Strona główna » energia elektryczna » Przechowywanie energii, czyli ołów nie jest zdrowy

Przechowywanie energii, czyli ołów nie jest zdrowy

Archiwum

Znów temat do dyskusji z trollami wielkich koncernów i mnóstwem ludzi ogłupionych pseudonaukowym bełkotem. Powszechne przekonanie jest takie, że na skalę sieci energetycznej w rozsądny i tani sposób energii przechowywać się nie da. Prawda jest taka, że rozsądnie zarządzając energią przechowywanie na skalę sieci może być tańsze niż energia pozyskiwana z paliw kopalnych, lub szerzej patrząc, ze spalania w klasycznych elektrowniach. Oczywiście zastrzeżenie – może, nie oznacza, że w każdym wypadku jest.  W szczególnie tanim prądzie sieciowym, dostępnym we w miarę elastyczny sposób (faktycznie mówimy o dużym udziale energetyki wodnej) żadne przechowywanie na skalę sieci nie ma sensu. Dla odmiany, są sytuacje, wcale nie takie egzotyczne, gdzie przestawienie energetyki w 100% na prąd ze źródeł odnawialnych (w wąskim sensie – wyłącznie energii wiatru i słońca) i przechowywanie nadwyżek w celu równoważenia podaży z popytem ma olbrzymi sens, znacznie większy niż energetyka cieplna, czy to oparta na paliwach kopalnych czy odnawialnych.

Takie warunki – przyzwoitej opłacalności przechowywania energii można dość łatwo znaleźć: występują wszędzie tam, gdzie tradycyjna energetyka produkuje prąd nie tylko droższy od energii odnawialnej, ale na tyle dużo droższy, że po utracie części prądu wskutek nieefektywności składowania i zamrożeniu kapitału na instalację do przechowywania, prąd pobrany z akumulatora nadal jest tańszy.

Jaka to cena?

Diesel nr 6, po polsku to jest mniej – więcej mazut, kosztuje powyżej 600 dolarów za tonę. Paliwo to się nie nadaje do napędu silników samochodów ani nawet lokomotyw. Za to zupełnie dobrze się sprawdza na statkach oceanicznych i w elektrowniach. Oczywiście, jeśli te elektrownie nie mają dostępu do tańszego paliwa jak węgiel czy nawet gaz. Ale na wyspach, czy to fizycznych, na oceanie, czy to wirtualnych osadach oddalonych od sieci energetycznej, paliwa płynne są podstawą energetyki.

Dlatego można poczynić pewne szacunki. Diesel nr 6, jak wspomniałem, może służyć jako paliwo do relatywnie dużych silników diesla lub turbin gazowych. Zatrzymajmy się przy tym pierwszym. Przyzwoitej sprawności diesel w układzie z generatorem synchronizowany z siecią może osiągnąć sprawność rzędu 1/3 od paliwa do prądu.  W cyklu kombinowanym (lub hybrydowym – turbina gazowa i turbina parowa, gdzie para jest wytwarzana ciepłem spalin turbiny gazowej) sprawność cieplna  może sięgać 60%.

Elektrownię cyklu kombinowanego w oczywisty sposób opłaca się budować powyżej pewnej wielkości. Takim szacunkiem się nigdy nie zajmowałem i patrząc na gwałtowne kurczenie się rynku energetyki cieplnej- prawdopodobnie nigdy nie będę. Pewnikiem jest to, że istnieje granica poniżej której opłaca się budować tylko generatory diesla. Możemy założyć sprawność tychże generatorów na 1/3, co przy wartości opałowej paliwa równej 10 kwh/kg daje 2000 kwh z tony diesla nr 6. Wyliczenie nie jest do końca precyzyjne, bo raczej zawyżyłem sprawność układu, zaniżyłem wartość kaloryczną paliwa i nieco zaniżyłem jego cenę. W sumie można uznać to za bardzo asekuracyjny szacunek. Także, cenę przyjmujemy na 600 dol za tonę, czyli 0,3 dolara za kWh. To są koszty samego paliwa w elektrowni.  Obłędnie drogo. Do tego należy doliczyć powiedzmy 50% jako koszta obsługi i amortyzacji (zakładamy, że jest to raczej mała elektrownia, więc proporcjonalnie do mocy pracowników potrzeba więcej). Daje to koszt wytworzenia prądu na wyjściu z elektrowni w wysokości 0,45 dolara, czyli 1,37 zł.  Ta cena nie uwzględnia kosztów transportu paliwa, które do małych portów, wymagających wcześniej przeładunków na małe statki potrafią być zabójcze.  Nie chcę tego dodawać, ponieważ to oczywiście podwyższa także koszty sprowadzenia elementów instalacji opartej na energii odnawialnej. Zbyt wiele zmiennych.  Zostaniemy przy tym co jest.

