Producerea de energie electrică din surse regenerabile

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Producerea de energie electrică din surse regenerabile

În numărul trecut am deschis o pagină nouă despre un domeniu de mare actualitate și anume producerea de energie electrică din surse regenerabile. Am început cu sursele fotovoltaice, evidențiind principiul de funcționare a celulelor fotovoltaice, structura centralelor fotovoltaice și elementele componente; în acest număr ocupându-ne de convertoarele de cc/cc în regimurile de funcționare cu și fară bateriile de acumulatori.

1. Introducere

Așa cum am prezentat în numărul precedent energia fotovoltaică este o energie care se produce în anumite condiții și anumite perioade de timp, motiv pentru care ea trebuie consumată în general când este produsă, altfel trebuie stocată pentru a nu o pierde prin neutilizare. Acest lucru este valabil pentru situația centralelor autonome și a sistemelor distribuite de energie. Stocarea este importantă și în cazul centralelor conectate la rețeaua publică pentru situațiile complexe de dispecerizare dictate de condițiile locale de producere și consum, motiv pentru care în acest număr, discutând despre un nou element component al centralelor fotovoltaice - bateria de acumulatori, voi prezenta și elemente specifice privind stocarea energetică, tot mai des folosită în mobilitatea electrică și în sursele distribuite de energie.

2. Stocarea energiei în aplicaţiile cu centrale fotovoltaice

În principal stocarea energiei este un domeniu nou, de mare importanță pentru viitorul energiei și al aplicațiilor cu aceasta și va face obiectul unei abordări ulterioare. În cazul de față, sistemul de stocare al energiei este strâns legat de aplicațiile în care este utilizată energia fotovoltaică care ar trebui consumată în același timp cu momentul producerii, dar care din diverse motive și în anumite situații nu poate răspunde cerințelor de consum și atunci ea trebuie înmagazinată și refolosită când va fi nevoie de ea.

În aplicațiile amintite, unitățile de stocare energetică se bazează pe acumulatori electrochimici în diverse construcții și tehnologii, funcție de o multitudine de cerințe care sunt legate numai de managementul transferului de energie de la sursă către sarcină și de tipul sarcinii.

Principalele motive conexe motivului principal, amintit mai sus, pentru stocarea energiei se referă și la:

• Creșterea consumului de energie electrică în cazul unui exces de energie

• Acoperirea și generarea de energie în perioade de cerere de vârf

• Optimizarea folosirii surselor de energie regenerabilă primare

• Asigurarea rolului de compensare energetică la nivel de consumatori individuali (domestici) sau de unități publice locale

Stocarea energiei este impusă de cele două direcții importante pentru managementul energiei, momentul și locul producerii și al consumului. Fluctuațiile pot fi zilnice dar și în perioade mai lungi de timp, anotimp, sezon, etc.

Tehnologiile și echipamentele de stocare folosind procesele electrochimice pot fi:

• Pentru stocare de scurtă durată, în general capacități mici sub 1kWh;

• Pentru stocare medie, câteva zeci de ore și capacități până la sute de MWh;

• Pentru stocare de lungă durată, sute de zile și capacități de mii de MWh.

3. Baterii electrochimice

Cunoscute comun sub numele de baterii, bateriile electrochimice sunt produse care convertesc energia electrică în energie chimică la faza de încărcare și invers la faza de descărcare. Constructiv, elementele care concură în procesul de conversie sunt prezentate în Figura 1.

  • Figura 1. Schema electrică de principiu a unei baterii electrochimice

Cei doi electrozi, pozitiv și negativ și electrolitul în care sunt cufundați reprezintă structuri care caracterizează tipul bateriei din punct de vedere constructiv.

Unul din parametrii importanți ai unei baterii îl reprezintă capacitatea coulometrică (Ah) care se traduce în numărul de Amperi-oră la descărcarea bateriei de la starea de încărcare 100% la o tensiune minimă acceptată, numită și tensiune de prag sub care procesele electrochimice fac funcționarea ireversibilă a unei baterii. Pentru o anumită valoare a curentului de descărcare, caracteristica ce evidențiază procesul de descărcare evidențiind tensiunea minimă de prag, este prezentată în Figura 2.

  • Figura 2. Tensiunea de prag minimă a unei baterii

Unde:

• Ubat - tensiunea bateriei

• Up - tensiunea de prag minimă

• t - timpul de descărcare al bateriei

• Uî 100% - tensiunea baterie în starea de încărcare 100%

Un alt parametru caracteristic unei baterii este stadiul încărcării S, ce definește capacitatea bateriei la un moment dat față de valoarea maximă, valoare ce depinde de curentul de descărcare absorbit de baterie.

Pentru un interval de timp dt, în regim de încărcare sau descărcare la un curent i, variația S poate fi exprimată cu relația:

 (1)

Unde: c(i) este capacitatea A-h a unei baterii la curentul i

(2)

unde:

• So este stadiul inițial de încărcare

Energia livrată de o baterie se poate exprima astfel:

(3)

Unde:

• U(i,s) – este tensiunea la bornele bateriei, funcție de curentul de descărcare și de starea de încărcare

Puterea maximă pe care o baterie o poate livra este dată de relația:

 (4)

unde:

•Uo – tensiunea bateriei la starea de încărcare 100%

•Ri – rezistența internă a bateriei

•Re – suma rezistențelor externe a elementelor de integrare a bateriei

Randamentul bateriei este:

(5)

(6)

U – tensiunea curentă a bateriei

î – încărcare

d - descărcare

3.1 Tehnologii în domeniul bateriilor folosite în stocare energetică

În prezent există o pleiadă de baterii utilizate în stocarea energetică, diferențele sunt strâns legate de autonomii, durata de viață, volume și mase, dar și de costuri.

