Akumulatory kwasowo-ołowiowe a magazyny energii – czy starsza technologia nadal ma zastosowanie?

(Artykuł sponsorowany) Magazynowanie energii stało się jednym z najważniejszych zagadnień związanych z rozwojem fotowoltaiki, energetyki prosumenckiej i systemów zasilania awaryjnego. Coraz więcej właścicieli domów, gospodarstw rolnych oraz zakładów przemysłowych chce wykorzystywać energię wtedy, gdy jest rzeczywiście potrzebna, a nie wyłącznie w momencie jej produkcji. W praktyce oznacza to konieczność zastosowania akumulatorów, które przejmują nadwyżki prądu i oddają je po zachodzie słońca, podczas zwiększonego zapotrzebowania albo w czasie awarii sieci.

Najczęściej mówi się dziś o bateriach litowo-jonowych, zwłaszcza o ogniwach litowo-żelazowo-fosforanowych. Nie są to jednak jedyne rozwiązania dostępne na rynku. W systemach zasilania awaryjnego, instalacjach wyspowych, obiektach przemysłowych oraz prostych układach fotowoltaicznych nadal wykorzystuje się akumulatory kwasowo-ołowiowe.

Jest to technologia znana, stosunkowo tania i dobrze opanowana pod względem technicznym. Ma jednak ograniczenia, których nie można pomijać podczas projektowania magazynu energii. Duża masa, mniejsza użyteczna pojemność, wrażliwość na głębokie rozładowanie i konieczność prawidłowego ładowania sprawiają, że akumulator kwasowo-ołowiowy nie w każdym przypadku będzie opłacalną alternatywą dla nowocześniejszych ogniw.

Czym właściwie jest magazyn energii?

Magazyn energii nie jest wyłącznie zestawem połączonych akumulatorów. To cały układ techniczny, który musi bezpiecznie przyjmować energię, przechowywać ją i przekazywać do odbiorników. W zależności od sposobu zastosowania może współpracować z instalacją fotowoltaiczną, agregatem prądotwórczym, publiczną siecią elektroenergetyczną albo z kilkoma źródłami jednocześnie.

Kompletny system może obejmować:

• bank akumulatorów lub moduły bateryjne,

• falownik hybrydowy albo niezależną przetwornicę,

• regulator ładowania,

• zabezpieczenia zwarciowe i nadprądowe,

• układ pomiarowy kontrolujący napięcie, prąd i temperaturę,

• przewody oraz szyny zbiorcze o odpowiednio dobranym przekroju,

• rozłączniki umożliwiające bezpieczne odłączenie magazynu,

• system sterowania przepływem energii,

• wentylację lub chłodzenie zależne od zastosowanej technologii.

W instalacji fotowoltaicznej magazyn może gromadzić energię wytwarzaną w południe, gdy produkcja jest wysoka, a zużycie w budynku stosunkowo niewielkie. Zgromadzony prąd jest następnie wykorzystywany wieczorem i nocą. W zakładzie przemysłowym magazyn może dodatkowo ograniczać chwilowe szczyty poboru, podtrzymywać działanie maszyn lub zabezpieczać sterowniki przed zanikiem napięcia.

Sposób pracy ma zasadnicze znaczenie dla doboru akumulatorów. Innych parametrów wymaga system uruchamiany kilka razy w roku podczas awarii, a innych magazyn codziennie ładowany i rozładowywany przez instalację fotowoltaiczną.

Jak działają akumulatory kwasowo-ołowiowe?

Akumulator kwasowo-ołowiowy wykorzystuje odwracalne reakcje chemiczne zachodzące pomiędzy elektrodami a elektrolitem. Elektrodę dodatnią tworzy przede wszystkim dwutlenek ołowiu, elektrodę ujemną ołów, natomiast elektrolitem jest wodny roztwór kwasu siarkowego.

Podczas rozładowania materiał aktywny obu płyt stopniowo przekształca się w siarczan ołowiu. Jednocześnie zmniejsza się stężenie kwasu siarkowego, ponieważ część jego składników bierze udział w reakcji chemicznej. Energia chemiczna zostaje w tym procesie zamieniona na energię elektryczną.

Podczas ładowania reakcja przebiega w odwrotnym kierunku. Dostarczony prąd powoduje odbudowę materiału aktywnego płyt oraz zwiększenie stężenia elektrolitu. Proces nie jest jednak idealnie odwracalny. Z każdym cyklem zachodzą niewielkie zmiany struktury płyt, korozja elementów oraz utrata części materiału czynnego.

Pojedyncze ogniwo kwasowo-ołowiowe ma napięcie nominalne wynoszące około 2 V. Popularny akumulator 12-woltowy składa się więc z sześciu ogniw połączonych szeregowo. W magazynach energii poszczególne akumulatory można łączyć w zestawy o napięciu 24, 48 lub większej liczbie woltów.

