Ultrabateria — UltraBattery

UltraBattery to hybrydowe urządzenie magazynujące energię , wynalezione przez australijską Organizację Badań Naukowych i Przemysłowych Wspólnoty Narodów ( CSIRO ). UltraBattery łączy technologię ultrakondensatorów z technologią akumulatorów ołowiowo-kwasowych w jednym ogniwie ze wspólnym elektrolitem .

Wprowadzenie

Badania przeprowadzone przez niezależne laboratoria, takie jak amerykańskie Sandia National Laboratories , Advanced Lead-Acid Battery Consortium (ALABC), Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) oraz testy komercyjne East Penn Manufacturing, Furukawa Battery i Ecoult wskazują, że W porównaniu z konwencjonalnymi akumulatorami kwasowo-ołowiowymi regulowanymi zaworami (VRLA), technologia UltraBattery charakteryzuje się wyższą sprawnością energetyczną, dłuższą żywotnością i lepszą akceptacją ładunku w warunkach częściowego stanu naładowania (SoC).

Połączenie tych dwóch technologii w jednym ogniwie akumulatora oznacza, że ​​UltraBattery działa bardzo wydajnie w porównaniu z konwencjonalnymi technologiami kwasowo-ołowiowymi, głównie dzięki temu, że może pracować przez długi czas w stanie częściowego naładowania (pSoC), podczas gdy konwencjonalne akumulatory kwasowo-ołowiowe są bardziej zazwyczaj przeznaczony do użytku przy wysokim SoC (tj. gdy bateria jest prawie w pełni naładowana). Praca w częściowym zakresie SoC wydłuża żywotność baterii głównie poprzez zmniejszenie zasiarczenia i skrócenie czasu pracy przy bardzo wysokich i bardzo niskich stanach naładowania, gdzie różne reakcje uboczne powodują pogorszenie. Konwencjonalna bateria VRLA ma tendencję do szybkiego pogarszania się podczas pracy w tym częściowym zakresie SoC.

Historia

UltraBattery został wynaleziony w Australii przez CSIRO.

Rozwój UltraBattery został sfinansowany przez rząd australijski. Japońska firma Furukawa Battery Co., Ltd również przyczyniła się do rozwoju technologii UltraBattery, a rząd japoński sfinansował część jej rozwoju za pośrednictwem Organizacji Rozwoju Nowej Energii i Technologii Przemysłowych (NEDO).

W 2007 roku firma East Penn Manufacturing uzyskała globalną licencję na produkcję i komercjalizację technologii UltraBattery do zastosowań w motoryzacji i motoryzacji (na różnych terytoriach) oraz do stacjonarnych zastosowań związanych z magazynowaniem energii (na całym świecie, poza Japonią i Tajlandią, gdzie Furukawa Battery jest posiadaczem licencji na głowicę). .

Departament Energii Stanów Zjednoczonych sfinansował również UltraBattery na badania nad zastosowaniami stacjonarnego magazynowania energii w skali sieciowej. W 2007 roku CSIRO utworzyło spółkę zależną, Ecoult, aby zająć się tym rynkiem. Ecoult otrzymał również wsparcie od rządu australijskiego w celu dalszego rozwoju Ultrabattery. W maju 2010 r. amerykański producent baterii East Penn Manufacturing przejął Ecoult od CSIRO.

W marcu 2013 r. rząd australijski ogłosił dalsze finansowanie w ramach programu Emerging Renewables Program Australijskiej Agencji Energii Odnawialnej w celu dalszego rozwoju technologii UltraBattery jako opłacalnego magazynowania energii dla domowych i komercyjnych systemów energii odnawialnej.

Zasada przechowywania

UltraBattery to urządzenie hybrydowe, które łączy technologię ultrakondensatorów z technologią akumulatorów kwasowo-ołowiowych w jednym ogniwie ze wspólnym elektrolitem.

Fizycznie UltraBattery ma pojedynczą elektrodę dodatnią i podwójną elektrodę ujemną – jedna część węglowa, jedna część ołowiowa we wspólnym elektrolicie. Razem tworzą one elektrodę ujemną jednostki UltraBattery, ale w szczególności węgiel jest elektrodą kondensatora, a ołów jest elektrodą ogniwa kwasowo-ołowiowego. Pojedyncza elektroda dodatnia (tlenek ołowiu) jest typowa dla wszystkich akumulatorów kwasowo-ołowiowych i jest wspólna dla ogniwa kwasowo-ołowiowego i ultrakondensatora.

Ta technologia (w szczególności dodanie elektrody węglowej) zapewnia UltraBattery inną charakterystykę wydajności niż konwencjonalne akumulatory VRLA. W szczególności technologia UltraBattery znacznie mniej cierpi z powodu rozwoju trwałego (lub twardego) zasiarczenia na ujemnej elektrodzie akumulatora – problem często występujący w konwencjonalnych akumulatorach kwasowo-ołowiowych.

