Jaką mają sprawność magazyny energii w niskich temperaturach?

Jaką sprawność mają magazyny energii w niskich temperaturach?

Magazyny energii służące do przechowywania energii w instalacjach fotowoltaicznych pozwalają na akumulowanie nadwyżek wyprodukowanego prądu. Następnie mogą one zostać wykorzystane w godzinach zwiększonego zapotrzebowania. Zasada działania przypomina funkcjonowanie klasycznego akumulatora, który oprócz wspierania codziennego zasilania może pełnić funkcję źródła energii w sytuacjach awaryjnych. Stabilność i wydajność działania takiego magazynu zależy od odpowiednich warunków środowiskowych, w szczególności od zakresu temperatury otoczenia, w jakiej urządzenie jest eksploatowane. Jak zachowują się magazyny energii podczas pracy w niskich temperaturach?

Przeczytaj także:

• Jaki kabel do fotowoltaiki? Zasady obliczania przekroju
• Poziom naładowania baterii SOC – co to jest?
• Jak poradzić sobie z przegrzewaniem się magazynów energii?

Magazyn energii elektrycznej – co to jest?

Magazyn energii, stosowany do przechowywania nadwyżek prądu, bazuje na pracy ogniw akumulatorowych. Jego działanie opiera się na procesach elektrochemicznych umożliwiających wielokrotne ładowanie i oddawanie zgromadzonej energii w dowolnym, dogodnym momencie. Dzięki temu możliwe staje się efektywne gospodarowanie energią, niezależnie od czasu jej wytworzenia.

Takie rozwiązanie pozwala zwiększyć autokonsumpcję energii produkowanej w domowej instalacji fotowoltaicznej, obniżyć koszty poprzez zakupy energii w godzinach obowiązywania niższych taryf oraz zapewnia dodatkowe wsparcie dla sieci elektroenergetycznej. W sytuacji zaniku napięcia magazyn energii może także pełnić funkcję awaryjnego źródła zasilania. Technologie przechowywania energii obejmują różne rozwiązania, od akumulatorów litowo-jonowych po systemy mechaniczne, takie jak elektrownie szczytowo-pompowe lub zasobniki oparte na nadprzewodnictwie.

Charakterystyka magazynu energii obejmuje dwa podstawowe parametry: pojemność, określającą ilość zgromadzonej energii, oraz moc, wskazującą prędkość ładowania lub rozładowywania. Współczynnik szybkości wymiany energii, zwany C-rate, określa, jak szybko urządzenie może przejść pełny cykl ładowania lub rozładowania przy danej mocy roboczej.

Obliczenia wykonuje się według wzoru: 

C-rate (h) = pojemność (kWh)/moc (kW)

Na jakiej zasadzie działają magazyny energii do fotowoltaiki?

W instalacjach opartych na ogniwach fotowoltaicznych magazyn energii pełni funkcję przechowywania nadwyżek wyprodukowanego prądu, który może zostać wykorzystany w późniejszym czasie. Energia elektryczna wytwarzana przez moduły PV zasila na bieżąco urządzenia w budynku, a niewykorzystana część trafia do akumulatora. W sytuacji nadprodukcji możliwe jest przekazanie energii do sieci energetycznej z późniejszym uwzględnieniem tego faktu przy rozliczeniach z operatorem.

Zgromadzona energia staje się dostępna po zmroku lub w okresach braku nasłonecznienia, kiedy produkcja paneli spada do zera. Po wyczerpaniu zapasów prąd czerpany jest z sieci, przy czym końcowy koszt uwzględnia wartość wcześniej oddanej energii, co zmniejsza wysokość opłat. Dzięki zastosowaniu akumulatora rośnie udział energii zużywanej bezpośrednio na własne potrzeby. Takie rozwiązanie staje się bardziej opłacalne zwłaszcza w godzinach wieczornych, kiedy zapotrzebowanie na prąd nie pokrywa się już z aktualną produkcją instalacji.

Jaka jest wydajność magazynu energii do instalacji fotowoltaicznych w różnych temperaturach?

Współczesne magazyny energii najczęściej oparte są na technologii litowo-jonowej, w której oprócz litu wykorzystuje się także inne pierwiastki, takie jak żelazo, glin, fosfor czy mangan. Prawidłowe funkcjonowanie tych urządzeń opiera się na przepływie jonów litu podczas ładowania, kiedy to przemieszczają się one z katody do anody wykonanej z grafitu, zdolnej do ich czasowego zatrzymywania.

Efektywność pracy akumulatora zależy w dużej mierze od warunków otoczenia, a w szczególności od temperatury. Zarówno podwyższone, jak i obniżone wartości temperatury wpływają na właściwości materiałów tworzących ogniwa. Badania prowadzone w laboratoriach przy temperaturze 25°C pozwalają na ocenę trwałości urządzeń w optymalnych warunkach, przy których można określić liczbę cykli ładowania i rozładowywania do momentu, gdy akumulator zachowuje około 80% swojej początkowej pojemności.

Wzrost temperatury otoczenia do poziomu 45°C może wpłynąć na zwiększenie pojemności maksymalnej ogniwa nawet o około 20%, jednak towarzyszy temu przyspieszone tempo degradacji. Wyniki badań wskazują, że już po 200 cyklach pracy przy temperaturze 25°C pojemność ogniwa spada średnio o 3,3%, natomiast w warunkach 45°C obniżenie sięga 6,7%. Dane te zostały przedstawione w publikacji zamieszczonej w Scientific Reports.

Magazyny energii w niskich temperaturach

Popularność magazynów energii dynamicznie wzrasta na różnych kontynentach, zarówno w Europie, jak i pozostałych regionach świata. Na efektywność ich działania wpływają warunki środowiskowe panujące w miejscu pracy urządzenia. Skrajne temperatury otoczenia mogą prowadzić do ograniczenia wydajności całego systemu.

W chłodniejszych warunkach występuje zjawisko zmniejszenia objętości ogniw oraz wzrostu oporu wewnętrznego, co powoduje spowolnienie reakcji chemicznych i ograniczenie możliwości gromadzenia energii przez akumulator. Przekłada się to na obniżoną sprawność ładowania oraz zmniejszoną dostępność zgromadzonej energii.

Wybór technologii odgrywa znaczącą rolę w kształtowaniu osiągów magazynów energii. Systemy oparte na ogniwach kwasowo-ołowiowych wykazują odporność na szeroki zakres temperatur, choć ich pojemność ulega istotnemu obniżeniu podczas mrozów. Rozwiązania wykorzystujące technologię litowo-jonową lepiej funkcjonują w temperaturach dodatnich, pozwalając na użytkowanie również w warunkach lekkiego mrozu.

Znaczenie ma również sposób eksploatacji urządzenia. Przyspieszone cykle ładowania lub rozładowywania w niskich temperaturach mogą prowadzić do skrócenia żywotności ogniw. Zachowanie parametrów pracy zgodnych z zaleceniami producenta pozwala chronić urządzenie przed przeciążeniem, minimalizując ryzyko wzrostu ciśnienia wewnętrznego oraz poważnych uszkodzeń, które mogłyby doprowadzić do trwałego wyłączenia systemu z eksploatacji.

W jaki sposób chronić magazyn energii przed bardzo niskimi temperaturami?

Przed przystąpieniem do zakupu magazynu energii należy uwzględnić, który typ urządzenia najlepiej spełni indywidualne potrzeby. Następnym krokiem powinno być przygotowanie projektu instalacji, co warto powierzyć firmie posiadającej doświadczenie w realizacji podobnych systemów. Aby ograniczyć wpływ niskich temperatur na działanie magazynu, można zastosować odpowiednie rozwiązania techniczne. W projekcie wskazane jest uwzględnienie miejsca montażu urządzenia w pomieszczeniu zapewniającym stabilne warunki termiczne, najlepiej w okolicach 25°C. W sytuacji, gdy instalacja wewnątrz budynku nie jest możliwa, konieczne staje się odpowiednie zabezpieczenie magazynu przed spadkami temperatury poniżej wartości granicznych.

Dobrym rozwiązaniem pozostaje zastosowanie systemu zarządzania BMS, który na bieżąco monitoruje parametry pracy urządzenia, w tym poziom temperatury i ostrzega o ewentualnych nieprawidłowościach. W przypadku pracy magazynu w trudniejszych warunkach zaleca się unikanie intensywnych cykli ładowania, aby nie przyspieszać procesu degradacji ogniw.

Podczas doboru odpowiedniego modelu należy uwzględnić zarówno pojemność akumulatora, jak i zapotrzebowanie energetyczne budynku oraz charakterystykę instalacji fotowoltaicznej. Przy planowaniu pracy systemu w okresie zimowym warto wziąć pod uwagę możliwe ograniczenia dostępnej pojemności, tak aby zapewnić ciągłość zasilania niezależnie od zmieniających się warunków atmosferycznych.