Im wyższe napięcie systemu, tym mniejszy prąd potrzebny do przekazania tej samej mocy. Ma to znaczenie ze względu na straty w przewodach. Urządzenie pobierające 3000 W z instalacji 12 V wymagałoby prądu przekraczającego 250 A, nie licząc strat przetwornicy. Przy napięciu 48 V natężenie jest około czterokrotnie niższe, dzięki czemu można ograniczyć nagrzewanie przewodów i zastosować bardziej racjonalne zabezpieczenia.

Akumulator rozruchowy nie jest magazynem energii

Jednym z najczęstszych błędów jest budowanie magazynu z przypadkowych akumulatorów samochodowych. Z punktu widzenia napięcia takie rozwiązanie może początkowo działać. Akumulator 12 V zasili przetwornicę, oświetlenie, router lub inne urządzenie. Problem polega na tym, że akumulatory rozruchowe zostały zaprojektowane do zupełnie innego sposobu pracy.

Ich zadaniem jest dostarczenie bardzo dużego prądu przez kilka sekund w celu uruchomienia silnika. Po rozruchu energia zostaje szybko uzupełniona przez alternator. W normalnej eksploatacji samochodowy akumulator pozostaje więc przez większość czasu niemal całkowicie naładowany.

Magazyn energii pracuje inaczej. Prąd jest pobierany przez wiele godzin, a akumulator może regularnie tracić kilkadziesiąt procent pojemności. Cienkie płyty typowego akumulatora rozruchowego źle znoszą takie warunki. Głębokie cykle powodują odspajanie masy czynnej, zasiarczenie i szybki spadek pojemności.

Do pracy w magazynach należy wybierać konstrukcje cykliczne, trakcyjne, przemysłowe lub oznaczone jako deep cycle. Mają one grubsze płyty i są przystosowane do wielokrotnego oddawania większej ilości energii. Nadal nie oznacza to jednak, że można je bez konsekwencji rozładowywać do zera.

Rodzaje akumulatorów kwasowo-ołowiowych

Technologia kwasowo-ołowiowa obejmuje kilka konstrukcji różniących się budową, trwałością, wymaganiami dotyczącymi ładowania i sposobem obsługi. Wybór właściwego rodzaju ma bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo i żywotność całego systemu.

Akumulatory zalewowe z ciekłym elektrolitem

W klasycznych akumulatorach zalewowych elektrolit znajduje się w postaci płynnej. W wielu modelach użytkownik może kontrolować jego poziom, mierzyć gęstość i w razie potrzeby uzupełniać wodę destylowaną.

Ich zaletą jest stosunkowo niska cena, prosta konstrukcja i możliwość oceny stanu poszczególnych ogniw na podstawie parametrów elektrolitu. Duże modele trakcyjne i przemysłowe mogą pracować przez wiele lat, jeżeli są prawidłowo ładowane i regularnie serwisowane.

Najważniejszym ograniczeniem jest gazowanie. Podczas końcowego etapu ładowania może dochodzić do rozkładu wody i wydzielania wodoru oraz tlenu. Wodór jest gazem łatwopalnym, dlatego bank akumulatorów zalewowych musi znajdować się w odpowiednio wentylowanym pomieszczeniu. Nie powinien być instalowany w pobliżu urządzeń iskrzących, otwartego ognia ani źródeł wysokiej temperatury.

Akumulatory zalewowe wymagają również stabilnego ustawienia. Przechylanie lub przewrócenie obudowy może prowadzić do wycieku żrącego elektrolitu.

Akumulatory AGM

AGM jest odmianą akumulatora VRLA, czyli konstrukcji zamkniętej wyposażonej w zawory regulujące ciśnienie. Elektrolit zostaje wchłonięty przez porowatą matę z włókna szklanego umieszczoną między płytami.

Dzięki temu akumulator nie wymaga uzupełniania wody i może być łatwiejszy w montażu niż konstrukcja zalewowa. Charakteryzuje się niewielką rezystancją wewnętrzną, może dostarczać stosunkowo duże prądy i dobrze sprawdza się w zasilaczach awaryjnych, systemach alarmowych oraz instalacjach telekomunikacyjnych.

AGM jest jednak wrażliwy na przeładowanie. Jeżeli napięcie będzie zbyt wysokie, wzrośnie intensywność gazowania i może dojść do otwarcia zaworu bezpieczeństwa. Utraconej w ten sposób wody nie można później uzupełnić. W rezultacie spada pojemność, rośnie rezystancja wewnętrzna i skraca się żywotność.

Nie każdy akumulator AGM jest przeznaczony do intensywnej pracy cyklicznej. Część modeli projektuje się przede wszystkim do podtrzymania napięcia, dlatego przed zakupem należy sprawdzić charakterystykę cykli podaną przez producenta.

Akumulatory żelowe

W akumulatorach żelowych elektrolit zostaje zagęszczony przy użyciu krzemionki. Dzięki temu nie przemieszcza się swobodnie wewnątrz obudowy, a ryzyko jego wycieku jest mniejsze niż w konstrukcji zalewowej.