Twarde zasiarczenie

Podczas normalnej pracy akumulatora kwasowo-ołowiowego kryształy siarczanu ołowiu rosną na elektrodzie ujemnej podczas rozładowywania i ponownie rozpuszczają się podczas ładowania. Powstawanie tych kryształów nazywa się siarczanowaniem. Z czasem zasiarczenie może stać się trwałe, ponieważ niektóre kryształy rosną i są odporne na rozpuszczanie. Dzieje się tak szczególnie w przypadku, gdy bateria jest zmuszana do pracy przy bardzo wysokich szybkościach rozładowywania, co sprzyja wzrostowi kryształów siarczanu ołowiu na powierzchni elektrody. Przy umiarkowanych szybkościach rozładowania kryształy siarczanu ołowiu rosną w całym przekroju płytki elektrody (która ma konsystencję gąbczastą), ponieważ elektrolit (rozcieńczony kwas siarkowy) jest wciągany w dyfuzję przez korpus elektrody, aby umożliwić reakcję odbywają się na całej płycie.

Jednak przy bardzo dużych szybkościach rozładowania kwas znajdujący się już w korpusie płytki jest szybko zużywany i świeży kwas nie może dyfundować przez elektrodę na czas, aby kontynuować reakcję. Stąd reakcja jest faworyzowana w kierunku zewnętrznej ściany elektrody, gdzie kryształy mogą tworzyć się w gęstej macie, a nie w rozproszonych grudkach na całej płycie. Ta mata kryształów dodatkowo utrudnia przenoszenie elektrolitu. Kryształy stają się wtedy większe, a ponieważ większe kryształy mają dużą objętość w porównaniu z ich powierzchnią, trudno jest je chemicznie usunąć podczas ładowania, zwłaszcza że stężenie kwasu siarkowego w elektrolicie jest prawdopodobnie wysokie (ponieważ tylko ograniczone na powierzchni płyty powstał siarczan ołowiu), a siarczan ołowiu jest słabiej rozpuszczalny w stężonym kwasie siarkowym (powyżej około 10% stężenia masowego) niż w rozcieńczonym kwasie siarkowym.

Ten stan jest czasami określany jako „twarde” zasiarczenie elektrody akumulatora [REF]. Twarde zasiarczenie zwiększa impedancję akumulatora (ponieważ kryształy siarczanu ołowiu mają tendencję do izolowania elektrody od elektrolitu) i zmniejsza jego moc, pojemność i wydajność ze względu na zwiększone niepożądane reakcje uboczne, z których część zachodzi wewnątrz płyty ujemnej z powodu ładowania zachodzącego niska dostępność siarczanu ołowiu (wewnątrz korpusu płyty). Jednym z niepożądanych efektów jest produkcja wodoru wewnątrz płyty, co dodatkowo zmniejsza wydajność reakcji. Zasiarczenie „twarde” jest generalnie nieodwracalne, ponieważ reakcje uboczne mają tendencję do dominacji, ponieważ coraz więcej energii jest wtłaczane do akumulatora.

Aby zmniejszyć prawdopodobieństwo twardego zasiarczenia, konwencjonalne akumulatory VRLA powinny być rozładowywane w określonych szybkościach, określanych przez różne algorytmy ładowania. [REF] Co więcej, muszą być często odświeżane i najlepiej nadają się do działania w górnej części SoC (między 80% a 100% naładowania). [REF] Podczas gdy praca w tym ograniczonym stanie naładowania łagodzi trwałe zasiarczenie na elektrodzie ujemnej, działanie baterii wyłącznie przy pełnym SoC lub w jego pobliżu jest wysoce nieefektywne. [REF] Nieefektywność jest w dużej mierze spowodowana zwiększeniem częstości występowania reakcji ubocznych (na przykład elektrolizy), które rozpraszają energię.

Obecność ultrakondensatora zintegrowanego w UltraBattery ogranicza tworzenie się twardego zasiarczenia wewnątrz ogniwa. [REF] Wspomaga to zdolność baterii do działania przez długi czas w częściowym SoC, gdzie bateria działa bardziej wydajnie. [REF] Konwencjonalne VRLA są nieco ograniczone do działania w nieefektywnym regionie w kierunku szczytu ich pojemności ładowania, aby chronić je przed uszkodzeniem przez zasiarczenie. Trwają badania nad powodami, dla których obecność ultrakondensatora tak skutecznie zmniejsza zasiarczenie. Wyniki eksperymentalne pokazują, że obecność węgla w komórkach VRLA ma pewien efekt łagodzący, ale ochronne działanie połączonego równolegle ultrakondensatora w UltraBattery jest znacznie bardziej znaczące. Na przykład Hund i inni stwierdzili, że typowe tryby awarii baterii VRLA (utrata wody, zasiarczenie płyty ujemnej i korozja siatki) są zminimalizowane w UltraBattery. Wyniki Hunda pokazały również, że UltraBattery, używany w aplikacji z wysokim stopniem naładowania częściowego, wykazuje zmniejszone gazowanie, zminimalizowane twarde zasiarczenie płyty ujemnej, zwiększoną wydajność mocy i zminimalizowaną temperaturę pracy w porównaniu z konwencjonalnymi ogniwami VRLA.

