CC BY
114
tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2013; 84: 112-125.
4. Эрк A. F., Sudachenko V. N., Timofeev E. V., V. A. Razmuk Vybor tipa ehlektrosnabzheniya sel'skohozyaj stvennogo predpriyatiya s ispol'zovaniem solnechnyh ehlektrostancij [Electrical power supply of an agricultural enterprise with the use of solar power plants]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016; 89: 19-23.
5. Erk A. F. Opredelenie ugla orientacii geliopriemnikov v sistemah solnechnogo vodonagreva [Calculation of tilt angle of solar energy receivers in solar water heating systems]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 1987; 51:127-133.
6. Brovtsin V. N., Erk A. F. Matematicheskaya model' solnechnoj vodonagrevatel'noj ustanovki [Mathematical model of solar water heaters]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva
mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2013; 84: 90-112
7. Spravochnik po klimatu [A Guide to Climate]. Moscow: Gidrometeoizdat, 2006; 8: 82.
8. McVeigh J.C. Sun power. Oxford: Oxford Press, 1977. (Russ. ed.: Mak-Vejg D. Primenenie solnechnoj ehnergii. Moscow: Energoizdat, 1981: 216.
9. Liu B.Y.H., Jordan R.C. Daily insolation on surfaces tilted toward the equator. Trans. ASHRAE, 1962:526.
10. Sudachenko V. N., Erk A. F., Timofeev E. V., Vybor varianta ehnergosnabzheniya ob"ektov sel'hozproizvodstva po ehkonomicheskim kriteriyam [Selection of power supply options for agricultural production facilities by economic criteria]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017; 92: 43-48.
УДК 631.152 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10028
ВЫБОР ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА ДЛЯ БУФЕРНОЙ БАТАРЕИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Д.В. Агафонов1, канд. техн. наук А.Ф. Эрк2, канд. техн. наук
'Санкт-Петербургский государственный технологический институт, СПб, Россия
2Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства»(ИАЭП)
- филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, СПб, Россия
Проблема аккумулирования энергии, производимой возобновляемыми источниками энергии, является одной из ключевых. Несмотря на обилие различных способов накопления энергии предпочтение сегодня отдаётся химическим источникам тока (аккумуляторам). В России в 2016 г. введён ГОСТ Р МЭК 61427-1-2014 «Аккумуляторы и аккумуляторные батареи для возобновляемых источников энергии», в котором отражены требования к буферным батареям аккумуляторов для электростанций на возобновляемых источниках
26
Технологии и технические средства механизированного производства продукции _растениеводства и животноводства_
энергии. В статье проведен анализ всех производимых в настоящее время видов химических источников тока на соответствие требованиям указанного стандарта. При этом установлено, что даже самый широко распространенный вид источника - литий-ионный аккумулятор, соответствует только двум требованиям ГОСТ: безуходности и обеспеченности автоматической системой контроля. Основные недостатки классического литий-ионного аккумулятора - взрывоопасность, узкий температурный диапазон (не работает при низких и высоких температурах), низкий циклический ресурс, высокая цена, токсичность, работа исключительно на сложных электролитах, ограниченная добыча кобальта. Этих недостатков лишена другая литий-ионная система Li4Ti5O12 | LiFePO4. Она не получила широкого распространения на рынке поскольку имеет низкое напряжение разомкнутой цепи 1,7 В. При этом она обладает рядом бесспорных для возобновляемых источников энергии достоинств: в элементный состав катода и анода не входят дорогостоящие компоненты; данная система работает на простых и дешёвых электролитах; диапазон рабочих температур находится в пределах от -40°С до +120°С; в силу низкого напряжения разомкнутой цепи система пожаро-и взрывобезопасна, поэтому технически возможно создание аккумуляторов большой ёмкости 1000 Ач и более. Оба электрода и корпус аккумулятора можно изготавливать из алюминия. На кафедре технологий электрохимических производств СПбГТИ(ТУ) разработаны электролиты для системы Li4Ti5O12 | LiFePO4 на базе эфиров фосфорной кислоты, позволяющие работать с простыми солями лития.