Dobrej jakości akumulatory żelowe mogą prawidłowo pracować w instalacjach cyklicznych, fotowoltaicznych i wyspowych. Zwykle lepiej niż podstawowe modele AGM znoszą długotrwałe oddawanie energii, ale wymagają precyzyjnego ładowania.

Zbyt wysokie napięcie może doprowadzić do powstawania pęcherzyków gazu w strukturze żelu. Pogarsza to kontakt elektrolitu z płytami i może spowodować trwałą utratę pojemności. Regulator musi więc posiadać profil przeznaczony dokładnie dla akumulatorów żelowych.

Akumulatory trakcyjne

Akumulatory trakcyjne stosuje się między innymi w wózkach widłowych, podnośnikach, maszynach czyszczących i pojazdach przemysłowych. Są projektowane z myślą o wielogodzinnym oddawaniu energii i regularnym cyklowaniu.

Mają grubsze płyty niż akumulatory rozruchowe, dzięki czemu lepiej znoszą głębsze rozładowania. Mogą być dobrym rozwiązaniem w stacjonarnym magazynie, jeżeli duża masa nie stanowi problemu, a użytkownik ma możliwość zapewnienia właściwej wentylacji i obsługi.

Akumulator trakcyjny nie powinien być jednak traktowany jako urządzenie całkowicie odporne na błędy. Pozostawianie go przez długi czas w stanie rozładowanym, przegrzewanie oraz niepełne ładowanie również prowadzą do szybkiej degradacji.

Pojemność nominalna nie jest pojemnością użyteczną

Pojemność akumulatora jest najczęściej podawana w amperogodzinach. Aby obliczyć nominalną energię, wartość tę należy pomnożyć przez napięcie.

Akumulator 12 V o pojemności 200 Ah gromadzi nominalnie:

12 V × 200 Ah = 2400 Wh, czyli 2,4 kWh.

Nie oznacza to jednak, że użytkownik może codziennie pobierać pełne 2,4 kWh. Głębokie rozładowanie akumulatora kwasowo-ołowiowego znacząco przyspiesza jego zużycie. Jeżeli w celu wydłużenia trwałości wykorzystywana jest połowa pojemności, do dyspozycji pozostaje około 1,2 kWh.

Od tej wartości trzeba jeszcze odjąć straty występujące w:

• samym procesie ładowania i rozładowania,

• przewodach i połączeniach,

• przetwornicy lub falowniku,

• regulatorze ładowania,

• urządzeniach pomiarowych i sterujących.

Jeżeli sprawność całego toru wyniesie 80–85%, rzeczywista ilość energii przekazana do odbiorników będzie mniejsza niż pojemność wynikająca z prostego obliczenia napięcia i amperogodzin.

Właśnie dlatego dwa magazyny o tej samej nominalnej pojemności nie muszą oferować takiej samej wartości użytkowej. System litowy o pojemności 10 kWh może pozwalać na wykorzystanie znacznie większej części energii niż magazyn kwasowo-ołowiowy o identycznej wartości zapisanej na tabliczce znamionowej.

Głębokość rozładowania a liczba cykli

Głębokość rozładowania określa, jaka część całkowitej pojemności została pobrana. Parametr ten zapisuje się często jako DoD.

Jeżeli z magazynu o pojemności 10 kWh pobrano 2 kWh, głębokość rozładowania wynosi około 20%. Jeżeli pobrano 8 kWh, wynosi około 80%.

W technologii kwasowo-ołowiowej zależność jest jednoznaczna: im głębsze są regularne rozładowania, tym krótsza jest żywotność. Ten sam akumulator może wykonać dużą liczbę płytkich cykli lub znacznie mniejszą liczbę cykli głębokich.

Nie oznacza to, że każde pojedyncze mocne rozładowanie natychmiast zniszczy akumulator. Problemem jest powtarzalność takiego sposobu pracy. Magazyn, który każdego dnia oddaje niemal całą energię, może szybko utracić pojemność, nawet jeżeli producent określa go jako cykliczny.

Podczas projektowania pojemność należy więc dobrać tak, aby normalny pobór energii nie wymagał codziennego osiągania granicznych wartości. Większy bank akumulatorów jest droższy, ale pracuje płycej, stabilniej i zwykle wolniej się zużywa.

Efekt Peukerta, czyli dlaczego pojemność zależy od obciążenia

W akumulatorach kwasowo-ołowiowych dostępna pojemność zależy od natężenia pobieranego prądu. Zjawisko to opisuje prawo Peukerta. Im szybciej energia jest odbierana, tym mniejsza część nominalnej pojemności może zostać rzeczywiście wykorzystana.