Użyte materiały

Ołów stanowi część ujemnej elektrody akumulatora.

Węgiel stanowi część ujemnej elektrody ultrakondensatora.

Roztwór elektrolitu składa się z kwasu siarkowego i wody.

Siarczan ołowiu to biały kryształ lub proszek. Podczas normalnej pracy akumulatora kwasowo-ołowiowego małe kryształki siarczanu ołowiu rosną na elektrodzie ujemnej podczas rozładowywania i rozpuszczają się z powrotem w elektrolicie podczas ładowania.

Elektrody zbudowane są z siatki ołowiowej, przy czym pozostałą część płyty dodatniej tworzy związek materiału aktywnego na bazie ołowiu – tlenek ołowiu .

Aplikacje

UltraBattery może być używany do szeregu zastosowań związanych z przechowywaniem energii, takich jak:

UltraBattery nadaje się praktycznie w 100% do recyklingu i może być wytwarzana w istniejących zakładach produkcyjnych baterii.

UltraBattery w hybrydowych pojazdach elektrycznych

UltraBattery ma kilka zalet w stosunku do istniejących akumulatorów niklowo-metalowo-wodorkowych (Ni-MH) stosowanych obecnie w hybrydowych pojazdach elektrycznych. Są one o około 70 procent tańsze, posiadają porównywalne osiągi pod względem zużycia paliwa oraz szybsze ładowanie i rozładowywanie niż akumulatory Ni-MH.

W przypadku zastosowania w hybrydowych pojazdach elektrycznych ultrakondensator UltraBattery działa jak bufor podczas szybkiego rozładowywania i ładowania, umożliwiając mu szybkie dostarczanie i pochłanianie ładunku podczas przyspieszania i hamowania pojazdu.

Testowanie wydajności Ultrabattery w hybrydowych pojazdach elektrycznych przez konsorcjum Advanced Lead Acid Battery Consortium osiągnęło ponad 100 000 mil na jednym zestawie akumulatorów bez znaczącej degradacji. Wyniki laboratoryjne prototypów UltraBattery pokazują, że ich pojemność, moc, dostępna energia, zimny rozruch i samorozładowanie spełniają lub przekraczają wszystkie docelowe parametry wydajności ustalone dla hybrydowych pojazdów elektrycznych z minimalnym i maksymalnym wspomaganiem.

UltraBattery w mikrosiatkach

UltraBattery może być używany do płynnego i przesuwania (tj. przechowywania do późniejszego wykorzystania) odnawialnych źródeł energii w mikrosieciach w celu poprawy przewidywalnej dostępności energii. UltraBattery może być również używany w samodzielnych systemach mikrosieciowych, systemach zasilania odnawialnego i hybrydowych mikrosieciach. Samodzielne systemy mikrosieci łączą olej napędowy lub inne paliwa kopalne z magazynowaniem UltraBattery, aby poprawić wydajność wytwarzania energii z paliw kopalnych. Włączenie magazynowania energii do systemu zmniejsza rozmiar zespołu prądotwórczego (tj. tablicy generatorów), ponieważ akumulatory mogą poradzić sobie ze szczytami obciążenia. UltraBattery zmniejsza również zużycie paliwa przez agregat, ponieważ generatory mogą pracować z najwyższą wydajnością, niezależnie od zmian obciążenia systemu.

Systemy zasilania odnawialnego łączą technologię UltraBattery z odnawialnym źródłem wytwarzania, aby dostarczać energię lokalną. Mogą wykorzystywać energię fotowoltaiczną, wiatrową lub słoneczną i zwykle zawierają rezerwowy generator diesla. Hybrydowe mikrosieci integrują odnawialne źródła wytwarzania z magazynowaniem energii UltraBattery i agregatami prądotwórczymi na paliwo kopalne, aby zmaksymalizować wydajność wytwarzania przy obciążeniu podstawowym. Może to znacznie obniżyć koszty energii w porównaniu z mikrosieciami zasilanymi wyłącznie olejem napędowym. Znacznie zmniejszają również emisje gazów cieplarnianych. Przykładem tego typu mikrosieci jest projekt integracji energii odnawialnej King Island (KIREIP), realizowany przez Hydro Tasmania. Ten projekt energii odnawialnej na skalę megawatów ma na celu zmniejszenie zarówno kosztów dostarczania energii na wyspę, jak i zanieczyszczenia dwutlenkiem węgla.