Dla porównania: koszty energii słonecznej zależą zasadniczo od oprocentowania kredytu, znaczy kosztu kapitału. Zakładając (zaniżoną) trwałość paneli fotowoltaicznych na 25 lat i 0% kosztów kapitału, przy 2 $ za wat instalacji mamy koszt energii w wysokości  0,01 $ przy założeniu pracy przez 100% czasu. To oczywiście jest niemożliwe. Załóżmy więc 25%, czyli średnio 6 godzin pracy pełna mocą paneli PV na dobę.  To jest możliwe tylko w strefie zwrotnikowej, z bardzo małym zachmurzeniem. Ale jest. Gdzie indziej pewną równowagę mogą stworzyć elektrownie wiatrowe, które w warunkach wyspiarskich pracują raczej sprawnie. Daje to racjonalnie 0,04$/kWh. Przy  możliwym, ale mało prawdopodobnym założeniu zerowych kosztów kapitału. Oczywiście komercyjny kredyt zerowego oprocentowania mieć nie może, ale kilka schematów tego typu można sobie wyobrazić.  W najprostszym przykładzie mieszkańcy zwyczajnie składają się na budowę instalacji do wytwarzania prądu, czy to dobrowolnie, czy w formie podatków i powstaje przedsiębiorstwo użyteczności publicznej, nie mające na celu zysku, a jedynie utrzymanie dostarczania usługi publicznej, elektryczności w tym wypadku .

Tak czy inaczej, szacuję, że przy dobrym połączeniu poszczególnych źródeł OZE w produkcji, koszt wytwarzania elektryczności nie powinien przekroczyć podanej wyżej ceny dla znakomitej lokalizacji PV, czyli 0,04 $ / kWh.  Dalej sprawa jest dość prosta: jeśli dysponujemy energią z OZE, używanie diesla do produkcji prądu jest kompletnie bez sensu. Jeśli istnieje popyt, a akurat nie ma produkcji z OZE, opłaca się przechowywać energię, jeśli koszt przechowywania będzie poniżej 0,41 $/kWh  lub poniżej 0,26 kWh, kiedy generatory diesla zostaną całkowicie zdekapitalizowane i dla ich pracy znaczenie będzie mieć tylko koszt paliwa, przy bliskich zeru kosztach obsługi. Odliczając stratę na przechowywaniu energii, faktyczny koszt prądu jest o 30-50% wyższy, wobec czego nasz budżet na przechowywanie zmniejsza się o 0,02 $/kWh. Zostaje w tej najbardziej optymistycznej  z możliwych wersji 0,39 $/kWh.

Co możemy za to kupić?