Pojemność 200 Ah może być określona dla rozładowania trwającego 20 godzin. Oznacza to stosunkowo niewielkie obciążenie. Jeżeli ten sam akumulator zostanie podłączony do przetwornicy zasilającej grzejnik, pompę lub elektronarzędzie o dużej mocy, efektywna pojemność będzie niższa.

Zjawisko to ma ogromne znaczenie w systemach pracujących na napięciu 12 V. Duża moc odbiorników powoduje przepływ bardzo wysokiego prądu, gwałtowny spadek napięcia i znaczne obciążenie płyt. Falownik może wyłączyć się z powodu zbyt niskiego napięcia, mimo że w akumulatorze nadal pozostaje część energii.

Dlatego magazynu nie dobiera się wyłącznie na podstawie dziennego zużycia. Należy również określić:

• maksymalną moc odbiorników,

• chwilowe prądy rozruchowe silników i sprężarek,

• dopuszczalne obciążenie pojedynczego akumulatora,

• maksymalny prąd falownika,

• spodziewany czas pracy pod dużym obciążeniem.

Porównanie technologii stosowanych w magazynach energii

Parametry poszczególnych akumulatorów zależą od producenta, konstrukcji, temperatury i warunków eksploatacji. Poniższe wartości mają charakter orientacyjny, ale pozwalają zobaczyć podstawowe różnice pomiędzy technologiami.

Tabela pokazuje, że akumulatory kwasowo-ołowiowe trudno porównywać z ogniwami LFP wyłącznie na podstawie ceny nominalnej kilowatogodziny. Magazyn ołowiowy wymaga zwykle większej pojemności, aby zapewnić tę samą ilość energii użytecznej. Może też wymagać wcześniejszej wymiany.

Z drugiej strony w systemie awaryjnym, który przez większość czasu pozostaje naładowany i wykonuje niewiele cykli, część przewag technologii litowej traci na znaczeniu. W takim zastosowaniu niższy koszt zakupu akumulatorów AGM lub przemysłowych akumulatorów kwasowo-ołowiowych może być uzasadnionym argumentem.

Dlaczego ogniwa LFP wypierają technologię kwasowo-ołowiową?

Ogniwa litowo-żelazowo-fosforanowe stały się popularnym wyborem w domowych magazynach energii przede wszystkim ze względu na wysoką trwałość cykliczną i dużą pojemność użyteczną. Użytkownik może regularnie wykorzystywać znaczną część zgromadzonej energii bez tak silnego skracania żywotności jak w przypadku akumulatorów ołowiowych.

LFP są lżejsze, zajmują mniej miejsca i mają wyższą sprawność. Lepiej przyjmują również duży prąd ładowania. Ma to znaczenie w instalacji fotowoltaicznej, w której okres intensywnej produkcji może trwać tylko kilka godzin.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe w końcowej fazie ładowania przyjmują energię coraz wolniej. Nawet jeżeli moduły fotowoltaiczne dysponują dużą mocą, regulator musi ograniczyć prąd. W pochmurne dni może zabraknąć czasu na pełne zakończenie procesu ładowania. Jeżeli sytuacja regularnie się powtarza, dochodzi do postępującego zasiarczenia.

Technologia LFP także ma swoje wymagania. Konieczne jest stosowanie systemu BMS, który kontroluje napięcie ogniw, temperaturę i dopuszczalny prąd. Niewłaściwie wykonany lub uszkodzony system litowy nie jest automatycznie bezpieczny tylko dlatego, że wykorzystuje nowocześniejszą chemię.

Zasiarczenie – najczęstszy wróg akumulatora ołowiowego

Podczas normalnego rozładowania na płytach powstaje siarczan ołowiu. Po prawidłowym naładowaniu powinien zostać ponownie przekształcony w aktywne składniki elektrod.

Jeżeli akumulator przez dłuższy czas pozostaje niedoładowany, drobne kryształy siarczanu zaczynają przekształcać się w większe i trudniejsze do rozpuszczenia struktury. Zmniejsza się aktywna powierzchnia płyt, wzrasta rezystancja wewnętrzna, a pojemność spada.

Do zasiarczenia może prowadzić:

• pozostawienie rozładowanego akumulatora na wiele dni lub tygodni,

• codzienne ładowanie wyłącznie do części pojemności,

• zbyt niskie napięcie ładowania,

• zbyt krótki czas fazy absorpcji,

• niedopasowanie mocy instalacji fotowoltaicznej do wielkości magazynu,

• pobór energii większy niż jej regularna produkcja.

Niektóre ładowarki posiadają tryby regeneracyjne lub odsiarczające, ale nie należy traktować ich jako gwarantowanego sposobu naprawy. Mocno zasiarczony i zużyty akumulator może nie odzyskać pierwotnych parametrów.

Prawidłowy proces ładowania

Ładowanie akumulatora kwasowo-ołowiowego odbywa się zazwyczaj w kilku etapach. W pierwszej fazie prąd jest stosunkowo wysoki, a napięcie stopniowo rośnie. Po osiągnięciu określonej wartości ładowarka przechodzi do fazy absorpcji, w której utrzymuje napięcie, a prąd stopniowo maleje. Po pełnym naładowaniu następuje tryb podtrzymania.