Wielozadaniowe centra danych

UltraBattery może być używany do tworzenia kopii zapasowych zasilacza awaryjnego (UPS). W konwencjonalnych systemach UPS akumulatory pozostają zasadniczo nieużywane, aż do wystąpienia awarii sieci. Ponieważ UltraBattery może zapewniać regulację częstotliwości i powiązane usługi sieciowe, może generować przychody dla właściciela zasobów UPS w tym samym czasie, co zapewnia zasilanie awaryjne.

Społecznościowe, komercyjne i aplikacje

W zastosowaniach społecznościowych UltraBattery może być używany jako zapasowy system na wypadek awarii sieci (patrz rozdział 5.1) oraz do golenia szczytowego. Szczytowe golenie, znane również jako peak lopping, to możliwość ładowania akumulatorów poza godzinami szczytu i wykorzystywania energii z akumulatorów w godzinach szczytu, aby uniknąć wyższych opłat za energię elektryczną. Innym przykładem aplikacji społecznościowej jest system demonstracyjny inteligentnej sieci o mocy 300 kW, stworzony przez firmę Furukawa Battery w rejonie Maeda w Kitakyushu w Japonii. Ta aplikacja wyrównująca obciążenie wykorzystuje 336 ogniw UltraBattery (1000 Ah, 2 V). Firma zainstalowała również dwie demonstracje inteligentnej sieci technologii UltraBattery do przesuwania szczytów w Muzeum Historii Naturalnej i Historii Człowieka Kitakyushu.

W Japonii firma Shimizu Corporation utworzyła mikrosieć (patrz rozdział 5.2) w budynku komercyjnym. System „inteligentnego budynku”, który obejmuje 163 ogniwa UltraBattery (500 Ah, 2 V), monitoruje również napięcie ogniw, impedancję i temperaturę. Drugi system, zainstalowany w fabryce Furukawa Battery w Iwaki, składa się ze 192 ogniw UltraBattery, systemu kondycjonowania mocy o mocy 100 kW oraz systemu zarządzania akumulatorami. Ta aplikacja do poziomowania obciążenia została stworzona w celu kontrolowania zapotrzebowania fabryki na moc.

W przypadku zastosowań mieszkaniowych lokalne wykorzystanie dachowych paneli słonecznych można poprawić, wykorzystując UltraBattery zarówno do przechowywania energii do użytku przez mieszkańca, który jest właścicielem paneli, jak i dostarczania energii lub usług regulacyjnych do sieci podczas szczytów o wysokiej wartości.

Usługi sieciowe

UltraBattery może zarządzać zmiennością w sieciach elektrycznych na pięć głównych sposobów: regulacja częstotliwości, integracja energii odnawialnej (wygładzanie i przesuwanie), rezerwa wirowania, kontrola prędkości narastania oraz jakość energii i wsparcie słabej sieci.

Regulacja częstotliwości

Sieci elektroenergetyczne muszą zarządzać stałymi wahaniami podaży i zapotrzebowania na moc, aby utrzymać stałą częstotliwość w celu utrzymania fizycznej pracy sieci. UltraBattery może pochłaniać i dostarczać energię do sieci, aby pomóc w zarządzaniu równowagą między podażą a popytem oraz w utrzymaniu stałego napięcia. Ecoult wdrożył system magazynowania energii na skalę sieciową, który zapewnia 3 MW usług regulacyjnych w sieci połączeń międzysieciowych Pennsylvania-Jersey-Maryland (PJM) w Stanach Zjednoczonych. Cztery ciągi ogniw UltraBattery są podłączone do sieci w Lyon Station w Pensylwanii. Projekt zapewnia usługi ciągłej regulacji częstotliwości w przetargu na otwarty rynek na PJM.

Wygładzanie i przesuwanie

Technologia UltraBattery może być wykorzystywana do integracji odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa, z siecią elektryczną poprzez zarządzanie fluktuacjami w produkcji energii odnawialnej. Czyni to poprzez „wygładzanie” i „przesuwanie” energii.

Wygładzanie zamienia naturalną zmienność mocy z paneli fotowoltaicznych lub turbin wiatrowych w płynny, przewidywalny sygnał. System monitoruje moc wyjściową przerywanego źródła odnawialnego, a gdy sygnał słoneczny (lub wiatrowy) zmienia się, UltraBattery natychmiast reaguje, uwalniając energię lub pochłaniając nadmiar energii. Zarządzanie zmiennością sygnału odnawialnego w ten sposób sprawia, że ​​energia odnawialna jest bardziej niezawodna.