Do przechowywania prądu na małą skalę podstawową technologią od praktycznie stu lat jest akumulator ołowiowy. Opisywać za bardzo nie trzeba, przypomnę: w roztworze kwasu siarkowego zachodzi odwracalna (co jest istotą każdego akumulatora) reakcja chemiczna pomiędzy ołowiem i tlenkiem ołowiu. Siarka z kwasu siarkowego łączy się z ołowiem tworząc nierozpuszczalny i nie reagujący w warunkach panujących w akumulatorze siarczek ołowiu, tak samo zachodzi stopniowa degradacja elektrod. Sposób eksploatacji przyspiesza lub spowalnia degradację, ale ona zawsze jest. Konstrukcja samego akumulatora też wpływa na jego trwałość. Akumulator rozruchowy (czego najbardziej typowym przykładem jest oczywiście samochodowy) ma w krótkim czasie dostarczyć dość duży prąd, dlatego płyty ołowiowe mają dużą powierzchnię przy małej grubości, stąd zasiarczenie bardzo szybko je niszczy działając od razu na całej powierzchni. Akumulatory głębokiego rozładowania wręcz przeciwnie: dość grube płyty ołowiowe dostarczają długo dość małego prądu, a ich degradacja następuje dość wolno. Gdzieś pomiędzy są tzw. akumulatory uniwersalne, które znajdziemy np. na jachtach, ale to bez znaczenia, ponieważ, jak można się domyślić, do czystej funkcji przechowywania prądu najlepiej się nadają akumulatory głębokiego rozładowania (czasem, nieprawidłowo, znane jako trakcyjne) i dalej wyłącznie o nich będzie mowa.

Trwałość przyzwoitej jakości akumulatora szacuje się w idealnych warunkach na 3200 cykli przy rozładowaniu do połowy pojemności. W naszym hipotetycznym scenariuszu cyklem faktycznie musi być doba, bo przy użyciu fotowoltaiki, skądś trzeba w nocy prąd brać. Oznacza to skrócenie cyklu do 10-16 godzin, c jest mniej niż optymalną praca akumulatora.  Przy konieczności pewnej rezerwy na kilkudniowe okresy złej pogody (gdzie produkcja prądu jest, ale mała, albo zwiększone zużycie), rozsądnie bym szacował konieczność szacowania zwykłego cyklu na 1/3 pojemności akumulatora. A zupełnie serio, jakby ktoś chciał to realizować, to albo mniejsza głębokość rozładowania, albo staranne pilnowanie stanu akumulatora, albo naprawdę dobra elektronika, która to za nas zrobi.

Akumulator

Podsumowując: dobry akumulator kwasowy powinien wystarczyć na 10 lat, przy założeniu normalnego używania do 1/3 pojemności. Zapewne chińscy producenci potrafią zrobić to wystarczająco przyzwoitej jakości, ale z racji tego, że problemy wychodzą po latach, zostanę przy tradycyjnej marce – Trojan. Idiotycznie brzmiąca nazwa, ale kilkadziesiąt lat tradycji trzymania jakości i co dziwne, nadal produkują w USA , co nieco dodaje do gwarancji jakości.  Są inne marki, w porównywalnych cenach, ale z przyzwoitych ta jest najszerzej dostępna na świecie. Choć patrząc na poziom marketinowego crapu, który serwują na stronach i nawet w specyfikacjach technicznych, to niedługo nawet taka szacowna firma może się skończyć. Zaczynam podejrzewać, że musieli zatrudnić prawdziwego prezesa po studiach MBA albo specyfikacje techniczne zaczęła pisać agencja reklamowa.

Najbardziej typowy model T105. Tu specyfikacja techniczna. Zagadka dla średnio zaawansowanych – co w niej jest nie tak?

Napięcie wynosi 6V, pojemność 225 Ah dla cyklu 20h (185 Ah przy cyklu 5h, ale nie będziemy go całkowicie rozładowywać w pół nocy, a przez całą do 1/3, przy wolniejszym cyklu 100 h, pojemność wynosi 250 Ah). To daje  1,35 kWh pojemności całkowitej. Model przeznaczony typowo do składowania energii (T105 RE) kosztuje ok 200 $/szt.  To oczywiście był przykład, są inni producenci, z grubsza rzecz biorąc otrzymuje się tyle ile się zapłaciło, bo produkcja akumulatorów kwasowy to stary ustabilizowany przemysł i co najwyżej można konkurować albo obniżaniem kosztów za cenę jakości, albo kasować więcej za gwarancję jakości.