Ключевые слова: аккумулятор; возобновляемые источники энергии; буферная батарея; электролит
CHOICE OF A CHEMICAL CELL FOR THE BUFFER BATTERY WITHIN RENEWABLE ENERGY SOURCES
D.V. Agafonov1, Sc. (Engineering) A.F. Erk2, Sc. (Engineering)
1St. Petersburg state technological Institute, St. Petersburg, Russia
2Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSBSIFSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
Accumulation of energy generated by renewable energy sources is currently one of the key challenges. Despite the abundance of different energy storage methods, the chemical current sources (accumulators) are preferred. In Russia, the State Standard GOST R IEC 61427-1-2014 "Secondary cells and batteries for renewable energy storage" was adopted in 2016, which specifies the requirements for the buffer batteries for renewable energy power plants. The article considers all the currently produced types of chemical current sources for the compliance with the standard requirements. Even the most widespread type of chemical current sources - lithium-ion battery is found to meet only two requirements of the above Standard: the battery is maintenance-free and supplied with automatic control system. The main weak points of the classical lithium-ion battery are explosion hazard, narrow temperature range (it does not work at low and high temperatures), low cyclic life, high price, toxicity, work on complex electrolytes only, and limited production of cobalt. Another lithium-ion system Li4Ti5O12 | LiFePO4 does not have the listed drawbacks. It is
Технологии и технические средства механизированного производства продукции _растениеводства и животноводства_
not widely used in the market because of the low open circuit voltage of 1.7V. At the same time, it has a number of indisputable merits for renewable energy sources: the elemental composition of the cathode and anode does not include costly components; this system operates on a simple and cheap electrolytes; the operating temperature ranges from -40°C to +120°C; owing to low open circuit voltage the system is fire and explosion-proof, so technically it is possible to create large-capacity batteries of 1000 Ah and more; both electrodes and the battery case can be made of aluminum. The Department of Electrochemical Production Technologies of Saint Petersburg Technological Institute developed electrolytes for Li4Ti5O12 | LiFePO4 system on the basis of phosphoric ester, which allow to work with simple lithium salts.
Keywords: battery; renewable energy sources; buffer battery; electrolyte
Введение
В современном мире выпускается более ста различных систем первичных (не перезаряжаемых) и вторичных
(аккумуляторов) ХИТ. Это многообразие определяется тем, что все производимые сегодня ХИТ не соответствуют требованиям и ожиданиям потребителей. Поэтому выбор того или иного типа ХИТ всегда осуществляется потребителем как выбор менее плохого из рассматриваемого ряда. Данный процесс происходит, как правило, неосознанно, под давлением рыночной ситуации, непонимания, технических предрассудков, давления лобби
производителей свинцовых аккумуляторов, желания сэкономить.
Проблема аккумулирования энергии производимой ВИЭ является одной из ключевых [1]. Несмотря на обилие различных способов накопления энергии предпочтение сегодня отдаётся ХИТ, так, например, самые впечатляющие проекты ВИЭ современности - солнечные электростанции построенные Илоном Маском содержат литий-ионные батареи Powerpack™ [2,3].
В России введён в 2016году ГОСТ Р МЭК 61427-1-2014 «Аккумуляторы и аккумуляторные батареи для
возобновляемых источников энергии». Этот документ подготовлен некоммерческой организацией «Национальная ассоциация
производителей источников тока «РУСБАТ» (Ассоциация «РУСБАТ») на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного стандарта.
Буферная батарея для ВИЭ должна отвечать следующим требованиям:
1. Низкая цена
2. Большой циклический ресурс (десятки тысяч циклов)
3. Пожаро и взрывобезопасность
4. Безуходность
5. Обеспеченность автоматической системой контроля
6. Работоспособность при низких и высоких температурах от -40°С до +105°С
7. Возможность создания аккумуляторов большой ёмкости
8. Высокие удельные характеристики не требуются!!!
Материалы и методы В среде разработчиков ВИЭ рассматриваются три основных типа ХИТ применимых в области ВИЭ [4]:
1. Стационарные свинцовые аккумуляторы.
2. Проточные аккумуляторы
3. Литий-ионные аккумуляторы
Остановимся подробнее на каждом типе аккумуляторов.