Niektóre akumulatory zalewowe mogą również wymagać okresowego ładowania wyrównawczego. Polega ono na kontrolowanym podniesieniu napięcia w celu wyrównania parametrów ogniw i ograniczenia rozwarstwienia elektrolitu. Takiego trybu nie wolno bezpośrednio stosować w akumulatorach AGM i żelowych, jeżeli producent tego nie dopuszcza.

Najważniejszą zasadą jest przestrzeganie napięć podanych w dokumentacji konkretnego modelu. Nie istnieje jeden profil odpowiedni dla wszystkich akumulatorów 12 V. Różnice pozornie wynoszące jedynie kilka dziesiątych wolta mogą mieć istotny wpływ na gazowanie, temperaturę i trwałość.

Temperatura a żywotność magazynu

Temperatura wpływa zarówno na aktualną pojemność, jak i szybkość starzenia akumulatora. W chłodnym otoczeniu reakcje chemiczne przebiegają wolniej, dlatego akumulator może oddać mniej energii. Nie oznacza to jednak automatycznie trwałego uszkodzenia. Po ogrzaniu część parametrów może wrócić do normy.

Wysoka temperatura działa odwrotnie. Akumulator może początkowo wykazywać dobrą wydajność, ale procesy korozyjne zachodzą szybciej. Długotrwała praca w przegrzanym pomieszczeniu skraca żywotność i zwiększa ryzyko utraty elektrolitu.

Napięcie ładowania powinno być kompensowane temperaturowo. W wysokiej temperaturze należy je obniżyć, a w chłodzie odpowiednio zwiększyć. Czujnik powinien mierzyć temperaturę samego banku akumulatorów, a nie wyłącznie powietrza w falowniku znajdującym się kilka metrów dalej.

Szczególnie niebezpieczna może być sytuacja, w której jeden akumulator w szeregu nagrzewa się bardziej od pozostałych. Może to wskazywać na uszkodzenie, zwiększoną rezystancję lub nieprawidłowy przebieg ładowania.

Łączenie akumulatorów w banki

W większym magazynie akumulatory są łączone szeregowo w celu podniesienia napięcia albo równolegle w celu zwiększenia pojemności. Możliwe są również układy szeregowo-równoległe.

W połączeniu szeregowym sumują się napięcia, natomiast pojemność w amperogodzinach pozostaje taka sama. Cztery akumulatory 12 V i 100 Ah tworzą zestaw 48 V i 100 Ah, czyli magazyn o nominalnej energii około 4,8 kWh.

W połączeniu równoległym napięcie pozostaje bez zmian, a pojemności się sumują. Cztery akumulatory 12 V i 100 Ah połączone równolegle tworzą zestaw 12 V i 400 Ah, również o nominalnej energii 4,8 kWh.

Mimo identycznej energii drugi wariant będzie pracował przy czterokrotnie większym prądzie, jeżeli ma zasilać odbiornik o tej samej mocy. Z tego powodu większe magazyny zwykle buduje się na napięciu 48 V.

Do jednego banku nie powinno się łączyć akumulatorów:

• o różnej pojemności,

• wykonanych w innej technologii,

• nowych i mocno zużytych,

• pochodzących z różnych serii o odmiennych parametrach,

• eksploatowanych wcześniej w nieznanych warunkach.

Najsłabszy element może ograniczać pracę całego połączenia. W szeregu jeden zużyty akumulator może zostać nadmiernie rozładowany, podczas gdy napięcie całego zestawu nadal wygląda pozornie prawidłowo.

Przewody, zabezpieczenia i ryzyko zwarcia

Bank akumulatorów może dostarczyć bardzo wysoki prąd zwarciowy. Nawet niewielki zestaw 12 V jest w stanie rozgrzać metalowe narzędzie, stopić izolację przewodu i spowodować pożar.

Zabezpieczenie powinno znajdować się możliwie blisko dodatniego zacisku magazynu. W rozbudowanych układach zabezpiecza się nie tylko główne wyjście, ale również poszczególne gałęzie równoległe.

Przewody muszą być dobrane do maksymalnego prądu, długości trasy, dopuszczalnego spadku napięcia i sposobu ułożenia. Sam fakt, że kabel „wytrzymuje” określone natężenie bez stopienia izolacji, nie oznacza jeszcze, że nadaje się do magazynu energii. Nadmierny spadek napięcia obniża sprawność i może prowadzić do przedwczesnego wyłączania falownika.

Połączenia zaciskowe należy regularnie kontrolować. Poluzowane lub skorodowane złącze zwiększa opór, nagrzewa się i może stać się źródłem pożaru.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe w instalacji fotowoltaicznej

Technologia ołowiowa przez wiele lat była podstawą niewielkich instalacji wyspowych. Nadal można ją spotkać w domkach letniskowych, altanach, systemach monitoringu, oświetleniu terenowym, kamperach i obiektach bez dostępu do sieci.