Koszt składowania

Podsumowując: jeden powyższy akumulator wystarczy jako magazyn o pojemności 0,45 kWh i będzie działać przez 10 lat, za cenę 200 $. 1 kW to, jak łatwo obliczyć  444 $.   Dzieląc to przez nasze planowane 3650 dni pracy wychodzi  0,13 $ za każdą przechowaną kilowatogodzinę.   Nie byłoby źle. Niestety jeszcze trzeba przygotować jakieś miejsce: akumulatory nie mają dużych wymagań, ale warto się postarać o bliższe optymalnym warunki pracy, regulator ładowania,  dalej inwerter. Inwerter oczywiście jest elementem instalacji OZE tak czy inaczej, więc kosztów nie podwyższa. Realnie pozostałe koszty mogą się wahać w olbrzymim stopniu. Zależy od kosztów pracy monterów, wielkości instalacji, ogólnej wielkości rynku w danej lokalizacji, itd. Dla składowania na skalę mniejszego miasteczka lub wyspy bym zaryzykował twierdzenie, że będzie to 1/4 do 1/2 wartości akumulatorów. W instalacji przydomowej może wyjść jeszcze więcej, lub dużo mniej przy samodzielnej improwizacji.

Dlatego do naszej ceny należy nieco doliczyć – powiedzmy, że 1/3 co będzie szacunkiem dość bliskim większości prawdziwych sytuacji. Doliczając podatki, w końcu wszędzie są, jak nie VAT to jakiś podatek od sprzedaży, zostaje około 50% więcej niż sam koszt akumulatorów.

Wnioski oraz inne złe i dobre wiadomości

Doliczając te 50% koszt przechowania 1 kWh rośnie do   0,195 dolara za kWh. Dla czytelników z Polski to się akurat bardzo ładnie przelicza – prawie dokładnie 60 gr/kWh. Jak łatwo zauważyć, koszty użytkowania akumulatorów kwasowo – ołowiowych są zdecydowanie zbyt wysokie, aby używać je jako zastępstwo do rozbudowanej sieci energetycznej, nawet opartej na węglu.

Za to praktycznie w każdym miejscu, w którym wytwarza się energię elektryczną przede wszystkim ze spalania ropy zastąpienie jej źródłami odnawialnymi i przechowywanie nadwyżek w akumulatorach ma całkowicie sens. Rezygnacja z ropy całkowicie wygląda w ten sposób na bardzo rozsądną strategię rozwojową dla wysp, zwłaszcza w strefie zwrotnikowej i podzwrotnikowej.

W wypadku spalania gazu, czy tym bardziej innych, tańszych paliw od strony ekonomicznej nie ma żadnego.

Zła wiadomość jest też taka, że za bardzo akumulatorów ołowiowych ulepszyć się nie da. Nie zmieniły się specjalnie przez kilkadziesiąt lat i trzeba używać tego co jest. A co można z tym zrobić opisałem powyżej.

Nadzieja w nowych konstrukcjach akumulatorów oraz paradoksalnie, odkurzaniu starych. Możliwe, że w powyższym scenariuszu znacznie lepiej by się sprawdziły akumulatory żelazowo – niklowe (zwane też bateriami Edisona). To jednak wymaga takiego samego przeliczenia jak powyżej. Już nie dziś.