Стационарные свинцовые аккумуляторы Основные достоинства свинцового аккумулятора - низкая стоимость и огромный объём производства, до 80% мирового рынка. Низкая стоимость
свинцового аккумулятора определяется архаичной технологией производства, так цена свинцовой батареи выполненной по классической технологии - намазка активной массы на литые решётки, отличается от цены гелевого аккумулятора рулонной конструкции приблизительно в десять раз. Огромный объём производства свинцовых аккумуляторов объективно тормозит развитие других типов аккумуляторов, так например, практически весь рынок источников бесперебойного питания (ИБП) занят плохими, ненадёжными и недолговечными свинцовыми
аккумуляторами. Стационарные свинцовые аккумуляторы рекомендуется
эксплуатировать на глубину заряда - разряда 30%, т.е. их нужно устанавливать на объектах ВИЭ в три раза больше их номинальной ёмкости, соответственно энергоёмкость стационарной свинцовой батареи 35Вт*ч/кг: 3= 11,7 Вт*ч/кг это уровень энергоёмкости свинцового аккумулятора конца XIX века. В общем контексте развития технологии ХИТ главные достоинства стационарного свинцового аккумулятора выглядят сомнительно.
Основные недостатки свинцового аккумулятора - низкие зарядные и разрядные токи, низкая удельная энергоёмкость; ограниченный циклический ресурс; требуют постоянного обслуживания; взрывоопасны; все компоненты активных масс токсичны; глубина циклирования отечественных стационарных свинцовых аккумуляторов не превышает 30%; затруднено создание аккумуляторов большой ёмкости; в большом аккумуляторе требуется перемешивание, поскольку серная кислота расходуется в токообразующем процессе; срок
эксплуатации отечественных стационарных свинцовых аккумуляторов 4,5 года. Предлагаемые на рынке более совершенные конструкции имеют, при более высокой цене, больший срок эксплуатации, лишены
некоторых из перечисленных недостатков, но по цене кВт*ч за полный срок эксплуатации проигрывают другим системам. Следует признать, что стационарный свинцовый аккумулятор, полностью занимавший нишу стационарных аккумуляторов в ХХ веке, безнадёжно устарел и даже в любых герметичных вариантах не выдерживает конкуренции с новыми системами. Кислотно-свинцовый аккумулятор сыграл огромную роль в развитии техники прошлого века и исключительно вопрос времени, когда он отдаст свои 80% рынка другим системам и займёт достойное место в истории техники рядом с паровой машиной и другими атрибутами прошлого.
Проточные аккумуляторы
Идея проточного аккумулятора запатентована Марией Скайлос-Казакос и Робинсом в 1986 году [5], на рис.1 представлена схема проточного ванадиевого аккумулятора (Vanadium redox battery), данная система получила достаточно широкое распостранение. В этом устройстве катодное и анодное пространства разделены катионселективной мембраной типа Nafion токообразующая реакция осуществляется за счёт восстановления на положительном
X 7-5+ X 7-4+
электроде V до V и окисления на
X 7-2+ X 7-3 +
отрицательном электроде V до V . Напряжение разомкнутой цепи этой электрохимической системы находится в окне термодинамической устойчивости воды и составляет приблизительно 1 Вольт.
Рис. 1. Схема ванадиевой проточной батареи (Vanadium redox battery (RVB): http://abc.in.ua/vanadievye-batarei-sprovociruyut-
yene/
Рис. 2. Ванадиевая проточная батарея расположенная в университете New South Wales Австралия:
https://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium redox batte
ГУ
Сегодня идея проточного аккумулятора активно внедряется в жизнь, на рис. 3 представлена схема цинк - железной проточной батареи китайской фирмы ViZn. По сравнению с любым аккумулятором это очень сложное устройство с системой циркуляции электролитов, насосами, автоматикой, биполярными аккумулятором с катионоселективной перфторированной мембраной типа Nafion.