Cele mai utilizate azi, sunt cele bazate pe Pb–Acid care vor rămâne în prim plan o lungă perioadă de timp, iar în locul lor vor prelua acest segment de piață foarte profitabil, cele bazate pe cadmiu și litiu, dar cercetările din ultimul timp sunt imprevizibile.

3.2 Baterii acid - plumb

Dintre baterii, acestea au cea mai mare vechime și sunt încă folosite pe scară largă în foarte multe aplicații.

Avantajele lor constau în:

  • Costul redus;
  • Maturitate tehnologică;
  • Capacitate mare în ceea ce privește numărul mare de cicluri încărcare-descărcare.

Dezavantaje:

•  Densitate de energie relativă redusă;

•  Funcționare precară la temperaturi reduse;

•  Prezența acidului este un impediment pentru mediu;

•  Ermetizarea constructivă are dezavantajul creșterii presiunii interne odată cu creșterea temperaturii;

•  Toxicitatea plumbului în situațiile dezafectării acestor baterii.

 

Viitorul acestor baterii este strâns legat de cercetările ce se fac în domeniul creșterii performanțelor acestora. În acest sens amintesc:

•  Creșterea energiei specifice (Wh/kg) la cifre care să depășească valoarea de 40-45 și să ajungă la nivelul sutelor;

•  Creșterea numărului de cicluri de viață, peste 600;

•  Încărcare rapidă la nivelul zecilor de minute;

•  Costuri reduse pentru mentenantă;

•  Creșterea duratei de viață prin reducerea volumului de material inactiv.

3.1.2 Baterii pe bază de Ni

Nichelul este unul dintre materialele care au intrat puternic în construcția bateriilor în tandem cu alte materiale, dintre cele mai cunoscute sunt: nichel-fier, nichel-zinc, nichel-cadmiu și nichel-metal-hibrid.

Avantajele acestor baterii constau în:

•  funcționarea la temperaturi mai mici decât în tehnologia Pb-acid. Pot funcționa până la -40o C;

•  energii specifice mai mari (peste 65Wh/kg);

•  capacitate de încărcare rapidă (sub 30 min);

•  numărul de cicluri de viață superior (peste 2000).

Dezavantajele sunt legate de:

•  costul ridicat al acestor baterii;

•  tensiunea relativ mică pe celulă;

•  prezența cadmiului reprezintă o problemă importantă pentru mediu.

3.1.3 Baterii pe bază de Li

Litiul, este cel mai nou material folosit în tehnologia de fabricație a bateriilor electrochimice, după anii ‘80 ai secolului trecut, este mai ușor în comparație cu Pb-ul și Nichelul ceea ce-l fac foarte interesant pentru aceste aplicații. El este permisiv vis-a-vis de tensiunile termodinamice mari, ceea ce-l fac să aibă în diverse combinații o energie specifică superioară. Cele mai întâlnite soluții de baterii folosind litiul, sunt cele de tip litiu-ion apărute în 1991 și litiu-polimer.

Avantajele acestor tipuri de baterii sunt:

•  tensiune pe celulă ridicată, aproximativ 3÷4V;

•  energie specifică ridicată: 120-155Wh/kg;

Dezavantajele importante sunt:

•  funcționare precară la temperaturi scăzute;

•  preț ridicat.

Dincolo de cele prezentate mai sus, astăzi progresele în obținerea de noi tehnologii, sunt foarte mari, practic în fiecare an apar soluții noi. Dintre ele amintesc tehnologiile, Sodium-Sulfur (NaS), ZEBRA (NaNiCl), Vanadium Redox-VRB, zinc Bromine (ZnBr), Redox (FeCr), zinc-aer, etc.

În afara caracteristicilor tehnice ale performanțelor, nu pot fi neglijate avantajele legate de:

•  construcția de tip bloc;

•  posibilitatea de modificare a soluțiilor constructive în vederea creșterii capacității de acumulare energetică;

•  producerea în serie a bateriilor de stocare;

•  accesul relativ ușor la aprovizionare.

Se poate spune că azi, puterea instalată a acumulatoarelor electrochimice aflate în exploatare este comparabilă cu suma puterilor centralelor electrice existente, iar viitorul aparține creșterii acestei puteri.

Caracterul dispersat de amplasare al bateriilor este un factor pozitiv în sensul creșterii siguranței în alimentarea oricărui consumator, dar și pentru asigurarea unei funcții de reglare reală a regimului de distribuție a surselor energetice funcție de caracterul aleatoriu al consumului.

4. Concluzii

Energia electrică este un produs vandabil specific. Principala caracteristică a energiei prin prisma relației dintre vânzător și cumpărător o constituie echilibrul dintre producție și consum. Stocarea surplusului de energie este astăzi o preocupare care se concretizează soluții diferite în funcție de foarte mulți factori, dar cei mai importanți azi sunt: implementarea intensă a surselor energetice regenerabile și creșterea consumului atât în regim de durată, dar mai ales în regim dinamic, iar toate aceste lucruri sunt anvelopate de majorarea cerințelor privind calitatea energiei produse și mai ales la consumator.

În preocupările societății ICPE ACTEL aceste probleme, deși sunt foarte complexe, sunt baza soluțiilor atât la produse cât și la sistemele microenergetice eficiente energetic, cu îndeplinirea tuturor restricțiilor ce pot influența calitatea energiei produse și consumate.

 


Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.