Advertisements

13 komentarzy

  1. Arturro pisze:

    Mam wrażenie, że tematyka Twoich ostatnich dwu postów jest zbyt mało kontrowersyjna aby wywołać lawinę komentarzy. Albo zbyt mało osób zagląda na ten blog…

    Przechodząc do meritum. rok temu spotykałem się z panią doktor specjalizującą się w tematyce akulumatorów. Z tego co mówiła wszystkie obecnie dostępne na rynku akulumatory są bardzo, ale to bardzo technologicznie przestarzałe. W chwili obecnej korporacje i uczelnie posiadają prototypy akulumatorów, które są wieokrotnie lżejsze, bardziej pojemne i szybciej się ładujące niż obecnie dostępne na rynku. tyle że wszyscy czekają aż spłacą się linie produkcyjne obecnej generacji baterii…

  2. 1. Cóż, zasadniczo to jest blog bardziej o technice, choć gorące dyskusje na mocno merytoryczne tematy są jeszcze lepsze. Ale niestety to na polityce i medycynie zna się każdy, a większość na widok liczb ucieka. Frekwencja oczywiście też jest zawsze za mała, jak już piszę dla czytelników, zawsze przyda się większa popularność 🙂
    2. Nie sądzę, że należy szukać aż po prototypach. Obecnie w produkcji mamy nowe LiFePO4, o których wspominałem wcześniej z technologią częściowo tajną, częściowo patentowaną. Produkcja jest spora, ale to skala dużo mniejsza niż ołowiowe. Z czasem pewnie stanieją i będą całkiem konkurencyjne, ale to zwyczajny etap rozbudowy przemysłu i następnie konsolidacji. Podobnie z Fe-Ni. Znane od ponad 100 lat, ale przez długi czas niepotrzebne, bardzo dobrze się nadaja do współpracy ze stacjonarnym OZE. Tylko są zdecydowanie za drogie, zapewne głównie przez zbyt małą skalę produkcji.
    Podsumowując, IMO to nie jest kwestia spisku, ale realnych ograniczeń rozwoju przemysłu i rynku. Choć nie można wykluczyć, że rzeczywiście producenci baterii ołowiowych dla OZE czekają na dekapitalizację linii, aby postawić nowe fabryki dla Fe-Ni

  3. Arturro pisze:

    Kwestia opóźniania braku wejścia baterii nie ma nic wspólnego ze spiskową teorią dziejów a bardzo dużo z ekonomią. Trochę upraszczając baterie można rozwijać w 3 kierunkach – pojemności, szybkości ładowania i wadze. Z tych czynników wynika też 4 element – cena. Jak na razie udało się stworzyć prototypy baterii które mają 2 z tych 3 elementów dużo korzystniejsze (o rząd lub dwa rzędy wielkości) niż dowolna obecnie dostępna komercyjna bateria (akumulator). Nie ma jeszcze prototypu łączącego te 3 elementy, ale już wiadomo, że wkrótce będzie.
    Żadnej z wiodących firm nie opłaca się tworzyć linii produkcyjnej dla masowej produkcji nowych typów baterii, skoro spodziewają się w ciągu najbliższego roku lub dwu uzyskać akumulatory o jeszcze lepszych parametrach.
    Firma która stworzy teraz linie produkujące np. akumulatory o dużej pojemności i szybko się ładujące ale o bardzo dużej wadze, będzie w stanie ją sprzedawać przez rok, może półtora, kiedy pojawi się bateria, która będzie nie tylko pojemna i szybko ładująca się, ale i lekka. W półtora roku linia produkcyjna się nie zwróci.

  4. OK. Nie bardzo mogę coś do tego dodać, bo nie wiem o czym dokładnie mówimy. Ale jedna zasadnicza rzecz- produkcja takich rzeczy jak akumulatory na zachodzie jest dość mocno oligopoliczna i tego typu kalkulacja może mieć sens. Przy ekstremalnym rozproszeniu produkcji w Chinach taka kalkulacja nie działa. Zawsze by ktoś zaryzykował. A podstawowe pytanie brzmi- o jakiej chemii mówimy? Z ołowiu więcej raczej się nie wyciśnie, rewolucji na pewno nie. Fe-Ni opisałem wyżej- do stacjonarnego przechowywania bardzo dobre, do wszystkiego innego beznadziejne. Obecnie badania są nad litem, LiFePO4 są dobre, powinny wkrótce zacząć tanieć, rząd wielkości lepsze nie wydają się możliwe. Ewentualnie nowe konstrukcje na Mg, o badaniach nie słyszałem, teoretycznie mogą wywołać rewolucję o której piszesz. Naprawdę nie wiem i jestem bardzo ciekaw jeśli wiesz coś więcej.