Sprawdza się najlepiej tam, gdzie:

• zużycie energii jest stosunkowo niewielkie,

• dostępna jest odpowiednia przestrzeń techniczna,

• ciężar zestawu nie stanowi problemu,

• użytkownik może kontrolować stan akumulatorów,

• system nie jest codziennie głęboko rozładowywany,

• najważniejszy jest niski koszt rozpoczęcia inwestycji.

Problem pojawia się w całorocznej instalacji domowej nastawionej na codzienne zwiększanie autokonsumpcji. Magazyn pracuje wtedy niemal każdego dnia. Latem wykonuje regularne cykle, a zimą może przez długi czas pozostawać niedoładowany ze względu na małą produkcję fotowoltaiki.

W takich warunkach trzeba zastosować odpowiednio duży bank, przewidzieć możliwość doładowania z sieci i starannie ustawić minimalny stan naładowania. Pozorna oszczędność wynikająca z zakupu małego zestawu prowadzi zwykle do głębokiego cyklowania i szybkiej wymiany akumulatorów.

Zasilanie awaryjne to inne zastosowanie niż codzienna autokonsumpcja

Akumulatory kwasowo-ołowiowe nadal bardzo dobrze sprawdzają się w systemach UPS i instalacjach podtrzymania. Przez większość czasu pozostają naładowane, a energia jest pobierana tylko podczas zaniku napięcia.

W takim trybie ograniczona trwałość cykliczna nie jest aż tak istotna, ponieważ liczba głębokich rozładowań może być niewielka. Ważniejsze stają się koszt, przewidywalne zachowanie, łatwa dostępność oraz możliwość utrzymywania baterii w trybie podtrzymania.

Akumulatory AGM są dlatego powszechnie stosowane w:

• centralach alarmowych,

• zasilaczach komputerowych i serwerowych,

• automatyce bramowej,

• urządzeniach telekomunikacyjnych,

• systemach przeciwpożarowych,

• sterownikach kotłów i instalacji grzewczych.

Należy jednak pamiętać, że nawet nieużywany akumulator starzeje się kalendarzowo. Przebywanie przez kilka lat w podwyższonej temperaturze może znacząco ograniczyć jego zdolność do podtrzymania zasilania. Dlatego system UPS należy okresowo testować pod rzeczywistym obciążeniem.

Jak obliczyć potrzebną pojemność?

Załóżmy, że magazyn ma zasilać przez osiem godzin urządzenia pobierające średnio 300 W. Potrzebna energia wynosi:

300 W × 8 h = 2400 Wh, czyli 2,4 kWh.

Do wyniku trzeba doliczyć straty falownika i przewodów. Przyjmując 85-procentową sprawność całego toru:

2,4 kWh ÷ 0,85 = około 2,82 kWh.

Jeżeli akumulatory kwasowo-ołowiowe mają być rozładowywane maksymalnie do 50%, potrzebna pojemność nominalna wynosi:

2,82 kWh ÷ 0,5 = około 5,64 kWh.

W systemie 48 V odpowiada to pojemności:

5640 Wh ÷ 48 V = około 117,5 Ah.

W praktyce należałoby wybrać zestaw o większej pojemności, na przykład około 150 Ah, aby uwzględnić spadek wydajności w chłodzie, starzenie akumulatorów, chwilowe większe obciążenia i niedokładność obliczeń.

Ten sam odbiór energii w technologii LFP mógłby wymagać mniejszej pojemności nominalnej, ponieważ możliwe jest wykorzystanie większej części zgromadzonej energii, a sprawność jest wyższa.

Jak ocenić stan akumulatora?

Pomiar napięcia spoczynkowego pozwala jedynie wstępnie określić stan naładowania. Wynik może być zafałszowany, jeżeli pomiar zostanie wykonany bezpośrednio po ładowaniu albo podczas pracy pod obciążeniem.

Znacznie więcej informacji daje obserwacja zachowania akumulatora podczas kontrolowanego rozładowania. Zużyty egzemplarz może osiągać prawidłowe napięcie po ładowaniu, ale po podłączeniu odbiornika napięcie szybko spada.

W akumulatorach zalewowych można dodatkowo zmierzyć gęstość elektrolitu. Duże różnice pomiędzy ogniwami mogą świadczyć o uszkodzeniu, zasiarczeniu albo nierównomiernym ładowaniu.

W większych bankach warto kontrolować napięcie każdego akumulatora osobno. Pomiar wyłącznie całego zestawu 48 V może nie ujawnić problemu pojedynczego elementu.

Do typowych objawów zużycia należą:

• wyraźnie krótszy czas podtrzymania,

• szybki spadek napięcia po podłączeniu obciążenia,

• nadmierne nagrzewanie podczas ładowania,

• nierówne napięcia poszczególnych akumulatorów,

• intensywne gazowanie,

• deformacja obudowy,

• korozja zacisków,

• wyciek elektrolitu.

Uszkodzony akumulator należy odłączyć i ocenić jego stan. Pozostawienie go w szeregu może pogarszać warunki pracy pozostałych elementów.

Koszt zakupu a całkowity koszt magazynowania energii

Największą zaletą akumulatorów kwasowo-ołowiowych jest zwykle niska cena zakupu. Nie można jednak na tej podstawie automatycznie stwierdzić, że jest to najtańszy magazyn.

Trzeba porównać nie tylko nominalną pojemność, ale również:

• rzeczywistą pojemność użyteczną,

• liczbę cykli przy określonej głębokości rozładowania,

• sprawność,

• koszt wymiany w całym okresie eksploatacji,

• wymagania dotyczące obsługi i wentylacji,

• przestrzeń potrzebną do instalacji,

• masę i przygotowanie podłoża.

Przykładowo magazyn ołowiowy o nominalnej pojemności 10 kWh może w codziennej pracy dostarczać około 5 kWh użytecznej energii. Magazyn LFP o tej samej pojemności nominalnej może udostępnić 8–9 kWh. Bezpośrednie porównanie cen obu urządzeń bez uwzględnienia tej różnicy prowadzi do błędnych wniosków.

Jeżeli system ołowiowy trzeba wymienić dwukrotnie w okresie pracy jednego magazynu litowego, początkowo tańsza technologia może okazać się droższa w całym cyklu życia.

Sytuacja wygląda inaczej w zasilaniu awaryjnym. Jeżeli akumulator wykonuje kilka cykli w roku, długa trwałość cykliczna LFP nie zawsze przynosi korzyść odpowiadającą różnicy w cenie zakupu.

Bezpieczeństwo i wentylacja

Akumulatory zalewowe podczas ładowania mogą wydzielać wodór. Gaz jest lżejszy od powietrza i gromadzi się w górnej części pomieszczenia, dlatego wentylacja powinna umożliwiać jego skuteczne usunięcie.

Pomieszczenie nie może być całkowicie szczelne. Należy unikać montażu styczników, przekaźników, przełączników oraz innych urządzeń mogących iskrzyć bezpośrednio nad bankiem akumulatorów.

Elektrolit zawiera kwas siarkowy. Podczas obsługi akumulatorów zalewowych trzeba stosować rękawice i ochronę oczu. W pobliżu powinny znajdować się materiały umożliwiające bezpieczne ograniczenie skutków ewentualnego wycieku.

AGM i akumulatory żelowe są konstrukcjami zamkniętymi, ale nie całkowicie pozbawionymi możliwości uwolnienia gazów. Zawory bezpieczeństwa mogą się otworzyć w przypadku przeładowania, przegrzania lub awarii. Dlatego również takich akumulatorów nie powinno się umieszczać w hermetycznej skrzyni pozbawionej wentylacji.

Recykling akumulatorów kwasowo-ołowiowych

Jedną z istotnych zalet technologii kwasowo-ołowiowej jest dobrze rozwinięty system odzysku materiałów. Ołów, tworzywa sztuczne i część pozostałych składników mogą zostać ponownie wykorzystane.

Zużyty akumulator nie jest zwykłym odpadem komunalnym. Powinien zostać przekazany sprzedawcy, punktowi zbiórki lub uprawnionemu podmiotowi zajmującemu się recyklingiem.

Nie wolno samodzielnie rozcinać obudowy, wyjmować płyt ani wylewać elektrolitu. Takie działania stwarzają zagrożenie dla zdrowia, gleby, wód i otoczenia.

Rozwinięty recykling nie oznacza, że technologia jest obojętna środowiskowo. Produkcja i przetwarzanie ołowiu wymagają ścisłej kontroli. Prawidłowy system zbiórki ogranicza jednak ryzyko przedostawania się niebezpiecznych substancji do środowiska.

Kiedy warto wybrać akumulatory kwasowo ołowiowe?

Technologia może być uzasadniona w systemie, który nie pracuje codziennie z dużą głębokością rozładowania. Dobrym przykładem jest zasilanie awaryjne urządzeń o niewielkiej mocy, prosty system UPS albo instalacja sezonowa.

Akumulatory ołowiowe mogą mieć sens również wtedy, gdy inwestor dysponuje odpowiednim pomieszczeniem technicznym, masa nie stanowi ograniczenia, a najważniejszy jest możliwie niski koszt początkowy.

Rozwiązanie warto rozważyć w:

• systemach alarmowych i telekomunikacyjnych,

• zasilaniu awaryjnym sterowników,

• niewielkich instalacjach wyspowych,

• domkach letniskowych użytkowanych sezonowo,

• obiektach gospodarczych,

• systemach wymagających łatwej dostępności części zamiennych,

• instalacjach przemysłowych opartych na akumulatorach trakcyjnych lub stacjonarnych.