Przesunięcie energii odnosi się do zdolności UltraBattery do przechowywania nadmiaru energii wytwarzanej przez źródła odnawialne poza godzinami szczytu, a następnie uwalniania jej w razie potrzeby w okresach szczytowego zapotrzebowania. Pozwala to zakładom energetycznym poprawić ogólną wydajność systemu w godzinach szczytu.

PNM, wiodąca firma energetyczna w Nowym Meksyku w Stanach Zjednoczonych, zintegrowała system magazynowania energii UltraBattery z farmą produkującą energię słoneczną, aby zademonstrować wygładzanie i przesuwanie energii słonecznej do wykorzystania jako dyspozycyjny zasób odnawialny. Projekt PNM Prosperity obejmuje jedno z największych w Stanach Zjednoczonych połączeń energii fotowoltaicznej i magazynowania baterii paneli słonecznych.

Kontrola prędkości narastania dla rozproszonej pamięci masowej

Wiele wdrożeń dachowych paneli fotowoltaicznych na małą skalę ma tendencję do zwielokrotniania efektu przerywanego wytwarzania energii słonecznej – stwarzając problem dla operatorów sieci. [REF] Magazynowanie energii UltraBattery zostało wykorzystane do zmniejszenia nieciągłości energii odnawialnej poprzez kontrolowane zwiększanie mocy w sieci elektrycznej, dzięki czemu energia wytwarzana ze źródeł odnawialnych jest bardziej przewidywalna.

Jakość zasilania i wsparcie słabej sieci

UltraBattery może być również używany do zarządzania popytem, ​​który rozwiązuje problemy podaży i popytu na sieć, ale niekoniecznie tych związanych z przerywaniem energii odnawialnej. Na peryferiach dużych sieci lub w starej infrastrukturze sieciowej – takiej jak jednożyłowe sieci z uziemieniem – efekt skoku popytu lub wahań w podaży może zostać wzmocniony ze względu na jego skalę w stosunku do innej lokalnej działalności. UltraBattery może zmniejszyć te efekty i zapewnić jakość zasilania z sieci dla lokalnych użytkowników.

Nieruchomości

UltraBattery ma pięć głównych cech, które odróżniają tę technologię od konwencjonalnej technologii akumulatorów VRLA: wyższa zmiana pojemności, niższy koszt eksploatacji w przeliczeniu na kilowatogodzinę, wyższa wydajność DC-DC, mniej wymaganych doładowań odświeżających i wyższy wskaźnik akceptacji ładowania.

Technologia UltraBattery

Obrót pojemnościowy

Obrót pojemności baterii to ilość możliwej energii w stosunku do pojemności baterii. Jest to znormalizowana miara określająca, ile razy teoretyczna pojemność akumulatora może zostać wykorzystana w ciągu jego życia. Większy obrót pojemności wskazuje, że bateria dostarcza więcej energii przez cały okres użytkowania

Kiedy UltraBattery i standardowa bateria VRLA (używana w reżimie częściowego SoC) są porównywane w warunkach eksperymentalnych, wykazano, że UltraBattery osiąga około 13 razy większą pojemność niż standardowa bateria VRLA z matowego szkła absorbowanego.

Koszt życia na kilowatogodzinę

Żywotność akumulatora zależy od sposobu jego użytkowania oraz liczby cykli ładowania i rozładowania. W sytuacji, gdy baterie przechodzą cztery 40% cykli dziennie, a przepustowość jest czynnikiem ograniczającym żywotność, UltraBattery będzie działać około trzy do czterech razy dłużej niż konwencjonalna bateria VRLA.

CSIRO twierdzi, że „UltraBattery jest o około 70 procent tańszy w produkcji niż akumulatory o porównywalnej wydajności i może być wytwarzany w istniejących zakładach produkcyjnych”.

Sprawność DC-DC

Wydajność akumulatora DC-DC opisuje ilość energii dostępnej do rozładowania do obciążenia podłączonego do akumulatora jako proporcję ilości energii wprowadzonej do akumulatora podczas ładowania. Podczas ładowania i rozładowywania część zmagazynowanej energii jest tracona w postaci ciepła, a część w reakcjach ubocznych. Im mniejsze straty energii w akumulatorze, tym akumulator jest bardziej wydajny.

Twórcy UltraBattery twierdzą, że może osiągnąć wydajność DC-DC na poziomie 93-95% (w zależności od szybkości) wykonując aplikacje zarządzania zmiennością w częściowym reżimie SoC, w zależności od szybkości rozładowania i 86-95% (w zależności od szybkości), podczas wykonywania aplikacji z przesunięciem energii . Dla porównania, standardowe akumulatory VRLA stosowane do przesunięcia energii (przy zastosowaniu typowego reżimu ładowania szczytowego) osiągają znacznie niższe sprawności – np. w stanach naładowania od 79% do 84% naładowane testy wykazują sprawność około 55%.

Wysoka wydajność DC-DC UltraBattery jest możliwa do osiągnięcia, ponieważ (podobnie jak konwencjonalne baterie VRLA) działa bardzo wydajnie poniżej 80% SoC. Eksperymenty wskazują, że dla akumulatorów VRLA „od zera SOC do 84% SOC średnia ogólna wydajność ładowania akumulatorów wynosi 91%”. Podczas gdy konwencjonalne akumulatory VRLA nie tolerują pracy w tym zakresie przez dłuższy czas bez częstego odświeżania, UltraBattery może tolerować pracę przy znacznie niższych stanach naładowania bez znaczącej degradacji. Dzięki temu może osiągnąć znacznie większą wydajność, ponieważ może działać przez długi czas w najbardziej wydajnej strefie akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

Cykle odświeżania

Podczas pracy konwencjonalne akumulatory VRLA muszą być odświeżone (przeładowane), aby rozpuścić kryształki siarczanu, które nagromadziły się na elektrodzie ujemnej i uzupełnić pojemność akumulatora. Odświeżanie baterii pomaga również przywrócić ogniwa baterii w łańcuchu (w którym używa się wielu baterii razem) do stałego napięcia roboczego. Jednak proces przeładowania komplikuje fakt, że nie tylko akumulator jest wyłączony z eksploatacji podczas cykli odświeżania, ale wysokie prądy wymagane do zakończenia procesu przeładowania (w rozsądnym czasie) są również przyczyną różnych strat pasożytniczych. Obejmują one straty cieplne i straty spowodowane różnymi reakcjami ubocznymi (głównie wydzielaniem wodoru, wydzielaniem tlenu i korozją siatki).

UltraBattery może działać bez ładowania odświeżającego przez dłuższy czas. W przypadku stacjonarnych zastosowań rowerowych, takich jak energia odnawialna lub wsparcie sieci, może to trwać od jednego do czterech miesięcy, w zależności od obciążenia pracą; standardowe akumulatory VRLA w tych samych zastosowaniach wymagają odświeżania co jeden do dwóch tygodni w przypadku wykonywania codziennych cykli – a wydajność gwałtownie spada nawet w przypadku cotygodniowych cykli odświeżania.

W zastosowaniach motoryzacyjnych w hybrydowym pojeździe elektrycznym akumulatory UltraBatteries mogą pracować mniej więcej w sposób ciągły w częściowym reżimie SoC bez konieczności ich odświeżania. Furukawa informuje: „W testach terenowych hybrydowego pojazdu elektrycznego Honda Insight z zainstalowanym pakietem UltraBattery osiągnięto docelową jazdę 100 000 mil (ok. 160 000 km) bez ładowania regeneracyjnego.

Akceptacja opłat

Ponieważ UltraBattery działa skutecznie w częściowym zakresie SoC, może przyjmować ładowanie wydajniej niż konwencjonalne akumulatory VRLA, które zwykle działają przy wysokich stanach naładowania. Testy Sandia National Laboratory wykazały, że akumulatory VRLA zazwyczaj osiągają mniej niż 50% wydajności przy naładowaniu powyżej 90%, około 55% wydajności między 79% a 84% i ponad 90% wydajności przy naładowaniu od zera do 84% pełnej pojemności . W porównaniu z konwencjonalnymi akumulatorami VRLA, UltraBattery może być ładowany wydajnie i przy wysokich szybkościach ładowania/rozładowania. Wyniki testów Hunda i innych wykazały, że Ultrabattery był w stanie pracować z szybkością 4C1 przez około 15 000 cykli. Akumulator VRLA korzystający z tej procedury testowej może pracować tylko z szybkością 1C1. Tempo 1C oznacza, że ​​cała pojemność akumulatora zostanie zużyta (lub wymieniona, jeśli jest ładowana) w ciągu jednej godziny przy tym tempie. Szybkość 4C jest czterokrotnie szybsza – tzn. bateria byłaby całkowicie rozładowana (lub naładowana) w ciągu 15 minut przy szybkości 4C.

