Magazyn energii 2MWh. Ile stracimy w nim energii?

Wracamy do tematu magazynów energii w mojej serii wpisów na temat software’u i algorytmów dla zielonej transformacji energetycznej. Dziś bierzemy na warsztat temat drugi lub trzeci najbardziej elektryzujący w magazynach energii.

Bo najbardziej elektryzujące jest zawsze to pytanie: Ile pojemności utraci mój magazyn po 3, 5, 10 latach?
I na nie odpowiem kolejnym wpisem. Dziś za to przyjrzymy się energii traconej w magazynie na ciepło.

Za przykład bierzemy magazyn o pojemności 2 MWh o takiej elektrochemii ogniw, która wraz z falownikami pozwala na ładowanie/rozładowanie tego magazynu mocą 2 MW. To w pełni realne założenie. Z nomenklatury technicznej: powiadamy wtedy, że ładujemy/rozładowujemy magazyn tzw. prądem 1C (tzn., jest to taki prąd, który rozładuje całą pojemność magazynu w 1 h; analogicznie prąd 0,5 C ładuje/rozładuje magazyn w 2h).

Przykład ilustruję ogniwami w elektrochemii LFP (LiFePo, tj. litowo-żelazowo-fosforowej), których kilkadziesiąt badaliśmy starzeniowo przez ostatnie dwa lata w komorach klimatycznych w różnych temperaturach i przy różnych natężeniach prądu.

W modelowaniu termiki ogniw litowo-jonowych przeważają tzw. modele obwodów zastępczych (ang. equivalent circuit model), które generację ciepła liczą z użyciem modelu ciepła Joule’a i dają dobrą dokładność (my nasze doświadczenia czerpiemy głównie z pracy nad chłodzeniem baterii we współpracy z producentami elektrycznych autobusów, pojazdów użytkowych i samolotów).

Wg modelu ciepła Joule’a wydzielana moc cieplna przy przepływie prądu jest proporcjonalna do iloczynu oporu wewnętrznego i kwadratu natężenia prądu. I tu ważny wniosek: moc dyssypowana na ciepło przy ładowaniu/rozładowaniu magazynu rośnie w kwadracie tempa jego ładowania. Zatem liniowo pogarsza się sprawność tego procesu. O ile ładowanie/rozładowanie prądem mniejszym niż 0,5 C będzie miało mały wpływ na sprawność tego procesu wewnątrz ogniw, o tyle w okolicach prądu 1 C należy już brać to zjawisko pod uwagę.

Zwróćmy uwagę:
Przy ogniwach, jakie my badaliśmy, w magazynie o pojemności 2 MWh, który obciążamy mocą 2 MW należy liczyć się z ok. 15,6 kW wydzielanej mocy cieplnej wewnątrz samych ogniw. Stanowi to 0,8% mocy efektywnej.

Dodatkowo, należy uwzględnić te straty energii zarówno przy ładowaniu, jak i rozładowaniu, co w przypadku całego cyklu oznacza ok. 1,6% energii utraconej na ciepło w samych ogniwach.

Do tego straty pojawią się w konektorach, bus-bar’ach, przewodach. Wreszcie też w samym falowniku.

Tym wpisem pokazuję wycinek układanki. Warto brać zjawiska cieplne pod uwagę w bardziej wyrafinowanych modelach wyznaczania strategii pracy magazynu. O nich pisałem we wcześniejszych moich wpisach. Wkrótce zaś, podzielę się wynikami obliczeń utraty pojemności przez bateryjne magazyny pracujące w różnych temperaturach i pod różnymi natężeniami prądu.

W QuickerSim tworzymy software dla zielonej energii. Z naszych klocków i algorytmów. Pod konkretne wymagania Klienta.