Kiedy lepiej zastosować inną technologię?

Ogniwa LFP są zwykle korzystniejszym wyborem, jeżeli magazyn ma codziennie współpracować z instalacją fotowoltaiczną, wykonywać głębokie cykle i zajmować niewiele miejsca.

Technologia litowa będzie również praktyczniejsza w kamperze, pojeździe, małym pomieszczeniu technicznym albo budynku, w którym obciążenie stropu i masa urządzenia mają znaczenie.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe mogą okazać się nieopłacalne, gdy:

• magazyn ma codziennie oddawać większość zgromadzonej energii,

• użytkownik oczekuje bardzo dużej liczby cykli,

• instalacja musi szybko przyjmować nadwyżki mocy,

• dostępna przestrzeń jest ograniczona,

• wymagana jest wysoka sprawność,

• urządzenie ma pracować bez regularnej kontroli,

• koszt przyszłej wymiany jest wysoki ze względu na utrudniony dostęp.

Czy używane akumulatory mogą stworzyć tani magazyn?

Wykorzystanie używanych akumulatorów samochodowych lub trakcyjnych bywa przedstawiane jako sposób na bardzo tani magazyn energii. W praktyce jest to rozwiązanie obarczone dużą niepewnością.

Dwa akumulatory o takim samym napięciu i podobnym wyglądzie mogą mieć zupełnie inną rzeczywistą pojemność. Różnią się historią pracy, stopniem zasiarczenia, rezystancją wewnętrzną i kondycją poszczególnych ogniw.

Połączenie przypadkowych egzemplarzy prowadzi do nierównomiernego ładowania i rozładowania. Najsłabszy element może powodować wyłączanie całego systemu albo zostać przeładowany przez ładowarkę, która kontroluje wyłącznie napięcie całego szeregu.

Używane akumulatory mogą znaleźć zastosowanie w eksperymentalnym systemie o niewielkiej mocy, ale nie powinny zasilać urządzeń odpowiedzialnych za bezpieczeństwo, ogrzewanie, automatykę przemysłową ani ciągłość pracy firmy bez wcześniejszych dokładnych testów.

Czy technologia kwasowo-ołowiowa ma przyszłość?

Akumulatory kwasowo ołowiowe nie znikną w najbliższym czasie. Ich produkcja jest dobrze rozwinięta, są łatwo dostępne, a system recyklingu skuteczniejszy niż w przypadku wielu młodszych technologii. Nadal będą wykorzystywane w motoryzacji, telekomunikacji, systemach UPS i przemyśle.

Ich znaczenie w codziennie cyklowanych domowych magazynach energii prawdopodobnie będzie jednak maleć. Ogniwa LFP oferują większą pojemność użyteczną, wyższą sprawność i dłuższą żywotność. Rozwijają się również baterie sodowo-jonowe, które w przyszłości mogą stać się alternatywą tam, gdzie najważniejszy jest koszt i dostępność surowców, a nie maksymalna gęstość energii.

Technologia kwasowo-ołowiowa pozostanie rozwiązaniem wyspecjalizowanym. Nie będzie najlepsza w każdym zastosowaniu, ale w określonych warunkach nadal może być racjonalnym wyborem technicznym i ekonomicznym.

Czy akumulatory kwasowo ołowiowe nadal opłacają się jako magazyny energii?

Akumulatory kwasowo ołowiowe mogą pełnić funkcję magazynu energii, ale ich przydatność zależy przede wszystkim od sposobu eksploatacji. Dobrze sprawdzają się w zasilaniu awaryjnym, instalacjach sezonowych, systemach wyspowych o niewielkim zapotrzebowaniu oraz tam, gdzie dostępna jest odpowiednia przestrzeń techniczna.

Największymi zaletami są niski koszt początkowy, szeroka dostępność, znana technologia oraz rozwinięty recykling. Ograniczenia obejmują dużą masę, niewielką gęstość energii, niższą sprawność, wrażliwość na głębokie rozładowanie i konieczność utrzymywania pełnego naładowania.

W intensywnie wykorzystywanym magazynie współpracującym z fotowoltaiką wyższy koszt zakupu ogniw LFP może zostać zrekompensowany przez większą pojemność użyteczną, mniejsze straty i dłuższą trwałość. W prostym systemie podtrzymania akumulatory kwasowo-ołowiowe nadal mogą być rozwiązaniem wystarczającym i ekonomicznie uzasadnionym.

O wyborze nie powinna więc decydować wyłącznie cena pojedynczego akumulatora. Trzeba porównać ilość energii możliwą do wykorzystania, przewidywaną liczbę cykli, warunki pracy, koszty obsługi oraz prawdopodobną częstotliwość wymiany. Dopiero taka analiza pozwala stwierdzić, czy technologia kwasowo-ołowiowa rzeczywiście będzie tańszym magazynem energii.