Рис. 3. Проточная батарея фирмы ViZn: https://www.viznenergy.com/vizn
Производители обещают высокую окупаемость инвестиций, 20-летний срок службы, низкие капитальные затраты, во всё это верится с трудом, 1м2 мембраны №йоп стоит более 1000USD. Сообщается, что
номинальный вольтаж ^С) устройства 60 Вольт номинальный ток 470 Ампер номинальная мощность 28Киловат, а это значит, что в биполярном аккумуляторе по фильтр-прессному типу содержится 60 ячеек
с площадью мембран приблизительно 60м2 в ценовом выражении только мембраны стоят более 60000USD. Откуда берутся низкие капитальные затраты? Насосное хозяйство с дорогими химическими насосами, обязательное дублирование насосов, система автоматики, реагенты. 20-летний срок службы без аварий немыслим за такой период обязательно произойдёт разрушение одной или нескольких мембран, а это потребует остановки на несколько суток и полной разборки биполярного аккумулятора, замены мембраны. В производстве хлора и щёлочи мембранным методом с мембраной типа Nafion отказались от фильтр-прессной конструкции и разработали более сложную конструкцию, позволяющую не
останавливая процесс обнаруживать повреждение мембраны и вынимать из биполярного электролизёра повреждённый блок. Идея проточной батареи малой мощности экономически бесперспективна, этому устройству присущи все свойства химического производства, на производствах этого типа увеличение производительности в два раза увеличивает нормы обслуживания на 60%, таким образом, целесообразно использовать данную систему в установках большой энергоёмкости. Самым
впечатляющим проектом сегодня, является проект проточной ванадиевой батареи в Дайляне (Dalian) (Китай). Здесь в 2020 году будет введена в строй батарея мощностью 200Мегаватт энергоёмкостью
800Мегаватт^часов. Эта батарея возьмёт на себя 8% региональной нагрузки в часы пик и решит проблему накопления энергии местных ветряных станций.
Литий-ионные аккумуляторы
Сегодня термин литий-ионный аккумулятор применяют к широкой группе электрохимических систем работающих по принципу интеркаляции - деинтеркаляции лития в катодные и анодные материалы. Первый литий-ионный аккумулятор
выпустила корпорация Sony в 1991 году в качестве анода использовался графит в который внедряется литий, причём внедрение происходит при потенциалах более низких, чем потенциалы выделения металлического лития, процесс протекает с образованием соединения внедрения LiC6. Таким образом, была решена проблема обратимо работающего анода с потенциалом близким к потенциалу лития. В качестве катода использовалось соединение LiCOO2 способное к интеркаляции - деинтеркаляции лития. Данная система и сегодня занимает ведущие позиции на рынке благодаря высокой энергоёмкости.
Из восьми требований
сформулированных для буферной батареи ВИЭ в начале статьи классический литий-ионный аккумулятор соответствует только двум: безуходность,
обеспеченность автоматической системой контроля.
Результаты и обсуждение Основные недостатки классического литий-ионного аккумулятора (ЛИА)
1. Взрывоопасность
2. Узкий температурный диапазон (не работает при низких и высоких температурах)
3. Низкий циклический ресурс
4. Высокая цена
5. Токсичность
6. Работает исключительно на сложных электролитах
7. Ограниченная добыча кобальта
Этих недостатков лишена другая литий ионная система Li4Ti5O12 | LiFePO4, она не получила широкого распространения на рынке поскольку имеет низкое напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) 1,7В, но при этом имеет ряд бесспорных для ВИЭ достоинств:
1. В элементный состав катода и анода не входят дорогостоящие компоненты
2. Данная система ЛИА работает на простых и дешёвых электролитах
Технологии и технические средства механизированного производства продукции _растениеводства и животноводства_
3. Диапазон рабочих температур находится в пределах от -40°С до +120°С
4. Система пожаро и взрывобезопасна, поэтому технически возможно создание аккумуляторов большой ёмкости 1000 А*ч и более, именно низкое значение НРЦ делает её безопасной.
5. Оба электрода и корпус аккумулятора можно изготавливать из алюминия.
На кафедре Технологии
электрохимических производств СПбГТИ (ТУ) разработаны электролиты для системы Li4Ti5O12 | LiFePO4 на базе эфиров фосфорной кислоты позволяющие работать с простыми солями лития. На рис.4 показаны зарядные и разрядные кривые для макетов системы Li4Ti5O12 | LiFePO4 с коммерческим электролитом LP30 и электролитом на базе триметилфосфата.
Время.
Рис. 4. Зарядно - разрядные кривые для системы ^4^012 | LiFePO4 с электролитом ЬР30 и
1М раствором LiBF4 в триметилфосфате
Следует отметить, что синтезы Li4Ti5012 и LiFeP04 хорошо известны, оба продукта выпускаются в промышленном масштабе, в России имеются мощности позволяющие наладить выпуск этой системы в интересах ВИЭ на основе полного импортозамещения.
Выводы
Система Li4Ti5012 | LiFeP04 является на сегодняшний день наиболее подходящей для решения проблемы буферной батареи ВИЭ, эта система отвечает требованиям, сформулированным в настоящей статье в большей степени, чем любая другая.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Елистратов В.В. Возобновляемая энергетика/ 3-е издание, дополненное - СПб, Издательство Политехнического университета, 2016. С. 272
2. Barbara Eldredge, Tesla solar panels and storage will help Hawaiian island go fossil-free URL https://www.curbed.eom/2017/3/10/ 14876652/tesla-solar-powerpack-hawaii (дата обращения 23.03.2018
3. Hornsdale Power Reserve. Available at: https://hornsdalepowerreserve.com.au/overview/ (accessed 23.03.2018)
4. Агафонов Д.В., Бобыль А.В., Малышкин В. Г. Теруков Е.И. Выбор электрохимической системы для буферной батареи возобновляемых источников энергии (ВИЭ)// Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики // Сборник трудов российской конференции.Санкт-Петербург. 2017
5. M. Skyllas-Kazacos, R. G. Robins. The All Vanadium Redox Battery. US Patent No. 849 094, 1986.
REFERENCES
1. V. V. Elistratov Vozobnovlyaemaya ehnergetika / 3-e izdanie, dopolnennoe [Renewable power generation. 3rd ed.]. Saint Petersburg, Polytechnic Univ. Publ., 2016: 272.
2. Barbara Eldredge, Tesla solar panels and storage wall help Hawaiian island gofossil-free Available at: https://www.curbed.eom/2017/3/10/14876652/t esla-solar-powerpack-hawaii (accessed 23.03.2018)
3. Hornsdale Power Reserve. Available at: https://hornsdalepowerreserve.com.au/overview/ (accessed 23.03.2018)
4. Agafonov D. V., Bobylev A.V., Malyshkin, V. G. Terukov E. I. Vybor ehlektrohimicheskoj
sistemy dlya bufernoj batarei vozobnovlyaemyh istochnikov ehnergii [Selection of electrochemical system for buffer battery of renewable energy sources]. Sbornik trudov rossijskoj konferencii "Fiziko-himicheskie problemy vozobnovlyaemoj ehnergetiki" [Proc. Rus. Conf. "Physicochemical Problems of Renewable Energy Generation"]. Saint Petersburg, 2017
5. M. Skyllas-Kazacos, R. G. Robins. The All Vanadium Redox Battery. US Patent No. 849 094, 1986.
УДК 631.152 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10029
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ У СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
В.Н. Судаченко, канд. техн. наук; А.Ф. Эрк, канд. техн. наук;
Е.В. Тимофеев канд. техн. наук; В.А. Размук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
За последнее время в сельскохозяйственных предприятиях наблюдается значительный рост производства. Электрооборудование и технологии с его использованием постоянно совершенствуются. Применение современного дорогостоящего оборудования предъявляет свои требования к качеству электрической энергии и схемам электроснабжения. Сельские потребители имеют небольшие, но разные по значению мощности нагрузки, которые удалены одна от другой на большие расстояния даже в пределах одного хозяйства. К любой точке электрической сети может быть присоединено большое число потребителей с самыми разнообразными характеристиками. Питание мелких нагрузок, как правило, осуществляется от маломощных однофазных трансформаторных подстанций. Схемы электроснабжения сельских потребителей, их структура и режим работы имеют особенности, которые снижают качество электроэнергии и увеличивают ее потери. Виновниками ухудшения качества электроэнергии могут быть как энергоснабжающая организация, так и потребители. Показатели качества электрической энергии регламентируются ГОСТ 32144-2013. Экспериментальные исследования указанных показателей проводили в одном из хозяйств Ленинградской области с применением прибора «Энерготестер ПКЭ» в течение месяца. Анализ построенных по результатам измерений графиков показал, что электрическая нагрузка имела эпизодический характер, допустимая разница значений силы тока
33