  5. Kahzad pisze:

    Nie zapomnij Maczeto, że kwasówki wymagają regularnej obsługi w postaci choćby uzupełniania wody destylowanej. Co najmniej raz w miesiącu, ktoś ręcznie (lub automatycznie) musi sprawdzić każde ogniwo. To również jest koszt 🙂

  6. Arturro pisze:

    Rzeczoną panią doktor bardziej byłem zainteresowany ze względu na jej wykształcenie i oczytanie niźli tematykę jej badań naukowych 🙂 Jako że mam pewną wiedzę na temat chemii to mogłem o tym zagaić rozmowę nie wychodząc przy tym na idiotę. Był to też powó dla którego w rozmowę się nie wgłębiałem szczególnie – bo w końcu moja niewiedza ujrzała by światło dzienne 😀
    Wyniosłem z tego tylko wiedzę, że obecnie dostępne akumulatory to skrajnie przestarzała technologia w stosunku do tego, co jest w laboratoriach lub co jest teoretycznie możliwe wg. nowych badań. W badania nad akumulatorami od jakiegoś czasu inwestowane są też bardzo znaczne sumy, z różnych źródeł.

  7. Niezupełnie. Kwasówki katalitycznie łączące z powrotem tlen i wodór znane są nie od wczoraj i chyba wyłącznie takie istnieją akumulatory samochodowe. Przy głębokim cyklu zachodzi znacznie mniejsza elektroliza, zresztą.

  8. Kahzad pisze:

    Wiem jak to wygląda w praktyce w Trojanach wykorzystywanych w polskich Melexach. Takie sprawdzanie poziomu wody jest potrzebne.

  9. OK. Nie używałem nigdy na dłuższą betę takich baterii, dzięki za info.

  10. Jerzy M pisze:

    W PDF – ie Data Sheet (link ktory podałes) do akumulatora T-105RE jest przeciez wykres pokazujacy trwalosc akumulatora.
    Przy 70% rozładowaniu wynosi ona 1150 cykli a nie jak podajesz 3000 cykli !!! Jest to i tak bardzo dobry rezultat bowiem dla wiekszosci akumulatorow olowiowych nie przekracza to 500-700 cykli.

    Sprawnosc energetyczna akumulatora nie przekracza 60%

  11. Liczyłem cykl do głębokości 1/3, a przy takim, zależnie od temperatury ilość cykli wynosi od 2000 do 3000. Dla przechowywania energii zasadniczo akumulator można umieścić w optymalnym pod względem warunków i temperatury pracy miejscu, więc jest to bliżej górnej wartości. Sprawność samej baterii nie za bardzo ma w powyższym obliczeniu większe znaczenie- liczy się koszt prądu na wyjściu, a konieczna do dostarczenia ilość na wejściu jest bez większego znaczenia ekonomicznego- ponieważ są to nadwyżki ponad zużycie z OZE, prąd o niewielkiej wartości. To trzeba brać pod uwagę przy pojedynczej i konkretnej instalacji, ale dla ogólnego rachunku jest praktycznie bez znaczenia.

  12. Karol pisze:

    A jak Twoim zdaniem wyglada PowerWall Tesli? Wyglada na zgrabne opakowany produkt. Licze na to ze stanieje 😀

  13. Karol pisze:

    Szybka kalkulacja daje 7kWh 3000$ (cena baterii).
    3000/7 /3650dni = 0,117 $ . Czyli taniej niz akumulator trojana. Gwarancja na 10 lat, skomplikowana elektronika w tym jest, nawet update softu przez internet zrobia. Jak odpala Gigafactory to bedzie jeszce taniej mam nadziej… Slowem…. szykuje sie rewolucja?…. 😀

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s

Follow rewolucja energetyczna on WordPress.com
%d blogerów lubi to: