- Uvod
U modernim rješenjima povećanja stupnja energetske neovisnosti zgrada trend je primjene baterija kao spremnika energije. Konstrukcija olovnih baterija, uz dužno poštovanje poneke inovacije, stara je i preko 100 godina. U ovom prikazu pokušat će se, bez ulaska u teoriju, spoznati bitne razlike olovnih i Li-ion baterija. Cilj je moći dokučiti zašto upotrijebiti ove “nove” baterije, a ne “klasične” olovne baterije. Upoznat će se zašto se mora i kako se može zaštiti Li-ion baterija u radu.
Prva istraživanja s litijskim baterijama su započela 1912. No tek ne tako davne 1991. godine pojavljuju se prve serije japanskih mobilnih telefona s litijskim baterijama koje su na kraju bile povučene zbog opasnosti od plinjenja i u konačnici eksplozije u korisničko lice…Tada se s Litija prešlo u generaciju Li-ion baterija. Slično kao i kod olovnih baterija Li-ion baterija koristi katodu (pozitivni pol) i anodu (negativni pol) i vodljivi elektrolit. Katoda je litijev metalni oksid, a anoda porozni ugljik. Za vrijeme pražnjenja anoda u procesu oksidacije predaje elektrone u strujni krug, dok katoda u redukcijskom procesu prihvaća elektrone iz strujnog kruga. U elektrolitu struju prenose ioni Litija. Za vrijeme punjenja proces je obrnut.
2.1 Opće značajke Li-ion baterija
Baterija u fotonaponskom sustavu napajanja kuće ili baterija opće namjene za napajanje trošila na plovilu ili vozilu mora biti sposobna iscrpiti se skoro do kraja i potom se opet napuniti do kraja. I tako u tisućama ciklusa.
Na slici 1. je ukazano na činjenicu da se zbog održavanje dugog životnog vijeka olovna baterija smije prazniti samo do približno polovice svog kapaciteta, dok se Li-ion baterija smije prazniti skroz do kraja svog kapaciteta. To znači da se u usporedbi s olovnom baterijom iz Li-ion baterije može crpiti više energije u jednom ciklusu pražnjenja uz isti nazivni kapacitet baterije, odnosno početno jednako napunjene baterije.
Na slici 2. je prikazan slučaj u kojem se želi iz baterije napajati 2 kW trošilo kroz 10 h što znači da će se iz baterije iscrpiti 20 kWh energije. Za to treba pri 50 V naponu baterije cca 400 Ah Li-ion baterija (50 V x 400 Ah = 20 kWh) jer se Li-ion baterije smiju prazniti do kraja. Ako bi se za istu energiju pražnjenja od 20 kWh upotrijebila olovna baterija, onda se uz pretpostavku pražnjenja olovne baterije samo do 50% kapaciteta zbog u očuvanja životnog vijeka baterije, mora koristiti olovna baterija 48 V 800 Ah. Za istu raspoloživu energiju od 20 kWh Li-ion baterija ima približno pet puta manju masu (Li-ion 180 kg, a olovna baterija 1000 kg).
2.2 Zavisnost kapaciteta o struji pražnjenja
Ovo vrijedi samo ako se olovna baterija prazni nazivnim pražnjenjem. Ali u otočnim fotonaponskim sustavima teško je točno predvidjeti struju pražnjenja! Što ako se baterija prazni “nenazivnom” strujom pražnjenja?
Slika 3. prikazuje smanjenje kapaciteta baterije zavisno o struji pražnjenja. Za primjer se uzima olovna baterija nazivnih podataka 100 Ah 12 V C20. Baterija osim kapaciteta izraženog u Ah i napona izraženog u V ima još i oznaku C20. Broj 20 je vrijeme izraženo u satima za koje će se predati sva energija iz baterije. Ako je time definirano vrijeme onda je uz nazivni kapacitet određena i struja pražnjenja. Ova konkretna baterija se može prazniti 20 h s 5 A (20 h x 5 A = 100 Ah). Struja pražnjenja je dale kapacitet baterije podijeljen s brojem iza slova C, konkretno 100 Ah / 20 = 5 A. Kaže se da se baterija prazni s 0.05C ( konkretno C / 20 = 0,05C ). I to su sve do sada nazivni podaci baterije. Ako se konkretna baterija iz primjera prazni strujom tako da se sav kapacitet iscrpi za 10h, tada kažemo da se baterija prazni s 0,1C. Za konkretnu bateriju 0,1C = 0,1 x 100 = 10A. No baterija iz primjera od nazivnih 12 V 100 Ah C20 pri struji pražnjenja 0,1C zbog fizikalnih procesa u sebi, može dati samo 73% kapaciteta tj. ona ima realno iskoristivi kapacitet od 73 Ah, dakle bez obzira na to što piše na njezinoj natpisnoj pločici 100 Ah! Ako tu istu bateriju praznimo s 1C, dakle u konkretnom slučaju sa 100 A, tada ona realno ima samo 26 Ah tj. 26% nazivnog kapaciteta. Ako tu istu bateriju praznimo s 5C dakle u konkretnom slučaju s 500 A, tada ona može dati samo 8 % nazivnog kapaciteta, tj. samo 8 Ah. Olovnoj bateriji koja je 100% napunjena stvarni kapacitet nelinearno zavisi o razini struje pražnjenja.
Kako se pri različitim strujama pražnjenja ponaša Li-ion baterija? Kako izgleda usporedba zavisnosti olovne i Li-ion baterije o struji pražnjenja?
Na slici 4. se uočava minimalna zavisnost kapaciteta Li-ion baterije o struji pražnjenja. To je vrlo važna karakteristika. Pri pražnjenju strujom 100 A Li-ion baterija kapaciteta 100 Ah će imati stvarni kapacitet od 102 Ah pa će 100A tako moći davati stvarnih 1,02 h. Olovna baterija nazivnih podataka 100 Ah C20 pri pražnjenju sa 100 A će imati stvarni kapacitet od svega 26 Ah i 100 A će moći davati tek 26 Ah / 100 A = 15 min. Dakle početno napunjena Li-ion baterija daje 100 A kroz 1,02 h, a isto tako napunjena olovna baterija daje 100 A kroz svega 15 min!
U svjetlu ove spoznaje da se kapacitet olovne baterije smanjuje pri povećanju struje pražnjenja, a Li-ion baterije se skoro ne mijenja, uočimo da je vaga na slici 2. prikazana za nazivni intenzitet pražnjenja baterija. Ako se očekuje pražnjenje s većim strujama baterija, tada masa potrebne olovne baterije opasno dodatno raste i evo još jednog argumenta za korištenje Li-ion baterije!
Osim upravo opisane zavisnosti kapaciteta baterije o struji pražnjenja baterije slika 5. pokazuje i zavisnost napona baterije o struji pražnjenja baterije. Li-ion baterija je tako „tvrđi“ izvor napona u odnosu na olovnu bateriju jer ima manji unutarnji otpor i stoga manji pad napona na unutarnjem otporu pri toku struje! Li-ion baterije imaju izuzetno niski unutarnji otpor što rezultira malom promjenom napona baterije u širokom rasponu struje opterećenja.
2.3 Efikasnost punjenja
Do sada su uspoređene tipične razlike u ponašanju baterija s obzirom na pražnjenje. Slijedi usporedba s obzirom na punjenje, slika 6.
Olovna baterija u ispražnjenom stanju prima 98% privedene energije, dakle samo mali dio se pretvara u nekorisnu toplinu. Kako se baterija približava stanju napunjenosti 80% sve više energije se pretvara u nepotrebnu toplinu pa se tako svega 75% privedene energije može pospremiti u bateriju. Pri kraju samog procesa punjenja svega 5% privedene energije se može pohraniti u bateriju. Kako se proces punjenja olovnih baterija u otočnim sustavima uglavnom provodi od 50% kapaciteta do 100% (jer dublje pražnjenje od 50% skraćuje životni vijek) često se navodi kako je efikasnost punjenja samo 75%. Isto se može reći i na drugi način: ako se olovna baterija prazni „n“ sati s 0,15C strujom onda će se morati puniti „1,33 n“ sati tom istom strujom 0,15C.
Za Li-ion bateriju je efikasnost u cijelom procesu punjenja 98%. Li-ion baterija ne zahtijeva fino i precizno nadopunjavanje na kraju procesa punjenja koje je izrazito neefikasno kod olovne baterije. Li-ion baterija se može cijelo vrijeme punjenja puniti istom strujom. To znači da ćemo potrebnu energiju u Li-ion bateriju realno „brže“ pospremiti nego u olovnu bateriju!
Na slici 7. prikazan je dio realnog sustava koji baterije puni iz generatora. Punjenje obje baterije se provodi s 210 A pri 25 V dakle snagom od cca 5,3 kW kroz 1,4 h pri čemu je generator optimalno opterećen jer je u nazivnom opterećenju. Obje baterije dobiju iz generatora u tom vremenu 7,2 kWh energije. Li-ion baterija je nakon tog vremena i napunjenja, a olovna se treba još skoro sljedeća 4 sata nadopunjavati uz sve manju snagu generatora, a da bi i u nju nakon skoro 5,4 h bilo zaista i pospremljeno 7,2 kWh električne energije. Tu se najbolje vidi razlika od skoro 12 l goriva i dodatna 4 h rada generatora za pospremanje u olovnu bateriju iste količine energije. Na godišnjoj razini, uz pretpostavku od jednog ciklusa punjenja i pražnjenja na dan, radi se o razlici od cca 4000 l goriva i 1500 h rada generatora! Li-ion baterija je robusna i vrlo efikasna u pospremanju energije jer prima energiju u istom intenzitetu kroz cijelo vrijeme punjenja, dok klasična olovna je to „nježnija“ i manje efikasna što je bliže napunjenom stanju.
Na slici 8. prikazana su dva otočna fotonaponska sustava u kojem oba imaju isti zahtjev sa strane trošila za 20 kWh energije dnevno. Zbog manje efikasnosti pohrane energije u olovne akumulatore uočava se kako je potrebno povećati proizvodnju fotonaponskog polja i to za cca 30%. Povećanje proizvodnje fotonaponskog polja može se realno realizirati jedino povećanjem broja fotonaponskih modula. U sustavu s olovnom baterijom se mora osigurati proizvodnja 39 kWh energije iz fotonaponskog polja da bi se moglo trošiti 20 kWh. U sustavu s Li-ion baterijom se mora osigurati 29 kWh iz fotonaponskog polja da bi se moglo trošiti istih 20 kWh. Razlika je 10 kWh dnevno, što se u grubo može prevesti uz ljetnu proizvodnju od 4 kWh / kWp na dodatnih 2,5 kWp fotonaponskih modula. Ti se moduli zauzimaju prostor, moraju se i povezati i montirati, dakle potreban je i kabel i montažni materijal, ali i odgovarajući jači ulaz regulatora punjenja. Sve ovo je isto dodatni argument u korist Li-ion baterija. Primjenom Li-ion baterija komponente sustava se mogu optimirati i nije potrebno povećavati fotonaponsko polje za proizvodnju energije koja se mora proizvesti, a ne može se pohraniti u olovnu bateriju!
2.4 Broj ciklusa
Važno je uočiti da Li-ion tehnologija omogućava najmanje 4 puta veći broj ciklusa pražnjenja i punjenja kako je prikazano na slici 9.
Pri usporedbi valja imati u vidu kako se olovna baterija smije prazniti samo do 50% kapaciteta zbog održanja što većeg broj ciklusa u životnom vijeku olovne baterije, dok se Li-ion baterija smije prazniti praktički skroz do kraja, dakle na raspolaganju je 100% kapaciteta Li-ion baterije.
Do sada je zaključeno:
- U primjeni olovne baterije mora se uzeti dvostruki kapacitet u odnosu na Li-ion baterije, kako bi se olovne praznile samo do 50%. Uzimajući pri tome činjenicu različite gustoće pohrane energije to će olovne baterije imati najmanje 4 do 5 puta veću masu u odnosu na Li-ion baterije ako se iz njih izvlači jednaka energija bez narušavanja životnog vijeka.
- Olovne baterije će trajati u najboljem slučaju pola trajanja Li-ion baterija, a vjerojatno tek četvrtinu vijeka Li-ion baterija.
Ova dva zaključka će se pokušati „financijski odvagnuti“. Slika 10. gore, gdje se uspoređuje dvije baterije istoga napona i kapaciteta, može dovesti na brzi zaključak da se Li-ion baterije ne isplate. Li-ion baterija je 5 puta skuplja od olovne istoga napona i kapaciteta! To je istina!
Slika 10. dolje uspoređuje dvije baterije, ali tako da one daju isti broj ciklusa i da one osiguravaju istu energiju trošilima po ciklusu. Dakle dvije olovne AGM baterije sa slike 10. gore se moraju udvostručiti na 4 baterije zbog toga što se olovnu AGM bateriju smije prazniti samo do 50% kapaciteta. Dalje, kako bi se ostvario isti broj ciklusa (2000 ciklusa) mora se predvidjeti ukupno 4 seta AGM baterija. I zato u ovoj usporedbi po energiji koja je na raspolaganju trošilima tek 16 AGM baterija je ravnopravno jednoj jedinoj Li-ion bateriji! Sada jezičac financijske vage jasno preteže u korist Li-ion baterije. Usporedi li se masa ovih po energiji ravnopravnih baterija, tada Li-ion baterija ima 55 kg, a olovna baterija čak 1040 kg. Može se reći da je ista količina energije koja se dostavlja trošilima 1040 / 55 = 19 puta bolje pakirana u Li-ion baterijama! Slikom 10. se argumentirano raščišćava ekonomska strana primjene Li-ion baterije i „posprema“ olovna baterija u povijest kamo zapravo i pripada. Uz Li-ion baterije i upravo opisano razmišljanje se zaista mora zapitati da li smo dovoljno bogati kupovati i dalje olovne baterije u sustavima s dubokim pražnjenjima?
2.5 Gustoća pohrane energije
Danas poznati i istraženi tipovi Li-ion baterije se nazivaju prema materijalu iz kojeg je izrađena katoda, dok je anoda u svim ovim tipovima od grafita. Oni se razlikuju po količini energije koja se može spremiti u kg baterije. Zašto se komercijalno ne koriste samo baterije s najvećom gustoćom tj s 250 Wh/kg? Li-ion baterije su osjetljive na prepunjivanje i pretjerano pražnjenje pa je u smislu sigurnosti danas najsigurniji tip LiFePO4 litij-željezo-fosfat baterija, skraćeno: LFP baterija. LFP baterije su tako komercijalno dostupne dok su sve ostale baterije još u istraživačkim laboratorijima gdje se rješavaju otvoreni tehnološki zadaci.
3 Nadzor LFP baterije u radu
Napon osnovne ćelije LFP baterije je 3,2 V. Napon osnovne ćelije olovne baterije je bio 2 V. Spajanjem 4 ćelije u seriju dobiva se nazivno 12,8 V baterija, a spajanjem 8 ćelija u seriju dobiva se nazivno 25,6 V baterija. Ako napon na ćeliji padne ispod 2,5 V u većini slučajeva ćelija će se nepovratno razoriti. Može se pokušati „oživljavanje“ takve ćelije punjenjem malom strujom od 0,1C. Isto će se dogoditi i ako napon na ćeliji preraste 4,2 V. Posebno opasan je previsok napon na ćeliji koji može u konačnici izazvati eksploziju. Važno je znati da se u procesu punjenja ne događa samoujednačavanje ćelija i da ćelije nisu nikada proizvodno potpuno jednake pa je moguće da neka ćelija bude prepunjena, odnosno uništena iako je napon punjenja za cijelu bateriju u zadanim granicama. Stoga LFP baterije moraju imati uređaj za nadzor stanja ćelija s ujednačavanjem stanja napunjenosti ćelija jer on će voditi računa o svakoj ćeliji posebno za vrijeme punjenja, tj da je svaka ćelija uvijek u granicama dozvoljenog napona, odnosno vodit će računa o ćelijama za vrijeme pražnjenja, tj dati će nalog za odspajanje trošila ako bi napon pao na nekoj ćeliji ispod dozvoljenog. LFP baterije su jednostavnije za punjenje od olovnih baterija. Napon punjenja može varirati od 14 do 15 V, odnosno od 28 do 30 V.
Za olovnu bateriju vrijedi da će ona ubrzano stariti kroz neželjeni proces nepovratne sulfatizacije ako se ne puni redovito (najmanje jednom mjesečno) do punog kapaciteta, odnosno ako ostane polovično napunjena kroz neko dulje vrijeme (preko mjesec dana!). LFP baterije ne moraju biti napunjene do kraja i to je njihova prednost. Čak i u dugotrajnom stanju polunapunjenosti ne gube kapacitet kao što je slučaj s olovnim baterijama. LFP baterije mogu davati energiju u širokom rasponu temperatura od -20 °C do + 50 °C, no puniti ih se smije samo pri temperaturi višoj od 5 °C na više. Kako LFP baterije ne moraju za održavanje svoga zdravlja biti napunjene do kraja, tako pri spajanju u paralelu neće doći do ubrzanog starenja ako neka baterija u paralelnom slogu ili serijskom slogu trajno bude slabije napunjena od druge! Pri spajanju olovnih baterija u paralelu posebno se pazi da priključni kabeli do punjača budu jednakog otpora kako neka baterija ne bi trajno ostajala slabije napunjena čime bi s vremenom izgubila kapacitet, tj ubrzano starila. Isto pravilo vrijedi i ovdje, ali ipak nešto manje kritično jer LFP baterija koja nije redovno napunjena do kraja ne stari ubrzano!
LFP baterije moraju imati uređaj za nadzor stanja baterije (engl. battery management system, kratica: BMS uređaj). BMS uređaj vodi računa o svakoj ćeliji posebno za vrijeme punjenja kako bi u procesu punjenja i pražnjenja svaka ćelija bila uvijek u dozvoljenim granicama napona. Ako bi pri punjenju napon neke ćelije porastao preko dozvoljene granice, BMS uređaj će dati signal za isključenje punjenja baterija i tako spriječiti razaranje ćelije, odnosno uništenje baterije. BMS uređaj će voditi računa i prilikom pražnjenja baterije, tj dat će nalog za odspajanje trošila ako bi napon pao na nekoj ćeliji ispod razine dozvoljenog. U samoj bateriji se uz svaku ćeliju nalazi sklop za ujednačavanje napona ćelije koji osim funkcije ujednačavanja napona stalno mjeri napon i temperaturu pojedine ćelije. Sklop za ujednačavanje napona ćelija u samoj bateriji vodi računa da one ćelije koje se pune „brže“ pričekaju one koje se pune „sporije“. Sve kako bi se na kraju punjenja sve ćelije ujednačile naponom do razlike od 10 mV. Kako se to radi? One ćelije koje imaju previsoki napon pri kraju punjenja dopunjavaju one ćelije koje imaju preniski napon.
Na slici 12. se vidi da LFP baterija osim energetskih priključaka ima još i informacijske priključke. BMS uređaj preko ovih informacijskih priključaka komunicira s elektronskim sklopom za ujednačavanje napona ćelija u samoj bateriji i prati stanje svake ćelije. BMS može tako proizvesti signal za odspajanje tereta ako je neka ćelija ispod 2,5 V, odnosno proizvesti signal za zaustavljanje punjenja ako je neka ćelija preko 4,2V. Prati se i mjeri temperatura svake ćelije pa se tako dopušta rad samo dok je temperatura u nekoj ćeliji ispod 50 °C . Ako je pri punjenju baterije temperatura baterije manja od 5 °C tada BMS stvara signal za prekid punjenja. Tako opremljene baterije se mogu spajati u seriju do 4 komada i u paralelu do 10 komada. Razumijevajući upravo rečeno za uočiti je i kako se nove tvorničke baterije prije spajanja u serijsko paralelne kombinacije moraju napuniti samostalno do kraja, jer iz tvornice isporučuju napunjene s otprilike 50 % kapaciteta i s neujednačenim ćelijama. Samo tako omogućit će se odmah pri startu puni kapaciteta sloga baterija sastavljenog iz serijskih i paralelno spojenih baterija. Punjenje novih baterija se izvodi uz napon 14,2 V i uz struju ne veću od C/20 (1/20 kapaciteta baterije).
Preporučeni napon punjenja je 14 do 14,4 V (optimalno 14,2 V). Preporučeni napon mirovanja, dakle kada baterija nema niti ulaza niti izlaza struje je 13,5 V. Baterije bi bilo dobro jednom mjesečno puniti s 14 do 14,4 V kako bi se ćelije pouzdano ujednačile. Preporučena ustaljena struja pražnjenja je do 1C, a ustaljena struja punjenja do 0,5 C.
Važno je za uočiti da će BMS uređaj za nadzor baterije isključiti trošila prije razaranja baterije no gotovo u svakoj primjeni odlučit će se da neki uređaji ostaju trajno spojeni na bateriju – primjer za to je sam BMS. Nakon što je BMS detektirao razinu preniskog napona i odradio isključenje trošila, tada se iz baterije do njena uništenja smije izvući još svega 1% kapaciteta (1 Ah za 100 Ah bateriju). Trošilo koje troši 10 mA iz baterije 200 Ah može tako ostati priključeno još samo 8 dana prije nego što će 10 mA struja uništiti skupocjenu bateriju.
LFP baterije imaju ugrađeno Bluetooth sučelje pa je moguće preko pametnog telefona pratiti stvarno stanje svake ćelije. Na slici 13. je prikazano nekoliko uređaja za nadzor stanja baterija.
- Zaključak
Opisane su osnovne značajke Li-ion baterija. Vjerujemo da smo ovim prikazom pojasnili zabludu „visoke“ cijene Li-ion baterija. Međutim Li-ion baterije uz sve prednosti kompaktnog pakiranja energije imaju svoja ograničenja i moraju biti nadzirane, tj mora im se pravovremeno zaustaviti punjenje kada su pune, odnosno potrošnja kada su prazne. Već i jednokratni prelazi pragova uništit će ovu modernu bateriju. Srećom proizvođači baterija uvijek daju rješenje nadzora baterije u radu. Na kraju jedino je važno da ste naučili uspoređivati baterije i zdravom pameti prosuđivati koja će biti vaš izbor za duboko pražnjenje, jer ako su danas to LFP baterije, već sutra ujutro će se pojaviti neke „nove“ koje će trgovački biti prikazane kao „savršene i upravo idealne“ baš za vašu primjenu. I da, morat ćete znati izabrati ili ćete prihvatiti priču trgovca koji ne mora uvijek biti na vašoj strani!