výsledná cena je velmi zajímavá. K výsledné ceně je při případné koupi nutné započítat náklady na doručení.

Tab. 7: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – vybrané olověné staniční akumulátory (zahraniční prodejce viz text) s kapacitou od 210 do 1110 Ah [10], [11]
Typ akumulátoruPb staniční
[210 Ah]
Pb staniční
[420 Ah]
Pb staniční
[673 Ah]
Pb staniční
[1110 Ah]
Kapacita [Ah]2104206731110
Napětí [V]6662
Počet cyklů při 50% DOD [–]3000300030003000
Cena [Kč]36708730272908780
ηSH [%]60606060
ηHH [%]91919191
Cena za 1 kWh při ηSH [Kč]1,621,923,752,20
Cena za 1 kWh při ηHH [Kč]1,071,272,481,45
Náklady na 1 kWh [Kč]1,351,603,121,83
Obr. 5: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – vybrané olověné staniční akumulátory ze zahraniční distribuce viz text s kapacitou od 210 do 1110 Ah
Obr. 5: Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – vybrané olověné staniční akumulátory ze zahraniční distribuce viz text s kapacitou od 210 do 1110 Ah
 

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

Tab. 8: Výpočet nákladů na akumulaci 1 kWh el. energie – LiFeYPO4 dostupné akumulátory v kapacitách 60–1000 Ah [9]
Typ akumulátoruLiFeYPO4
[60 Ah]
LiFeYPO4
[100 Ah]
LiFeYPO4
[200 Ah]
LiFeYPO4
[300 Ah]
LiFeYPO4
[400 Ah]
LiFeYPO4
[700 Ah]
LiFeYPO4
[1000 Ah]
Kapacita [Ah]601002003004007001000
Napětí [V]3,23,23,23,23,23,23,2
Počet cyklů při 50% DOD [–]5000500050005000500050005000
Cena [Kč]26714451890313354178053112842922
ηSH [%]85858585858585
ηHH [%]95959595959595
Cena za 1 kWh při ηSH [Kč]3,273,273,273,273,273,273,16
Cena za 1 kWh při ηHH [Kč]2,932,932,932,932,932,932,82
Náklady na 1 kWh [Kč]3,103,103,103,103,103,102,99
Obr. 6:Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh LiFeYPO₄ akumulátorů dostupných kapacit 60–1000 Ah
Obr. 6:Porovnání nákladů na akumulaci 1 kWh LiFeYPO4 akumulátorů dostupných kapacit 60–1000 Ah
 

Celkové náklady na ukládání elektrické energie ovlivňuje vybraný typ akumulátorů, jeho výrobce a cena akumulátoru. Z dostupných Pb staničních akumulátorů ekonomicky nejvíce vyhovuje typ s konstrukcí určenou pro vysokou zátěž. Kdy cena spojená s kapacitou a počtem cyklů je nejblíže akumulátorům LiFeYPO4. Pokud se zaměříme na porovnání průměrných nákladů, najdeme poměrně značné rozdíly u jednotlivých typů akumulátorů hlavně u historicky starších typů akumulátoru jako NiCd a NiMH. Velké cenové rozdíly jsou způsobeny hlavně vysokou cenou a malou kapacitou daného akumulátoru.

Výsledná cena může být navíc ovlivněna dalšími dodatečnými náklady jako např. „battery management system“ bez kterého nelze uložiště realizovat. Při vysokých zátěžích je třeba řešit i chlazení a teplotní stabilitu. Lithium iontové akumulátory také vyžadují obvody řídící nabíjecí a vybíjecí cykly a ochranné prvky z pohledu požární bezpečnosti.

