Superkondensatory oraz akumulatory w systemach magazynowania energii elektrycznej
| TechnikaAkumulatory nie są jedynym sposobem na magazynowanie energii elektrycznej na potrzeby zasilania urządzeń. Ciekawym rozwiązaniem, coraz częściej spotykanym w niektórych typach aplikacji, są zespoły superkondensatorów, a także systemy hybrydowe, korzystające zarówno z akumulatorów, jak i superkondensatorów. Warto przyjrzeć się możliwościom oraz charakterystyce tego typu komponentów.
Tradycyjne ogniwo galwaniczne składa się z dwóch elektrod – anody i katody, zanurzonych w elektrolicie. Energia elektryczna w tego typu strukturach przechowywana jest w postaci wiązań chemicznych – źródłem ładunku elektrycznego są reakcje chemiczne zachodzące pomiędzy elektrodami a elektrolitem. Charakterystyka rozładowania akumulatorów litowo-jonowych jest płaska – napięcie wyjściowe od stanu pełnego naładowania do niemal pełnego rozładowania zmienia się jedynie w niewielkim zakresie. Ze względu na stopniowe zużycie mechanizmów chemicznych liczba cykli ładowania–rozładowania jest ograniczona. Pojemność akumulatora zmniejsza się w trakcie eksploatacji – wpływają na to czynniki takie jak temperatura, napięcie ładowania i głębokość rozładowania.
Terminem "superkondensator" określa się w zasadzie kilka różnych typów kondensatorów elektrolitycznych, charakteryzujących się bardzo dużą wartością pojemności elektrycznej. Energia magazynowana w superkondensatorze ma charakter elektrostatyczny, dzięki czemu w strukturze urządzenia nie zachodzą żadne zmiany chemiczne, a operacje ładowania i rozładowania są prawie całkowicie odwracalne i bardzo szybkie.
Główne różnice pomiędzy akumulatorem a superkondensatorem
W tabeli 1 przedstawiono podstawowe parametry akumulatorów oraz superkondensatorów. Do najistotniejszych różnic zaliczyć można żywotność, prędkość ładowania i rozładowania, gęstość upakowania energii elektrycznej oraz zakres temperatur pracy.
Żywotność.
W przypadku akumulatorów każdy cykl ładowania oraz rozładowania wywołuje nieodwracalne zmiany chemiczne w strukturze układu, stopniowo degradując pojemność ogniwa oraz jego pozostałe parametry elektryczne. W praktyce ogranicza to żywotność do (w najlepszym wypadku) kilku tysięcy cykli ładowania/rozładowania. W przypadku superkondensatorów energia elektryczna gromadzona jest w postaci ładunku elektrostatycznego, co nie wymaga nieodwracalnych reakcji chemicznych. Znacząco zwiększa to żywotność tego typu układów, do wartości przekraczających milion cykli. W przypadku akumulatorów zmiany starzeniowe mogą doprowadzić do gwałtownego uszkodzenia układu, w zasadzie uniemożliwiającego dalsze korzystanie z urządzenia – przy przebiciu warstwy pasywacyjnej na powierzchni anody ogniwo ulega natychmiastowemu uszkodzeniu. Zmiany starzeniowe superkondensatorów objawiają się raczej w postaci stopniowego pogorszenia parametrów układu – m.in. pojemności oraz rezystancji szeregowej, co ogranicza ryzyko nagłego całkowitego uszkodzenia urządzenia ze względu na awarię źródła zasilania.
Temperatura pracy.
Większość typów akumulatorów jest dość podatna na zmiany temperatury otoczenia – z tego powodu charakteryzują się one ograniczonym zakresem temperatur pracy. Przykładowo, dla ogniw litowo-jonowych wynosi on od ok. –20°C do +45°C. Ogniwa te niezbyt dobrze radzą sobie zarówno ze zbyt wysoką, jak i zbyt niską temperaturą otoczenia. Niska temperatura spowalnia tempo zachodzenia reakcji chemicznych, co ogranicza moc wyjściową akumulatora. Z drugiej strony zbyt wysoka temperatura może doprowadzić do przegrzania ogniwa, w efekcie zaś do jego całkowitego uszkodzenia a nawet pożaru. Z tego powodu w zasadzie każdy akumulator musi być wyposażony w elektroniczny układu monitorowania i sterowania (BMS, Battery Monitoring System). Kontrolowanie temperatury ogniwa jest jednym z podstawowych zadań tego układu, często też dość kosztownym energetycznie (konieczność chłodzenia lub ogrzewania akumulatorów może wymagać dość dużych nakładów energetycznych, o czym doskonale wiedzą użytkownicy pojazdów elektrycznych).
Gęstość energii.
Akumulatory charakteryzują się większą gęstością energii przechowywanej w jednostce objętości niż superkondensatory. Oznacza to, że akumulator o tych samych wymiarach będzie w stanie zasilać urządzenie znacznie dłużej niż superkondensator. Przykładowo, ogniwo litowo-jonowe może charakteryzować się gęstością energii dochodzącą do 650 Wh/L, zaś w przypadku superkondensatorów wartość ta nie przekracza 10 Wh/L. Z tego powodu akumulatory znacznie lepiej nadają się do zastosowań wymagających przechowywania dużych ilości energii, jak w przypadku pojazdów elektrycznych czy przydomowych magazynów energii. Ogniwo zbudowane z superkondensatorów nie sprawdzi się raczej do samodzielnego zasilania elektronarzędzi czy telefonu komórkowego, świetnie nadaje się jednak do stabilizacji układu zasilania w systemach ze zmiennym obciążeniem, wymagających dostarczenia dużej mocy przez krótki okres.
Gęstość mocy.
Gęstość mocy źródła zasilania jest ściśle powiązana z tzw. C-rate, czyli wskaźnikiem szybkości ładowania/ rozładowania. W niektórych zastosowaniach gęstość mocy jest znacznie bardziej istotna niż gęstość energii, na przykład w przypadku urządzeń wymagających dostarczenia dużych ilości energii w krótkim czasie, takich jak systemy zasilania awaryjnego (UPS, Uninterruptible Power Supply). Gęstość mocy superkondensatorów jest około trzykrotnie większa niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych.
Z gęstością mocy pośrednio wiąże się również obecność prądów upływu oraz zjawisko samorozładowania źródła zasilania. Naładowany superkondensator traci energię elektryczną około trzykrotnie szybciej niż ogniwo litowo-jonowe (10% na miesiąc dla akumulatora Li-Ion, zaś 30% dla superkondensatora). Z drugiej strony superkondensator charakteryzuje się niemal nieograniczoną liczbą cykli ładowania/rozładowania oraz niemal natychmiastowym czasem ładowania, co znacznie upraszcza praktyczną realizację systemu ładowania.
Sprawność.
Jak przedstawiono w tabeli 1., superkondensatory charakteryzują się znacznie większą sprawnością niż akumulatory. W przypadku akumulatorów straty energii związane są głównie ze wspomnianym już zjawiskiem nagrzewania się ogniwa podczas pracy oraz negatywnymi konsekwencjami tego procesu. Sprawność magazynowania energii przez superkondensator sięga ok. 98%, zaś w przypadku akumulatorów litowo-jonowych nie przekracza zazwyczaj 90%.
Systemy sterowania. Systemy BMS (Battery Management System) są nieodłącznym elementem systemów zasilania akumulatorowego. Do ich głównych zadań należy monitorowanie procesu ładowania oraz rozładowania źródła energii, ochrona urządzenia oraz użytkownika, a także optymalizacja parametrów pracy układu. Współczesne systemy BMS przeznaczone do zarządzania pracą dużych ogniw potrafią być złożonymi urządzeniami, wyposażonymi w oprogramowanie pracujące pod kontrolą systemu operacyjnego. Szczególnym stopniem skomplikowania charakteryzują się tego typu systemy przeznaczone dla branży motoryzacyjnej, do sterowania pracą akumulatorów pojazdów elektrycznych.
Sterowanie pracą ogniwa superkondensatorów jest znacznie prostsze ze względu na mniejsze restrykcje związane z wykorzystaniem tej technologii. W tym przypadku głównym zadaniem systemu sterowania, niezbędnym do zapewnienia długiej żywotności układu, jest tzw. voltage balancing, czyli równoważenie ładunku zgromadzonego w poszczególnych ogniwach tworzących baterię. Wyróżnia się trzy podstawowe metody równoważenia ładunku: pasywne, aktywne oraz z rezystorem obejściowym (bocznikującym). Obwody balansujące mogą zostać zintegrowane z poszczególnymi ogniwami baterii superkondensatorów już na etapie produkcji, dzięki czemu nie ma konieczności monitorowania pracy systemu z zewnątrz. Znacznie upraszcza oraz przyspiesza to integrację układu z resztą urządzenia, istotnie ogranicza też koszty podsystemu zasilania.
Istnieją również systemy BMS przeznaczone do monitorowania pracy układów hybrydowych, składających się zarówno z superkondensatorów, jak i akumulatorów. Tego typu rozwiązania dbają o optymalne wykorzystanie zgromadzonej energii elektrycznej, m.in. poprzez kontrolę przepływu ładunku pomiędzy dwoma typami źródeł zasilania.
Paweł Kieliński, Project Manager w firmie Masters Sp. z o.o.Wiele się mówi o doskonałych właściwościach superkondensatorów, trwałości, odporności na temperaturę. A jak te funkcjonalności ocenia rynek, tj. kto je kupuje i do czego, czy jest w ogóle na nie jakiś znaczący wartościowo popyt? Trzeba zacząć od tego, że superkondensatory jako całą grupę produktów charakteryzuje duże zróżnicowanie, od małych, kompaktowych elementów o pojemności 1 F do produktów o wysokiej pojemności przekraczającej nawet 2000 F, których rozmiary są znacznie większe. Spektrum zastosowań dla superkondensatorów jest równie szerokie. Te mniejsze znajdują zastosowanie w telefonach komórkowych, urządzeniach audiowizualnych czy zabawkach. Gdzie najczęściej służą do podtrzymania zasilania dla zegarów i pamięci. Ostatnio obserwujemy zainteresowanie superkondensatorami w urządzeniach pomiarowych typu smart. Zastosowania dla produktów o dużej pojemności obejmują już częściej typowe magazynowanie energii dla urządzeń takich jak oświetlenie zewnętrzne LED lub stacje pogodowe zasilane energią słoneczną, takie połączenie tworzy bezprzewodowy i bezobsługowy system. Mogą też służyć jako źródło zasilania wspomagające w czasie pików zapotrzebowania, gdzie funkcjonują w parze z akumulatorami i wydłużają czas pracy np. elektrycznych wózków jezdniowych. Aktualnie popyt na superkondensatory rzeczywiście nie pozycjonuje ich jako pozycji strategicznej, jednak ten popyt od lat ma tendencje wzrostową i trend ten tylko przyspieszył w ostatnich 4–5 latach, gdzie na rynku pojawiła się potrzeba dla urządzeń działających autonomicznie poza siecią energetyczną, zasilanych jedynie energią słoneczną. Przyspiesza też tempo pojawiania się nowych aplikacji dla superkondensatorów więc będą one stanowić tylko co raz większą część rynku. |
Superkondensatory w konfiguracji szeregowej oraz równoległej
Poszczególne superkondensatory tworzące zespół zasilający mogą być połączone równolegle oraz/lub szeregowo. Typowe napięcie pracy pojedynczego superkondensatora to ok. 2,7 V, zatem do osiągnięcia wyższych wartości napięcia zasilania konieczne jest szeregowe łączenie tych komponentów – w praktyce możliwe jest wtedy uzyskanie napięcia pracy o wartościach setek lub nawet tysięcy woltów. Łączenie równoległe pozwala zwiększyć pojemność źródła zasilania, co umożliwia dłuższą pracę urządzenia. W praktycznych realizacjach spotyka się zazwyczaj kombinację połączeń szeregowych oraz równoległych.