Dokładny proces chemiczny, w którym węgiel tak znacząco opóźnia zasiarczenie, nie jest w pełni poznany. Jednak obecność równoległego ultrakondensatora UltraBattery najwyraźniej chroni ujemny zacisk przed dużą powierzchnią przewagi kryształów siarczanu ołowiu, która wpływa na akumulatory VRLA pracujące z wysokimi szybkościami rozładowania lub przez długi czas w trybie pSoC, zwiększając ładowalność ogniwa (patrz również Twarde zasiarczenie ). Zmniejszone zasiarczenie znacznie poprawia również akceptację ładunku poprzez zmniejszenie wytwarzania gazowego wodoru na elektrodzie. Nie jest to nieoczekiwane, ponieważ nadmierna produkcja wodoru (który pozbawia znaczną część energii z procesu ładowania) jest powodowana, gdy elektrony wpychane do płyty ujemnej podczas ładowania (które zwykle reagowałyby z kryształami siarczanu ołowiu wewnątrz płyty) nie są w stanie łatwo reagować z duże kryształy siarczanu ołowiu na powierzchni płyty, więc zamiast tego mają tendencję do redukcji obfitych jonów wodorowych w elektrolicie do gazowego wodoru.

Normy i bezpieczeństwo

UltraBattery jest produkowany przez East Penn Manufacturing w Stanach Zjednoczonych zgodnie z globalnymi wymaganiami norm certyfikacyjnych ISO 9001:2008, ISO/TS 16949:2009 i ISO 14001:2004.

Roztwór elektrolitu UltraBattery zawiera H2SO4 w wodzie, a jego elektrody ołowiowe są obojętne. Ponieważ elektrolit składa się głównie z wody, UltraBattery jest ognioodporny. UltraBatteries mają te same ograniczenia dotyczące transportu i zagrożeń, co konwencjonalne akumulatory VRLA

Recykling

Każda część każdej baterii UltraBattery — ołów, plastik, stal i kwas — nadaje się praktycznie w 100% do recyklingu do późniejszego ponownego wykorzystania. Zakłady recyklingu na dużą skalę dla tych akumulatorów są już dostępne, a 96% akumulatorów kwasowo-ołowiowych używanych w USA jest poddawanych recyklingowi. Producenci akumulatorów odzyskują i oddzielają ołów, tworzywa sztuczne i kwas od akumulatorów VRLA. Ołów jest wytapiany i rafinowany do ponownego wykorzystania. Części plastikowe są czyszczone, szlifowane, wytłaczane i formowane w nowe części plastikowe. Kwas jest odzyskiwany, czyszczony i stosowany w nowych akumulatorach.

Badania

Testy zostały przeprowadzone przez niezależne laboratoria, a także przez East Penn Manufacturing, Furukawa i Ecoult, aby porównać wydajność UltraBattery z konwencjonalnymi akumulatorami VRLA.

Testy hybrydowych pojazdów elektrycznych

Akumulatory mikrohybrydowych pojazdów elektrycznych przetestowano przy 70% SoC w układzie impulsowego ładowania-rozładowania. UltraBattery miał około 1,8 razy większą rotację pojemności, a tym samym żywotność cyklu, niż konwencjonalna bateria VRLA.

Konsorcjum Advanced Lead Acid Battery Consortium (ALABC) przetestowało trwałość UltraBattery w szybkim, częściowo naładowanym hybrydowym pojeździe elektrycznym Honda Civic. Samochód testowy miał porównywalne osiągi w milach na galon, jak ten sam model zasilany akumulatorami Ni-MH.

W warunkach mikro, łagodnych i w pełni hybrydowych pojazdów elektrycznych wydajność cyklu UltraBattery była co najmniej cztery razy dłuższa niż w przypadku konwencjonalnych, najnowocześniejszych akumulatorów VRLA i była porównywalna lub nawet lepsza niż w przypadku ogniw Ni-MH. UltraBattery wykazał również dobrą akceptację ładunku z hamowania regeneracyjnego, a więc nie wymagał ładowania wyrównawczego podczas próby terenowej.

Stacjonarne aplikacje energetyczne

Test wydajności

Testy wydajności Wh (watogodzin) UltraBattery w stacjonarnej aplikacji dla inteligentnej sieci elektrycznej wykazały, że ponad 30 cykli ładowania-rozładowania z szybkością 0,1 C10A, wydajność Wh wahała się od 91% do 94,5%, w zależności od stanu akumulatora opłata. [REF] Jest to porównywane z badaniem Sandia National Laboratories dotyczącym wydajności akumulatorów kwasowo-ołowiowych, które wykazało, że tradycyjne akumulatory kwasowo-ołowiowe działają od 79% do 84% stanu naładowania (tryb „górnego” ładowania, do którego tradycyjne akumulatory ołowiowe akumulatory kwasowe są generalnie ograniczone w celu przedłużenia ich żywotności) osiągają tylko 55% przyrostowej wydajności ładowania.

Cykl życia i test regeneracji

Akumulatory poddano 3-godzinnym testom ładowania i rozładowania przy 60% naładowaniu, z 20-godzinnym ładowaniem regeneracyjnym przeprowadzanym co 90 cykli. Testy pojemności wykazały, że po 270 cyklach współczynnik pojemności UltraBattery był równy lub większy niż 103% w porównaniu do 93% w przypadku konwencjonalnego akumulatora ołowiowego. Testy wykazały, że UltraBattery ma dłuższą żywotność i lepszą charakterystykę ładowania regeneracyjnego niż konwencjonalny akumulator podczas pracy w stanie częściowego naładowania.