Nejvýhodnější varianty realizace s Pb akumulátory mají určité nedostatky, mezi nejvýznamnější patří velikost a značná hmotnost (např. hmotnost Pb 6V, 673 Ah je 143 kg [11] v porovnání s 700Ah LiFeYPO4 21 kg [9]). Tyto nevýhody jsou však vykoupeny náklady za 1 kWh elektrické energie v rozpětí 3–5 Kč. Uložiště realizované pomocí Li-ion technologie vychází většinou dráž. Vyšší cena je však vyvážená delší životností akumulátorů, tudíž výměna je prováděna méně často a celkovou nižší hmotností uložiště. Jediná výjimka jsou akumulátory LTO, kde cena za uložení 1 kWh je 1,01 Kč, a to hlavně díky stabilitě a vysokému počtu cyklů, které tato technologie vlastní. Jejich nevýhoda je nižší napětí a s tím spojená nižší hustota energie.

Závěr

Hlavním tématem 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 pro malé ostrovní nebo domácí aplikace FVE 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. 2 až Obr. 6.

Studie může být do budoucna doplněna o další typy akumulátorů, např. koncept lithium-síra nebo sodíkovo-iontové akumulátory, tyto systémy jsou však stále ve fázi výzkumu. Studie může být zpřesněna zahrnutím neuvažovaných vlivů jako doprava, instalace, servis atd.

Poděkování

Publikace vznikla v Centru výzkumu a využití obnovitelných zdrojů energie (CVVOZE) za podpory projektu specifického výzkumu na VUT (č. FEKT-S-20-6206).

Literatura

  1. A. Abbas, G. Huff, C. Kaun: DOE/EPRI 2013 Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA, Sandia National Laboratories California, 2013.
  2. C. J. Rydh, B. A. Sandén, Energy analysis of batteries in photovoltaic systems, Energy Conversion and Management 46 (2005), 1957–1979.
  3. Internetový zdroj I. – e-shop akumulátorů. [cit. 23. 01. 2020] http://www.akuvavra.cz.
  4. Internetový zdroj II. – e-shop akumulátorů. [cit. 01. 09. 2013] https://www.conrad.cz.
  5. Internetový zdroj III. – e-shop akumulátorů. [cit. 23. 01. 2020] https://www.batteryspace.com/.
  6. Internetový zdroj IV. – e-shop akumulátorů. [cit. 01. 09. 2013] https://power.tenergy.com/.
  7. PISTOIA, G., 2014. Lithium-ion batteries: advances and applications. Amsterdam: Elsevier. ISBN 978-044-4595-133.
  8. Akumulace elektřiny, TZB-info. [cit. 01. 09. 2013] https://oze.tzb-info.cz/7435-akumulace-elektriny.
  9. Internetový zdroj V. – e-shop akumulátorů. [cit. 24. 01. 2020] https://www.battery.cz.
  10. Internetový zdroj VI. Akumulátory Trojan oficiální stránka [cit. 27. 01. 2020] https://www.trojanbattery.com.
  11. Internetový zdroj VII. Akumulátory trojan zahraniční distribuce [cit. 27. 01. 2020] https://www.solar-electric.com/.
  12. Internetový zdroj VIII. – e-shop akumulátorů. [cit. 23. 01. 2020] http://battery.nabizi.cz.
  13. Internetový zdroj IX. – e-shop akumulátorů. [cit. 24. 01. 2020] https://www.hadex.cz.
  14. Internetový zdroj X. – e-shop akumulátorů. [cit. 03. 02. 2020] https://eshop.fulgurbattman.cz.
  15. Internetový zdroj XI. – e-shop akumulátorů. [cit. 03. 02. 2020] https://www.led-expert.cz.
  16. Internetový zdroj XII. – e-shop akumulátorů. [cit. 03. 02. 2020] https://www.ev-power.eu.
  17. Internetový zdroj XIII. – e-shop akumulátorů. [cit. 03. 02. 2020] https://eskutr.cz/.
  18. Internetový zdroj XIV. – e-shop akumulátorů. [cit. 04. 02. 2020] https://profimodel.cz/cs/.

Článek původně vyšel 23. 9. 2013. Hodnoty v tabulkách byly aktualizovány ke dni 5. 2. 2020.

English Synopsis
The costs of electricity accumulation in secondary cells

The main topic of this paper was to count 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.

 
 

Reklama

ZOBRAZIT PLNOU VERZI
© Copyright Topinfo s.r.o. 2001-2020, všechna práva vyhrazena.