Systemy hybrydowe
W wielu systemach magazynujących energię elektryczną korzysta się z połączenia ogniw akumulatorowych oraz superkondensatorów. Takie hybrydowe podejście pozwala uzyskać wiele korzyści poprzez maksymalne wykorzystanie zalet obu technologii. Ogniwa akumulatorowe dostarczają energii podczas normalnej pracy urządzenia, zaś pakiet superkondensatorów pozwala zabezpieczyć pracę systemu przy skokowych wzrostach zapotrzebowania na moc zasilania. Wyróżnia się systemy pasywne, aktywne oraz niezależne. W rozwiązaniach pasywnych pakiet superkondensatorów podłączony jest równolegle do ogniwa akumulatorowego. Pozwala to na skuteczne radzenie sobie z gwałtownymi skokami obciążenia, co zwiększa dostępną w systemie chwilową moc zasilania. Minusem tego rozwiązania jest fakt, że superkondensator nie może pracować w pełnym zakresie napięć wyjściowych, co ogranicza możliwość praktycznego wykorzystania części energii zgromadzonej w superkondensatorze. W rozwiązaniach aktywnych obecny jest dodatkowy układ sterujący, którego zadaniem jest rozdzielanie obciążenia pomiędzy część akumulatorową a superkondensatorową, a także zarządzanie procesem ładowania – pozwala to lepiej wykorzystać możliwości urządzenia oraz wydłużyć żywotność poszczególnych jego komponentów, wymaga jednak zastosowania dodatkowych układów, co zwiększa koszt całego systemu. Zarówno w systemach pasywnych, jak i aktywnych całość podłączona jest do jednego obciążenia. W konfiguracji niezależnej część superkondensatorowa oraz akumulatorowa nie są ze sobą połączone – każda zasila odmienne obciążenie, przy czym superkondensator odpowiedzialny jest za zasilanie części systemu o znaczeniu krytycznym.
Kondensatory litowo-jonowe
Dość specyficznym rodzajem superkondensatora, będącym w zasadzie hybrydą tradycyjnego superkondensatora i akumulatora litowo-jonowego, jest kondensator litowo-jonowy. W technologii tej jedną z elektrod kondensatora (z reguły anodę, czyli elektrodę ujemną) domieszkuje się jonami litu. Obniża to potencjał anody i umożliwia uzyskanie wyższej wartości napięcia wyjściowego (typowo 3,8 V, zamiast 2,7 V w przypadku klasycznego superkondensatora). Kondensatory litowo-jonowe charakteryzują się gęstością energii około 5 do 10 razy większą niż w przypadku superkondensatorów EDLC (z podwójną warstwą elektryczną, najczęściej spotykany typ superkondensatora). Jednocześnie cechują się gęstością mocy znacznie wyższą niż akumulatory.
Podsumowanie
Zarówno superkondensatory, jak i akumulatory to źródła zasilania mające pewne wady oraz zalety. Z tego powodu każda z tych technologii nadaje się do nieco innych zastosowań – superkondensator świetnie sprawdza się w sytuacji, gdy niezbędne jest zapewnienie dużej mocy zasilania przez krótki okres, długa żywotność układu lub duża liczba cykli ładowania i rozładowania, zaś akumulator jest w stanie przechować znacznie więcej energii przy tej samej objętości ogniwa. Technologie te mogą też uzupełniać się wzajemnie, czego dowodem są rozwiązania hybrydowe, korzystające zarówno z komponentów superkondensatorowych jak i akumulatorowych.
Damian Tomaszewski