Usługi komunalne i wygładzanie energii farm wiatrowych

Przeprowadzono szybkie testy cyklu częściowego stanu naładowania, aby zmierzyć zdolność UltraBattery do wykorzystania w aplikacjach usług pomocniczych do magazynowania energii i wygładzania energii farm wiatrowych. Używając szybkiego, częściowego profilu cyklicznego stanu naładowania w tempie od 1C1 do 4C1, UltraBattery był w stanie wykonać ponad 15 000 cykli przy mniejszej niż 20% utracie pojemności i mógł pracować z szybkością 4C1. Akumulator VRLA z absorbowanym matowym szkłem (AGM) testowany w tych samych warunkach mógł pracować tylko z szybkością 1C1, wymagał ładowania regeneracyjnego po około 100 cyklach, a po 1100 cyklach stracił ponad 20% swojej pojemności. UltraBattery był również w stanie wykonać ponad dziesięciokrotnie większą liczbę cykli między ładowaniami regeneracyjnymi niż akumulator AGM VRLA (1000 vs. 100).

Próba terenowa farmy wiatrowej w Hampton w Nowej Południowej Walii (Australia) testuje system zaprojektowany w celu zademonstrowania wykorzystania magazynowania energii w celu rozwiązania problemu krótkoterminowej przerwy w wytwarzaniu wiatru. W badaniu porównano wydajność UltraBattery i trzech innych typów akumulatorów kwasowo-ołowiowych do zastosowań związanych z wygładzaniem energii odnawialnej. Pomiary zmienności napięcia ogniw w każdym ciągu 60 ogniw połączonych szeregowo wykazały, że UltraBattery miał znacznie mniejszą zmienność w okresie 10 miesięcy (32% wzrost odchylenia standardowego zmienności zakresu napięcia w porównaniu do 140–251% dla pozostałych trzech typów baterii).

Obieg mediów i zastosowania fotowoltaicznej energii hybrydowej

Testy przeprowadzone przez Sandia National Laboratories pokazują, że UltraBattery działa znacznie dłużej niż konwencjonalne akumulatory VRLA w cyklu użytkowym . Profil cykli w tych testach miał naśladować obowiązek regulacji częstotliwości z około 4 cyklami na godzinę z mocą szczytową mającą zapewnić typowy zakres SoC. Wyniki pokazały, że konwencjonalna bateria VRLA (cykl w stanie częściowego naładowania (PSoC) i 10% głębokości rozładowania) spadła do 60% swojej początkowej pojemności po około 3000 cykli. W tym samym teście bateria UltraBattery wyprodukowana przez East Penn pracowała przez ponad 22 000 cykli, zachowując zasadniczo 100% swojej początkowej pojemności bez dostarczenia ładunku regeneracyjnego.

Testy wykazały również, że UltraBattery działa znacznie dłużej niż konwencjonalne akumulatory VRLA w zastosowaniach energetycznych, jak pokazano w symulowanym teście cyklu życia hybryd fotowoltaicznych przeprowadzonym przez Sandia National Laboratories. Testy wykazały, że nawet przy 40-dniowym deficycie ładowania (cykle, w których każdego dnia pobiera się z akumulatora więcej niż wkłada z powrotem). UltraBatteries mają wydajność znacznie przewyższającą tradycyjne akumulatory VRLA, nawet gdy tradycyjne akumulatory VRLA działają tylko w 7-dniowych reżimach deficytu ładowania. W reżimie ładowania deficytowego nie ma odzysku przez ładowanie stożkowe, znane również jako odświeżanie/wyrównywanie baterii, więc zasiarczenie jest typowym trybem awarii dla konwencjonalnych VRLA w tym reżimie pracy.

Po 100 dniach jazdy na rowerze z 60% głębokością rozładowania, konwencjonalna bateria VRLA otrzymująca cykl odświeżania co 30 dni spadła do 70% swojej początkowej pojemności. Dwie jednostki UltraBattery (jedna wyprodukowana przez Furukawa, jedna przez East Penn), z których każda doświadczała 40-dniowego deficytu ładowania, nadal działała znacznie lepiej niż tradycyjna bateria VRLA, która otrzymywała częstsze odświeżanie (doświadczała tylko maksymalnego deficytu ładowania 7-dniowego). Po 430 dniach jazdy na rowerze East Penn UltraBattery i Furukawa UltraBattery nadal nie zawiodły. Bateria East Penn utrzymywała 85% swojej początkowej pojemności, a bateria Furukawa zbliżała się do 100% swojej początkowej pojemności.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne