AKUMULATORSKE BATERIJE ZA SUSTAVE BESPREKIDNOG NAPAJANJA BATTERIES FOR UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY SYSTEMS
Mr.sc. Javor Škare, dipl.ing.el. KONČAR - Inem Zagreb - Hrvatska Sažetak: Akumulatorske baterije predstavljaju najvažniji dio sustava za besprekidno napajanje. O njima ovisi da li će besprekidnost biti osigurana i koliko će trajati. Danas se proizvodi veliki broj akumulatorskih baterija s najrazli čitijim karakteristikama koje pri izboru baterija name ću brojne dileme. Ovisno o postrojenju ili specifi čnostima trošila koja se napajaju, postoje razli čiti sustavi za besprekidno napajanje. Različitim sustavima primjerene su i razli čite akumulatorske baterije. Člankom se nastoje utvrditi razlike između NiCd i olovnih akumulatorskih baterija koje se danas naj češće koriste u sustavima besprekidnog napajanja. Također su ukratko opisane i akumulatorske baterije Ni-MH na bazi litija (Li-ion, Li-poly, Li-ion-poly) čiji je razvoj posljednjih godina ubrzan pa su se danas već razvila rješenja pogodna za ugradnju u sustave za besprekidno istosmjerno napajanje -48 V za telekomunikacije, a javljaju se i pokušaji njihove primjene primjene i u sustavima za besprekidno istosmjerno napajanje 220 V za upravljanje, zaštitu i signalizaciju u elektroenergetskim postrojenjima. Danas se razvijaju i tehnologije koje vjerojatno predstavljaju budu ćnost u pohrani energije i koje će u nadolazećem vremenu možda istisnuti suvremene akumulatorske baterije iz primjene. To su u prvom redu superkondenzatori (elektrokemijski ili ultrakondenzatori), gorive ćelije, nuklearne baterije i bio-baterije. Ključne riječi: akumulatorske baterije, VRLA, gel, NiCd, Ni-MH, Li-ion, Li-poly, Li-ion-poly, punjenje, pražnjenje, besprekidno napajanje, ispravljači, izmjenjivači, sustavi za napajanje 1.
- regulacijske sklopke transformatora - sustavi telekomunikacija, - sustav mjerenja.
UVOD
Sustavi za besprekidno napajanje namijenjeni su za napajanje posebno važne ili specifi čne opreme odgovarajućim kvalitetnim istosmjernim ili izmjeničnim naponom. Sve je veći broj najraznovrsnijih uređaja koje nije dozvoljeno priključiti direktno na mrežu, jer ne će funkcionirati ispravno ili čak može doći do vrlo skupih oštećenja. Za njih je neophodna zaštita od tranzijentnih prenapona i različitih interferiranih napona smetnji. Osim toga, može biti bitna i stabilizacija napona, koji inače varira u preširokim granicama. Me đutim, najčešći je problem s prekidima u napajanju. Oni mogu trajati vrlo kratko, tako da ih obi čno trošilo i ne osjeti, a mogu trajati i satima. U svim slu čajevima je neophodno besprekidno napajanje. Sustavi istosmjernog napajanja koriste se za napajanje najzahtjevnijih potrošača koji uvjetuju besprekidan napon i u slučaju nestanka mrežnog ili pomo ćnog agregatskog napajanja. U elektroenergetskim postrojenjima to su sljedeći potrošači: -
Besprekidnost napajanja postiže se aktivnim oslanjanjem na rezervni izvor energije. Za to se najprikladnijom pokazala kvalitetna akumulatorska baterija. U slučaju ispada ili nedopustivog odstupanja napona mreže, napajanje priklju čenih trošila preuzima uvijek spremna akumulatorska baterija. Kod sustava za besprekidno napajanje istosmjernim naponom napon baterije direktno se proslje đuje napajanim trošilima. U normalnom pogonu trošila su na stabilnom naponu ispravljača. Pri ispadu napona mreže isklučuje se i napon ispravlja ča, ali za trošila se ništa ne mijenja, jer ih nastavlja napajati akumulatorska baterija. Tijekom pražnjenja baterije napon se postupno smanjuje, ovisno o struji pražnjenja.
2.
SPECIFIČNOSTI POSTROJENJA, TROŠILA I UVJETA RADA
2.1. Vrste sustava za besprekidno besprekidno napajanje
sustavi zaštite i upravljanja, daljinske stanice, početna uzbuda generatora, havarijske uljne crpke generatora i turbine, upravljački svitci VN, SN i NN prekida ča
Kod sustava za besprekidno napajanje izmjeni čnim naponom napon baterije se pomoću izmjenjivača pretvara u stabilni izmjenični napon koji se dovodi do -1-
trošila. Nakon ispada napona mreže i napona ispravljača, postupno smanjivanje napona baterije uslijed pražnjenja ne odražava se na smanjenje napona na trošilima zbog stabilizatorske funkcije izmjenjiva ča pa snaga kojom se napajaju trošila ostaje konstantna. Istosmjernim sustavima se za vrijeme pražnjenja smanjenjuje napon. Kod nekih trošila (omskih) proporcionalno naponu opada i struja, kao i snaga, dok kod drugih (opremljenih internim DC/DC pretvara čima) struja raste i snaga ostaje konstantna. Kod izmjeničnih sustava se, dakle, pražnjenje vrši isljučivo konstantnom snagom dok je kod istosmjernih sustava kombinirano!
baterije da bez oštećenja izdrži potreban broj ciklusa punjenja i pražnjenja.
2.4. Klimatski uvjeti Često
se sustavi za besprekidno napajanje zajedno s zatvorenom olovnom akumulatorskom baterijom ugrađuje u isti prostor kao i oprema koja se napaja. Ako je to specifi čna i vrlo zahtjevna oprema, prostorija mora biti klimatizirana. Tada baterije dospijevaju u idealne klimatske uvjete, koji će im u velikoj mjeri omogu ćiti ispunjenje deklariranog životnog vijeka. Sasvim suprotno od ovih uvjeta, postoje pogoni gdje se ne mogu izbjeći utjecaji okoline i baterije dospijevaju u vrlo nepovoljne, čak i ekstremne uvjete. Visoke i niske temperature veliki su neprijatelji baterija. Dugotrajna izloženost povišenoj temperaturi znatno će skratiti životni vijek baterije. Niske temperature u nešto manjoj mjeri, ali one sprječavaju njezinu osnovnu funkcionalnost, jer s padom temperature opada i raspoloživi kapacitet. Najnepovoljniji uvjeti su u željezničkom transportu, gdje su baterije osim ekstremnim temperaturama izložene i snažnim vibracijama. Osim što su neke vrste baterija ve ć po sebi otpornije na nepovoljnije klimatske uvjete (NiCd), proizvođači baterija trajno nastoje prilagoditi svoje proizvode svim mogućim uvjetima. Međutim, to sve znatno utje če na cijenu, kao i na izbor ostale opreme, tako da je pri izboru vrste baterije potrebno posebnu pažnju posvetiti usklađivanju s uvjetima okoline.
2.2. Intenzitet pražnjenja baterije Specifičnost pogona, procesa ili napajanog ure đaja određuje osnovne parametre sustava za besprekidno napajanje. Jedan od bitnih kriterija je predvi đeno trajanje autonomnog rada, o čemu ovisi intenzitet pražnjenja baterije. Npr. kada je sustav za besprekidno napajanje u konfiguraciji s diesel agregatom, energija baterije je često odabrana samo za osiguranje besprekidnosti do sigurnog starta agregata. Slično kao i kada se napajaju računala koja bez mreže ne moraju raditi, ali ne smiju biti naprasno isključena zbog gubitka podataka ili neregularnog završetka procesa. Tada akumulatorska baterija treba osigurati napajanje do završetka automatskog kontroliranog isključenja računala (shut down). U ovakvim pogonima pražnjenje baterije traje svega nekoliko minuta (10 – 15 min) i vrlo je intenzivno. Česti su pogoni u kojima nema diesel agregata, a autonomni rad mora trajati najmanje 3 do 5 sati. Zahtjev za tom autonomijom je najčešći za većinu elektrana te prijenosnih i distributivnih transformatorskih stanica, bez obzira da li su ispravljači priključeni na diesel agregat ili nisu.. U brojnim dislociranim objektima (odašiljači, telekomunikacije, plinovodi, naftovodi i sl.) zahtijeva se napajanje iz baterije i do 24 sata. Tada je pražnjenje baterije najsporije. Trajanje pražnjenja, odnosno intenzitet pražnjenja, važan je podatak pri izboru vrste akumulatorske baterije, jer su neke predviđene za kratka, a druge za duga pražnjenja.
3.
STACIONARNE AKUMULATORSKE BATERIJE
3.1. Uvod Akumulatorske baterije predstavljaju obnovljivi kemijski izvor električne energije te služe kao rezervni izvor električne energije u elektroenergetskim postrojenjima. One su priključene na sabirnice istosmjernog pomoćnog napona paralelno s ispravljačima koji se napajaju iz izmjeni čne mreže. Dok je izmjenična električna mreža prisutna, baterije su u režimu stalnog nadopunjavanja, a istosmjerne potroša če napajaju ispravljači. Kad nestane napajanja iz izmjenične električne mreže, akumulatorske baterije preuzimaju napajanje potrošača osiguravajući besprekidnost napona. Akumulatorske baterije koje se trajno postavljaju i održavaju u energetskom postrojenju nazivaju se stacionarnim baterijama. Na slikama 1 i 2 predočen je izgled i presjek 12 V olovne akumulatorske baterije.
2.3. Učestalost pražnjenja baterije Akumulatorske baterije (posebno VRLA) tijekom predviđenog vijeka trajanja mogu izdržati ograničeni broj ciklusa punjenja i pražnjenja. Postoje brojni pogoni (npr. elektrane i transformatorske stanice) kod kojih do pražnjenja dolazi vrlo rijetko. Međutim, brojni su i pogoni koji se napajaju iz loše mreže, gdje su kraći ili duži prekidi česti ili je napon mreže izvan dozvoljenih granica. U ovakvim slučajevima treba posebnu pažnju posvetiti sposobnosti
-2-
Posljednjih dvadeset godina došlo je do naglog tehnološkog napretka u proizvodnji akumulatorskih baterija. Razlog za to je brzi razvoj sofisticiranih elektroničkih uređaja i mobilnih telekomunikacija. Za te primjene se danas najčešće koriste suhe akumulatorske baterije Li+ (litij-ion), Li-polimer (Li-poly), Li-ion polimer (Li-ion-poly) i NiMH (nikal-metal-hibrid) koje su iz upotrebe gotovo istisnule zatvorene NiCd i olovne akumulatorske baterije. Međutim, za stacionarne primjene kod kojih su akumulatorske baterije u pravilu velikih kapaciteta (od nekoliko desetaka do više tisu ća Ah), u komercijalnoj upotrebi su i dalje naj češće olovne ili NiCd akumulatorske baterije. Ipak, danas ve ć postoje pokušaji korištenja NiMH i Li-ion akumulatorskih baterija i za stacionarne primjene (Najsvježiji primjer je ugradnja jedne Li-ion akumulatorske baterije 220 V, 210 Ah, proizvednje SAFT, 2006. godine u hidroelektrani Älvkarleby u Švetskoj!). Šezdesetih godina 20. stolje ća na tržištu su se pojavile zatvorene olovne baterije, najprije s gel elektrolitom, a zatim s apsorbiranim elektrolitom,. Njihova zna čajnija upotreba za stacionarne primjene po činje sredinom osamdesetih godina. Desetak godina poslije pojavile su se i ULM ( ultra-low maintenance) NiCd baterija koje su, također, pogodne za stacionarne primjene. Od akumulatorskih baterija uglavnom se o čekuje: - velika specifična energija koja se mjeri raspoloživim Ah/kg (Wh/kg), - dugotrajnost, - malo samopražnjenje, - mogućnost izvršenja velikog broja ciklusa punjenja i pražnjenja, - kratko vrijeme punjenja, - niska cijena. Niti jedna vrsta od brojnih olovnih i NiCd baterija ne udovoljava univerzalno navedenim očekivanjima. U rasklopnim postrojenjima izbor vrste i tipa stacionarne akumulatorske baterije treba razmotriti odvojeno za svako konkretno mjesto ugradnje. Navest će se najvažnija svojstva koja se pri tome mogu uzimati kao kriterij za odabir baterije: - dugotrajnost, - specifična energija (raspoloživi Ah ili Wh/kg), - otpornost na iznenadni gubitak kapaciteta, - pogodnost za rad u režimu trajnog nadopunjavanja (mjerodavna je visina napona ispravljača tijekom nadopunjavanja baterije), - otpornost na visoke i niske temperature, te ostale uvijete okoline, - razina rekombinacije plinova, - potreba za održavanjem (periodičko dolijevanje vode), - mogućnost smještanja uz ostalu opremu, - zahtjevi koje akumulatorska baterija postavlja na ispravljač (režimi punjenja, visina dozvoljene izmjenične komponente struje punjenja, temperaturna regulacija, podnaponska zaštita itd.), - sposobnost savladavanja udarnih opterećenja,
Legenda:
1 – posuda 2 – pozitivna i negativna elektroda (sastavljene od više ploča) 3 – separator izra đen od poroznog sintetičkog materijala 4 – elektrolit, vodom razblažena sumporna kiselina 5 – polovi Slika 1. Osnovni presjek akumulatorske baterije
Članak: pozitivna i negativna elektroda sa separatorom
Vodljiva veza između članaka
Slika 2. Električ ke veze unutar akumulatorske baterije
Akumulatorske baterije se za stacionarne primjene koriste od sredine 19. stolje ća kada je Gaston Planté izradio prvu olovnu akumulatorsku bateriju s velikom pozitivnom pločom (tip Gro). Ovaj tip olovnih akumulatorskih baterija se, uz izvjesne modifikacije, i danas proizvodi. Tijekom druge polovice 19. i početkom 20. stoljeća pojavili su se i ostali tipovi klasičnih olovnih baterija (rešetkaste, cjevaste ili oklopljene te s okruglim plo čama). Uz klasične olovne akumulatorske baterije, za stacionarne primjene se koriste i NiCd baterije. One su otpornije na promjene temperature, a tako đer su pogodnije za primjene s učestalijim cikličkim punjenjima i pražnjenjima. NiCd baterije se najčešće koriste u područ jima s ekstremno niskim i ekstremno visokim temperaturama. Ograničavajući faktor široj upotrebi NiCd baterija je značajno (od 2.5-3.5 puta) viša cijena u odnosu na olovne baterije, a u najnovije vrijeme i ekološki razlozi.
-3-
-
3.2.
otpornost na povremena duboka pražnjenja, otpornost na ciklička opterećenja, brzina punjenja ispražnjene baterije, visina struje kratkog spoja, ukupna cijena, odnos ukupne cijene i predvidivog životnog vijeka.
Akumulatorske baterije s velikom pozitivnom pločom. Ovaj tip akumulatorskih baterija se zove i ''Gro'' ili danas naj češće ''GroE'' (velike pozitivne plo če stisnute izvedbe). Pozitivna ploča je izvedena od olova velike čistoće (99,99%). Aktivni materijal (PbO2) nije utisnut nego se oblikuje kemijskim putem (oksidacijom) oko olovne ploče. Budući da je prete ča ovog tipa olovne akumulatorske baterije ona koju je izumio Gaston Planté ona se često zove i 'Plante' baterija. GroE akumulatorske baterije su dostupne s kapacitetima od 75-2600 Ah, a elektrode se izvode paralelnim spajanjem ploča nazivnog kapaciteta od 25 do 100 Ah. Predvidivi životni vijek ovih baterija može biti vrlo dugačak, ima odlična svojstva pri kratkim pražnjenjima od nekoliko sekundi, a pogodne su i za dugotrajna višesatna pražnjenja. Nedostaci su joj velike dimenzije i težina, vrlo visoka cijena te loša svojstva pri cikli čkim opterećenjima. Naime, kod ovog tipa izvedbe aktivni materijal prianja uz pozitivnu ploču bez dodatnih nosa ča pa pri čestim cikličkim opterećenjima može doći do rasipanja aktivne mase što vodi smanjenju životne dobi ili kratkom spoju ćelije.
Olovne akumulatorske baterije
Postoje dvije osnovne izvedbe olovnih akumulatorskih baterija za stacionarne primjene. Prve su otvorene ili klasične olovne akumulatorske baterije, a druge su zatvorene ventilom regulirane olovne akumulatorske baterije.
3.2.1. Otvorene olovne akumulatorske baterije Naziv otvorene olovne akumulatorske baterije koristi se za sve klasične akumulatorske baterije koje je tijekom eksploatacije potrebno održavati, odnosno nadolijevati vodu. Taj naziv ne opisuje najbolje suvremene klasi čne olovne akumulatorske baterije budu ći da on proizlazi od toga što su starije izvedbe tih baterija imale posudu potpuno otvorenu odozgo. Kod njih je voda slobodno isparavala, kisele pare su nesmetano razarala okoliš, a bilo se nemoguće zaštititi od ulaženja ne čistoća iz okoline u ćelije. Zbog toga se danas "otvorene" olovne akumulatorske baterije naj češće izvode ''zatvorene'' sa čepom posebne izvedbe koji omogu ćuje izlaženje plina iz ćelije u okolinu, a moguće ga je i potpuno otvoriti radi povremenog nadolijevanja destilirane vode u ćelije. Olovne akumulatorske baterije (otvorene kao i zatvorene) razlikuju se i prema izvedbi pozitivnih plo ča. Naime, razne izvedbe pozitivnih ploča daju akumulatorskim baterijama i razna svojstva. Negativne ploče su kod svih tipova akumulatorskih baterija najčešće izvedene na isti na čin. Kod njih je aktivni materijal vrlo porozno čisto olovo (Pb) utisnuto u čvrstu rešetku od olovne legure. Naj češće su legure s primjesama antimona (Sb) ili kalcija (Ca). Antimon se koristi jer poboljšava mehaničku tvrdoću i otpornost na koroziju. Međutim, posljednjih godina je postotak antimona koja se dodaje u leguru zna čajno smanjen jer antimon ubrzava plinjenje (gubitak vode) i samopražnjenje akumulatorskih baterija. Ipak legura olova i antimona se još uvijek naj češće koristi za izradu negativnih ploča otvorenih akumulatorskih baterija dok se za zatvorene, ventilom regulirane, akumulatorske baterije koristi legura olova i kalcija. Legura olova s kalcijem kod zatvorenih olovnih akumulatorskih baterija predstavlja kompromis jer uz to što smanjuje plinjenje, što je važno za zatvorene akumulatorske baterije jer kod njih ne postoji mogućnost nadolijevanja vode, ona ima i više negativnih efekata kao što su podložnost pojačanoj koroziji (ubrzano starenje) ili smanjenje električne vodljivosti. Postoji nekoliko osnovnih izvedbi pozitivnih plo ča olovnih akumulatorskih baterija, i to:
Akumulatorske baterije s rešetkastom pozitivnom pločom. Ovaj tip akumulatorskih baterija zove se "Gi" ili u novijim izvedbama naj češće "OGi". Aktivni materijal (PbO2) je slično kao i kod negativnih ploča utisnut u čvrstu rešetku od olovne legure. Rešetka pomaže da aktivni materijal bolje prianja uz pozitivnu ploču. Zbog toga OGi baterije pokazuju dobra svojstva tijekom cikličkih opterećenja. OGi akumulatorske baterije su dostupne s kapacitetima od 200-3500 Ah, a elektrode se izvode paralelnim spajanjem ploča nazivnog kapaciteta od 25 do 100 Ah (slično kao i kod GroE baterija). Njihov predvidivi životni vijek je nešto kra ći od GroE baterija- I OGi baterije imaju dobra svojstva pri kratkim pražnjenjima te se u te svrhe naj češće i koriste. Manjih su dimenzija i težine te niže cijene od GroE baterija, a imaju bolja svojstva pri cikli čkim opterećenjima od GroE baterija. Akumulatorske baterije s cjevastom ili oklopljenom pozitivnom pločom. Ovaj tip akumulatorske baterije zove se "PzS" ili u novijim izvedbama "OPzS". Izraz "oklopljene" dolaze od čvrstog pojasa koji drži aktivni materijal (PbO2) pričvršćen oko olovne jezgre, a istovremeno je i porozan za elektrolit. Specijalni sintetički materijali koji se u posljednje vrijeme koriste pri izradi ovog tipa baterija značajno su poboljšali njihova svojstva. Pozitivne ploče ovog tipa baterija sli če na niz cjevčica pa se zbog toga zovu i cjevaste akumulatorske baterije. Čvrsti pojas koji drži aktivni materijal onemogućuje rasipanje aktivnog materijala pa je ovaj tip akumulatorskih baterija naročito pogodan za česta ciklička opterećenja. OPzS olovne akumulatorske baterije su dostupne s kapacitetima od 150-12000 Ah, a elektrode se izvode paralelnim spajanjem ploča nazivnog kapaciteta od 50 do 250 Ah. Predvidivi životni vijek ovih baterija je nešto kraći od GroE baterija, ona imaju loša svojstva pri
-4-
kratkim pražnjenjima zbog velikog unutrašnjeg otpora i najčešće se koriste za duga pražnjenja ili na mjestima gdje se očekuju česta ciklička opterećenja, a manjih su dimenzija i težine te niže cijene od GroE baterija.
okoline, što ima za posljedicu trajno gubljenje kapaciteta, ovisno o temperaturi i njezinom trajanju. Zatvorene olovne akumulatorske baterije su podložne svim kvarovima koji su mogu ći i kod klasičnih olovnih baterija, ali kod njih može doći i do havarije uslijed “termičkog pobjega”, kvara koji nije svojstven klasičnim olovnim baterijama. “Termički pobjeg” nastaje uslijed rekombinacije kisika kroz imobiliziraju ći elektrolit (separator). U nenormalnim radnim uvjetima, posebno pri visokim radnim temperaturama ili previsokom naponu punjenja, zatvorena baterija se može zagrijati brže nego što toplinu može predati okolini. U tom slučaju će temperatura baterije narasti toliko da će plastična posuda oslabiti, pu ći i rastopiti se. Štetan utjecaj povišenih temperatura okoline moguće je kod zatvorenih olovnih akumulatorskih baterija ublažiti temperaturnom regulacijom napona ispravljača. Budući da realno nije mogu će osigurati da ne do đe do neželjenih režima rada u kojima baterija ispušta vodik i kod zatvorenih olovnih baterija je potrebno predvidjeti minimalno potrebno ventiliranje (najčešće je dovoljna prirodna ventilacija). Zbog istog razloga potrebno je bateriju udaljiti od uređaja koji se pretjerano griju ili iskre. Zatvorene olovne akumulatorske baterije proizvode se malih kapaciteta, od svega desetak Ah, ali i velikih kapaciteta od nekoliko tisu ća Ah. Predvidivi životni vijek im je za normalne izvedbe 3-5 godina, ali postoje ''long life'' baterije čiji je predvidivi životni vijek i do 20 godina. S obzirom na tehnologiju izrade postoje dva tipa zatvorenih olovnih akumulatorskih baterija: - Zatvorene olovne akumulatorske baterije s apsorbiranim elektrolitom - Zatvorene olovne akumulatorske baterije s gel elektrolitom.
3.2.2. Zatvorene olovne akumulatorske baterije (VRLA) VRLA (Valve Regulated Lead-Acid ) baterije su potpuno zatvorene, s izuzetkom ventila koji služi za osloba đanje plinova u havarijskim uvjetima punjenja. Kod ove vrste akumulatorskih baterija, za razliku od otvorenih ili klasičnih olovnih akumulatorskih baterija, provodi se rekombinacija plinova tijekom punjenja. Kemijske reakcije tijekom rekombinacije su sljede će: (1) (2) (3) (4)
+
-
2H2O ⇒ 4H +O2+4e 2Pb+O2 ⇒ 2PbO PbO+H2SO4 ⇒ PbSO4+H2O + PbSO4+2H +2e ⇒ Pb+ H2SO4
Naime, pri kraju procesa punjenja dolazi do elektrolize vode. Na pozitivnoj ploči se tada stvara kisik, a na negativnoj ploči vodik. Kod klasičnih olovnih baterija zbog elektrolize dolazi do gubitka vode. Prvo se po čne na pozitivnoj ploči oslobađati kisik (1). Vodik se pak na negativnoj ploči počinje oslobađati tek kad je proces punjenja praktički završen. Onaj dio kisika koji dospije do negativne ploče ne odlazi u zrak već na njoj reagira s olovom i stvara olovni oksid (2). Olovni oksid zatim reagira sa sumpornom kiselinom i nastaje olovni sulfat (3). Rezultat ovih reakcija je samopražnjenje negativne ploče. To samopražnjenje se kod odre đene razine napunjenosti ujednači s istovremenim punjenjem (4). Navedeni proces se događa i kod klasičnih baterija, ali kod njih samo mali dio stvorenog kisika dospijeva do negativne ploče pa se kisik uglavnom ispušta u okolinu, a na kraju punjenja negativna plo ča se dovoljno napuni pa se na njoj počne u okolni zrak ispuštati eksplozivni vodik. Za razliku od klasi čnih baterija, VRLA-e baterije su tako konstrukcijski riješene da prakti čki sav kisik koji se oslobodi na pozitivnoj ploči dospijeva do negativne ploče gdje se tada odvija opisani proces rekombinacije. Rezultat tog procesa je taj da se negativna plo ča nikako ne uspijeva napuniti do razine pri kojoj započinje proces oslobađanja vodika. Dok se kod otvorenih ili klasičnih olovnih baterija gubitak vode treba redovito nadomještati, kod VRLA-ih baterija to nije potrebno (ni moguće). Zbog toga se za VRLA-e baterije kaže da su "bez održavanja". Vrlo niska razina oslobađanja eksplozivnog vodika omogućuje pak postavljanje VRLA-ih baterija uz ostalu opremu te njihovu ugradnju u razvodne ormare. Punjenje izvan točno propisanih naponskih okvira može ipak uzrokovati pojavu manje količine eksplozivnog vodika koji se osloba đa kroz ispušni ventil. U slu čaju da se takvi uvjeti punjenja zadrže duže vrijeme, do ći će do preranog gubitka kapaciteta akumulatorske baterije. VRLE baterije su osjetljivije i na povišene temperature
Zatvorene akumulatorske baterije s apsorbiranim elektrolitom (u daljem tekstu AGM baterije – od Absorptive Glass Mat Recombination Batteries) počele su se proizvoditi sedamdesetih godina 20. stolje ća, a desetak godina poslije proizvedene su prve AGM baterije za stacionarne primjene. AGM baterije sadrže ograničenu količinu tekućeg elektrolita upijenog u separatoru. Separator raspoređuje elektrolit jednoliko i održava ga u kontaktu s elektrodama, a u isto vrijeme omogu ćuje prolaz kisika za vrijeme punjenja, kako bi se mogla realizirati rekombinacija plinova. Ove baterije imaju vrlo male unutrašnje otpore odnosno razvijaju velike struje kratkog spoja. S obzirom na metale iz kojih se izra đuju noseće rešetke ploča pozitivnih elektroda razlikuju se sljedeće izvedbe: - rešetka ploča elektroda iz legure na osnovi olova i male koncentracije antimona - rešetke ploča elektroda iz legure na osnovi olova i kalcija - rešetke ploča elektroda iz čistog olova - rešetke ploča elektroda iz legure olova i kositra
-5-
Rešetka ploča elektrode, vidi sliku 3.3., je vodljiva konstrukcija koja nosi aktivni materijal (Pb i PbO 2) te osigurava električnu vodljivu vezu prema baterijskim polovima. Glavni uzroci koji ograničavaju životni vijek olovnih akumulatorskih baterija su isušivanje elektrolita i korozija pozitivne elektrode. Isušivanje elektrolita je rezultat elektrolize vode. Elektrolit olovnih baterija osim sumporne kiseline dobrim dijelom sadrži i vodu. Naime, ako kroz vodu prolazi električna struja ona se razgrađuje na plinove vodik i kisik. Plinovi uslijed elektrolize prije svega se stvaraju uz površinu elektroda pokušavaju ći ''izići'' iz posude. Elektrode služe kao neka vrsta katalizatora za stvaranje plinova. Da bi došlo do elektrolize vode moraju biti zadovoljena dva uvjeta. Prvi je da napon mora biti minimalno 1.2 V i on je zadovoljen kod svih olovnih baterija. Kad bi taj uvjet bio jedini, plinovi bi se stvarali i onda kada je baterija odvojena od potroša ča. Međutim, svi materijali nisu jednako dobri katalizatori. Čisto olovo i legura olova i kositra su loši katalizatori.
akumulatorskih baterija. Kao što je već rečeno, ti materijali su loši katalizatori pa ne izazivaju isušivanje elektrolita, a vrlo su otporni na koroziju pozitivne elektrode. AGM baterije s rešetkom od čistog olova najotpornije su na koroziju pozitivne elektrode i isušivanje, ali su podložne, za razliku od baterija s rešetkom od legure olova i kositra, iznenadnom gubitku kapaciteta koji nastaje zbog pojave neaktivnog sloja između rešetke ploče elektrode i aktivnog materijala. Većina AGM baterija koje su danas koriste za stacionarne primjene u elektroenergetskim postrojenjima izvedene su s rešetkastim pozitivnim pločama premazanim aktivnom masom, a rešetke su od legure na osnovi olova i kalcija, te imaju deklarirani životni vijek "long life", 12+ godina. Danas se proizvode i AGM baterije s rešetkama na osnovi legure olova i kositra ili čistog olova s deklariranim životnim vijekom baterije i do 20 godina. Razumljivo je da na životni vijek akumulatorskih baterija ne utječe samo vrsta i debljina materijala iz kojeg se izrađuju rešetke ploča elektroda. Proizvođači AGM baterije koriste razne materijale i rješenja za: - Izradu posuda, budući da materijal posude mora imati visoku otpornost na prodiranje vlage i moguće mehaničke i termičke deformacije, te što bolju toplinsku vodljivost. - Tehnologiju izrade rešetke ploča elektroda te nanošenja aktivnog materijala na rešetku. Pri tom je neobično važno da se tehnološkim postupkom unošenje nečistoća svede na minimum. - Brtvljenje i izvedbu baterijskih polova. - Brtvljenje poklopca i posude.
Rešetka + aktivna masa = ploča
Separator
Slika 3. Struktura ploč e elektrode
Zatvorene olovne akumulatorske baterije s elektrolitom u obliku gela (u daljem tekstu GEL baterije) prvi put su opisane 1958. godine (Jache), a u komercijalnoj upotrebi su od šezdesetih godina. Izvedba GEL baterije je sli čna izvedbi klasičnih baterija osim elektrolita koji zbog velike gustoće nije u tekućem stanju. Struje kratkog spoja ovakvih baterija manje su nego kod AGM baterija. U odnosu na AGM baterije, kod GEL baterija je moguće osigurati dodatnu rezervu u elektrolitu, što ih može učiniti povoljnijima s obzirom na vijek trajanja. Naime, dodatnom rezervom u elektrolitu smanjuje se opasnost od isušivanja članaka. Nažalost, pojava korozije pozitivnih ploča prisutna je kao i kod AGM baterije. GEL baterije su obično teže i ve će u odnosu na AGM baterije. Materijali od kojih se izra đuju ploče elektroda i ostali dijelovi identični su onima kod otvorenih ili klasičnih i AGM baterija. Kod ove izvedbe se pozitivna elektroda najčešće izvodi kao oklopljena ili cjevasta ploča (tip OPzV), ili s rešetkastom pozitivnom plo čom (OGiV).
U slučaju kad se koriste legure na osnovi antimona ili ako se pojavi ne čistoća tijekom izrade elektroda znatno se poveća količina razvijenih plinova. To je razlog zbog čega se legure olova i antimona malo koriste za izradu AGM baterija. Ipak, u slu čajevima gdje se o čekuju češća duboka pražnjenja, npr. ako je baterija priključena paralelno alternativnim izvorima energije (vjetar, sunce), koriste se AGM baterije s pozitivnim pločama od legure olova, kalcija i male koli čine antimona. U tim se slu čajevima koriste dobra svojstva antimona kod cikličkih i dubokih pražnjenja. Električki potencijal prisutan na pozitivnoj elektrodi i prisustvo kisika idealni su uvjeti za pojavu korozije. Legura olova i kalcija je izuzetno podložna koroziji. Kao posljedica korozije javlja se gubitak vodljivosti elektroda. Kod izvedbe rešetki plo ča elektroda iz legure na osnovi olova i kalcija ploče elektroda moraju biti masivnije, kako bi se ublažile posljedice korozije te osigurao dugi vijek trajanja akumulatorske baterije (cca 10 godina). Međutim, povećanjem debljine elektroda smanjuje se njihova aktivna površina, a uslijed toga se smanjuje specifična snaga akumulatorske baterije (Ah/kg). Rešetke izrađene od čistog olova i legure olova i kositra osiguravaju duži vijek i veću specifičnu snagu
3. 3. NiCd akumulatorske baterije NiCd baterije koriste lužinu kao elektrolit. Elektrolit je kalijev hidroksid KOH s malim koli činama litij
-6-
hidroksida LiOH, koji mu popravlja karakteristike pri cikličkim opterećenjima i visokim temperaturama. Aktivni materijal je nikal hidroksid (NiOOH) na pozitivnoj i kadmij (Cd) na negativnoj elektrodi. Elektrolit služi samo za prenošenje elektri čkih iona između elektroda i ne sudjeluje (kao kod olovnih baterija) u kemijskom procesu. Stoga se tijekom punjenja i pražnjenja ne mijenja gustoća elektrolita. Kod NiCd baterija gustoća elektrolita je u rasponu od 1,16 do 1,25. Veće gustoće se primjenjuju za primjene pri nižim temperaturama. Jedan od nedostataka NiCd baterija je nizak napon otvorenog kruga (1.2V) te relativno visoki naponi punjenja i održavanja. Napon održavanja je u granicama 1.41-1.45 V/čl. Napon održavanja je približno 20% viši od napona otvorenog kruga kod NiCd baterija dok je kod olovnih baterija viši za 12%. To usložnjava izvedbu ispravljača u sistemima istosmjernog napajanja koji su za sisteme s NiCd baterijama u pravilu podijeljeni ili se ugrađuju specijalni dropperi (ograničivači napona) koji smanjuju izlazni napon prema potroša čima tijekom punjenja i održavanja. S obzirom na izvedbu elektroda postoji nekoliko vrsta NiCd baterija: - kutijaste, - sintetizirane, - plastikom presvučene ploče, - hibridne izvedbe. Stacionarne NiCd akumulatorske baterije se, danas također, izvode "otvorene" ili "zatvorene" (ventilom regulirane). Iako su otvorene i zatvorene NiCd akumulatorske baterije izvedbom mnogo sličnije nego otvorene i zatvorene olovne akumulatorske baterije razlika između tih dviju izvedbi NiCd akumulatorskih baterija je, također, u tomu što u zatvorene NiCd akumulatorske baterije nije potrebno (ali je moguće za razliku od olovnih zatvorenih akumulatorskih baterija) povremeno dolijevati vodu. Na slici 4 je predočena zatvorene NiCd akumulatorska baterija.
visoke i niske temperature, izmjeni čne komponente napona punjenja ispravljača, te nisu podložne iznenadnim gubicima kapaciteta, kao ni termičkom pobjegu, svojstvu karakteristi čnom za zatvorene olovne baterije. Za smještaj zatvorenih NiCd baterija, tako đer, nisu potrebne posebne prostorije, a mogu se kao i zatvorene olovne akumulatorske baterije ugraditi u razvodne ormare.
3.4. Usporedba baterija
olovnih i NiCd akumulatorskih
Akumulatorske baterije mogu biti različitog životnog vijeka. Nekoliko čimbenika može imati bitan utjecaj na životni vijek zatvorenih olovnih i NiCd baterija: - temperatura okoline, - broj ciklusa punjenje-pražnjenje, ovisno o dubini pražnjenja, - napon punjenja, - izmjenična komponenta struje punjenja/održavanja, - deformacija pozitivne elektrode uslijed korozije, - karbonizacija, - memorijski efekt. Međutim, različite baterije različito podnose štetne utjecaje.
3.4.1. Temperatura okoline Za optimalno iskorištenje, akumulatorsku bateriju treba održavati na temperaturi okoline od 15 °C do 25°C. Sve su akumulatorske baterije osjetljive na visoke temperature. Dužim radom na povišenoj temperaturi znatno se skra ćuje životni vijek baterije. Niske temperature manje imaju utjecaj na skra ćenje životnog vijeka baterija od visokih temperatura, ali niske temperature usporavaju kemijske reakcije te privremeno smanjuju raspoloživi kapacitet akumulatorskih baterija. NiCd baterije su otpornije na ''visoke'' temperature od olovnih. Tako se npr. životni vijek NiCd baterije skrati pri temperaturi 32°C za približno 20%, a olovne baterije za približno 50%. Pored toga se NiCd baterija ne će uništiti pri znatno niskim temperaturama uslijed smrzavanja. Iskoristivi kapacitet NiCd baterija je, također, pri niskim temperaturama za približno 60% viši nego u slučaju olovnih baterija. Da bi se ograni čilo razvijanje plinova i isparavanje elektrolita te na taj na čin usporilo njihovo ubrzano starenje pri visokim temperaturama potrebno je napone održavanja zatvorenih olovnih akumulatorskih baterija mijenjati u ovisnosti o temperaturi baterije. To se postiže upotrebom ispravljača koji imaju mogućnost temperaturne regulacije napona punjenja.
Slika 4. Zatvorena stacionarna NiCd baterija
Zatvorene ventilom regulirane NiCd akumulatorske baterije pojavile su se devedesetih godina prošlog stoljeća. One u normalnim uvjetima rada (napon punjenja 1.42 V/ čl. i temperatura od +10 do +30°C) ne zahtijevaju održavanje (dolijevanje vode). Proizvode se do veličine od cca 500 Ah, a namijenjene su stacionarnim pogonima. Imaju teku ći elektrolit, a životni vijek im je, u pravilu, preko 20 godina. Specifična težina elektrolita im je 1,16. Takav elektrolit sadrži dovoljnu rezervu vode i dolijevanje u normalnom režimu rada nije potrebno. Cijena im je zna čajno veća od odgovarajućih AGM baterija. Manje su osjetljive na
3.4.2. Broj ciklusa punjenje-pražnjenje Olovne baterije mogu, kod nekih izvedbi plo ča elektrode, izdržati veliki broj kratkih ciklusa pražnjenja.
-7-
Međutim, one su sve osjetljive na duboka pražnjenja. Pri tom je važno naglasiti da ponekad kratki i neprimjetni propadi napona mogu teret prebaciti s ispravljača na bateriju te ju cikli čki opterećivati.
3.4.5. Deformacija pozitivne elektrode uslijed korozije Pojavom korozije, karakterističnom za olovne akumulatorske baterije, volumen pozitivne elektrode se povećava, a to dovodi do deformacije mehani čke konstrukcije baterijskog članaka. To može dovesti do iznenadnog gubitka kapaciteta olovnih baterija.
NiCd baterije mogu izdržati veliki broj ciklusa dubokog punjenja i pražnjenja. Starenjem aktivnog materijala, zbog rekristalizacije, dolazi do smanjenja mogu ćeg broja ciklusa. Kako bi se povećale sposobnosti pri cikličkim opterećenjima NiCd akumulatorskim baterijama se u elektrolit (KOH) dodaju veće količine LiOH.
Kod NiCd baterija ne dolazi do korozije i kvarenja mehaničke strukture, tako da kod njih nikada ne dolazi do iznenadnog gubitka kapaciteta.
3.4.3. Naponi punjenja i održavanja
3.4.6. Karbonizacija
Prekoračenjem napona punjenja ili održavanja iznad vrijednosti dovoljne za nadokna đivanje samopražnjenja akumulatorske baterije uzrokovat će pojavu prevelike struje punjenja, povećano isplinjavanje i pojavu korozije pozitivne elektrode. Najbolji je napon dovoljan da baterija ostaje potpuno puna, a da se pri tom stvara najmanje plinova i korozije. Taj napon propisuje proizvođač baterije. Spajanje više članaka baterije u seriju često dovodi do toga da se pojedini članci, uslijed rasipanja napona, pune i održavaju razli čitim naponima. Rasipanje je najveće kod novih akumulatorskih baterija te se postupno smanjuje i stabilizira u prvim mjesecima eksploatacije. Brzina stabilizacije i kona čno rasipanje napona među člancima ovise o kvaliteti akumulatorske baterije.
Karbonizacija se javlja samo kod NiCd baterija. Ona može štetno utjecati na životni vijek i karakteristike prilikom jakih pražnjenja. Karbonat nastaje kao rezultat oksidacije ugljika koji se koristi kao vodljivi materijal na pozitivnoj elektrodi. Može se javljati i pri ispuštanju lužnatog elektrolita u zrak. Nakupljanje prevelikih količina kalijeva karbonata oko polova može prouzročiti dozemni spoj.
3.4.7. Memorijski efekt Memorijski efekt se javlja kod NiCd baterija. Ako je baterija izvrgnuta u čestalim ciklusima kratkog punjenja pražnjenja iste dubine dolazi do naglog gubitka napona. Uzrok je kristalizacija površine negativne elektrode tijekom kratkih ciklusa. Memorijski efekt se naj češće događa u baterijama malog kapaciteta sa sintetiziranom negativnom elektrodom i uglavnom ne predstavlja značajniji problem kod stacionarnih NiCd akumulatorskih baterija.
Napon punjenja i održavanja NiCd baterija je 1.41-1.45 V/čl. Taj napon će održavati članak gotovo potpuno punim i optimirati razgradnju vode. Ipak, optimalan način punjenja NiCd baterija je, za razliku od na čina punjenja olovnih baterija, punjenje konstantnom strujom. Stoga, budući da se stacionarnu bateriju održava punom konstantnim naponom, dolazi nakon dužeg punjenja do smanjenja raspoloživog kapaciteta. Za dimenzioniranje stacionarnih NiCd baterija trebaju se koristiti faktori smanjenja kapaciteta uslijed punjenja NiCd baterija konstantnim naponom ili ih povremeno dopunjavati konstantnom strujom.
4.
ODABIR VRSTE I TIPA AKUMULATORSKE BATERIJE
Pri odabiru akumulatorske baterije prvo je potrebno odabrati vrstu i tip akumulatorske baterije. U to čki 3.1. opisane su osnovne vrste akumulatorskih baterija koje se koriste za stacionarne primjene. Danas se na tržištu pojavljuju mnogi proizvođači koji nude različite tipove svih vrsta akumulatorskih baterija. Pri odabiru tipa i vrste akumulatorskih baterija treba prije svega utvrditi osnovne kriterije koje takova baterija mora zadovoljiti, a nakon toga ih usporediti s podacima koje nudi proizvođač.
3.4.4. Izmjenična komponenta struje punjenja Proizvođači olovnih akumulatorskih baterija, osobito zatvorenih, postavljaju vrlo stroge zahtjeve na prisustvo izmjenične komponente struje pri punjenju i održavanju baterija. Uobičajeni zahtjevi na efektivnu vrijednost izmjenične komponente struje ispravlja ča su od 0,05 do 0.1 C10. Zbog toga je u ispravljače potrebno ugraditi dodatne filtere u izlaznom krugu.
U slučaju starijih postrojenja gdje postoje posebne baterijske prostorije koje zadovoljavaju sigurnosne uvjete za smještaj otvorenih akumulatorskih baterija još uvijek se, zbog njihove manje osjetljivosti, često koriste otvorene olovne akumulatorske baterije.
U odnosu na olovne, NiCd baterije su mnogo otpornije na prisustvo izmjenične komponente struje koja može dosezati i do 0,5 C 5. Zbog toga se za punjenje NiCd baterija mogu koristiti ispravlja či bez dodatnih filtera na izlazu.
Tamo gdje su osigurana mala temperaturna odstupanja na mjestima ugradnje te kvalitetni ispravljači s
-8-
ugrađenim izlaznim filterima i regulacijom izlaznog napona prema temperaturi kao i u ve ćini novih postrojenja najčešće se koriste razli čiti tipovi zatvorenih olovnih baterija.
struje punjenja i pražnjenja nisu pogodne za izuzetno brza pražnjenja i brza nadopunjavanja. U novije vrijeme ubrzano se razvijaju Li-polimer te Liion-polimer baterije. Te vrste baterija smanjile su neke nedostatke Li-ion baterija, ali im je u isto vrijeme reducirana i specifična energija te još više pove ćana cijena. Međutim, razvoj baterija na bazi litija danas je vrlo intenzivan i nije moguće sagledati koji su krajnji dometi njihove primjene. 2006. godine ugrađena je jedna Li-ion akumulatorska baterija u dvostruki sustav istosmjernog napajanja hidroelektrani Älvkarleby u Švetskoj. Baterija se sastoji od 21,6 V, 35 Ah baterijskih blokova, proizvodnje ''Saft'' (šest 3,6 V članaka povezana su u seriji). Deset blokova je spojeno u seriju te se formirala baterija nazivnog napona 216 V. Na koncu je pet baterija spojeno u paralelu te se dobila baterija od 6x35=210 Ah. U istosmjerni sustav koji je dvostruk ugra đena je i druga akumulatorska baterija, olovna, kapaciteta 300 Ah. Tijekom prve godine upotrebe nove Li-ion baterije dogodilo se nekoliko manjih kvarova. Oni nisu izazvali i nestanak baterijskog napona s obzirom na višestruku redundanciju (osim olovne baterije i Li-ion baterija se sastoji od šest paralelnih grana pa u slu čaju ispada jedne grane na trošila je još uvijek priklju čeno pet paralelnih Li-ion baterijskih grana). Neki od proizvođača koji već danas komercijalno proizvode Li-baterije za stacionarne primjene su SAFT, Avestor, GAIA, itd.
Na mjestima gdje se očekuju posebni temperaturni uvjeti (npr. arapske zemlje ili skandinavske zemlje) najviše se koriste otvorene ili zatvorene NiCd akumulatorske baterije.
5.
NOVE TEHNOLOGIJE
5.1. NiMH baterije NiMH baterije su se razvile iz nikal-vodikovih baterija, koje su se koristile u svemirskim istraživanjima. Kod njih se koristi kao jedna od baterijskih elektroda metalhibrid koji predstavlja u isto vrijeme i zalihu vodika. Kao kod NiCd baterija, tako i kod NiMH baterija, za elektrolit se koristi kalijev hidroksid (KOH). Ove baterije karakterizira velika specifi čna snaga (4001000 W/kg), velika specifična energija (do 100 Wh/kg), mogućnost velikog broja cikličkih pražnjenja (oko 500), ne sadrže otrovne tvari kao NiCd baterije, zanemariv memorijski efekt, itd. Nedostaci su im visoka cijena, izraženije samopražnjenje, mali napon otvorenog kruga (1,2 V, kao NiCd) te kra ći životni vijek u odnosu na NiCd baterije. Danas npr., američka tvrtka Cobasys za komercijalnu upotrebu proizvodi stacionarne NiMH baterije kapaciteta 85 Ah namijenjene prvenstveno za ugradnju u sustave istosmjernih napajanja -48 V, za telekomunukacije.
5.3. Tehnologije budućnosti Tehnologije koje se danas intenzivno istražuju, a u budućnosti će vjerojatno biti primjenjive za akumulaciju energije potrebnu za rad sustava besprekidnih napajanja su: - superkondenzatori, - gorive ćelije, - nuklearne baterije - bio-baterije
5.2. Litijeve baterije Znanstvenici su dugo pokušavali iskoristiti litij kao osnovu za izradu baterija. Ovaj metal je vrlo lagan, ima visok elektrokemijski potencijal i omogu ćuje najveću specifičnu energiju baterije. Me đutim, osnovni je problem taj što litijeve baterije nakon više punjenja i pražnjenja postaju temperaturno nestabilne i sklone su eksplozivnoj reakciji. Primjenom Li-ion tehnologije su eksplozivne sklonosti litijevih baterija svedene na prihvatljivu mjeru. Sve današnje Li-ion baterije su opremljene zaštitnim elektroničkim sklopovima koji ne dozvoljavaju nepravilnosti pri punjenju i radu koje bi mogle izazvati eksploziju. Li-ion baterije imaju značajne prednosti u odnosu na NiMH baterije. Lakše su i veće specifične energije (do 170 Wh/kg), imaju tri puta ve ći napon otvorenog kruga (3,6 V), uopće nisu podložne memorijskom efektu, mogu podnijeti veliki broj cikličkih pražnjenja (do 1000), imaju malo samopražnjenje, itd. Mane su im što za pouzdan rad zahtjevaju zaštitni elektronički sklop, podložne su starenju čak i onda kada nisu u upotrebi, skupe su (cca 40% skuplje od NiCd baterija), budući da im zaštitni sklopovi ograničuju
Slika 5. Superkondenzatoski moduli tvrtke Maxwell
Superkondenzatori, koji se već danas mogu nabaviti u komercijalnoj ponudi, su kondenzatori čiji kapacitet doseže i do cca tri tisu će farada. Oni omogu ćuju višeminutno rezervno napajanje trajne potrošnje od oko 10 A te su namijenjeni za kratkotrajna napajanja u slučaju nestanka napona. Pogodni su za izuzetno brza punjenja i pražnjenja (specifi čna snaga do 9000 W/kg), ali za sad imaju relativno malu specifi čnu energiju pražnjenja (oko 6 Wh/kg). Također imaju relativno dug životni vijek. U budućnosti se očekuje povećanje nazivnog napona članka (sada iznosi cca 2,5 V), te -9-
povećanje specifične snage i energije te smanjenje cijene. Gorive ćelije su elektrokemijski ure đaji za neposrednu pretvorbu kemijske energije u istosmjernu električnu struju. Britanski fizičar R.Grove je još 1839. godine otkrio da se spajanjem vodika i kisika dobiva elektri čna struja. Međutim, masovnija upotreba gorivih ćelija nije se dogodila do današnjih dana. Unato č vrlo intenzivnom razvoju posljednih desetak godina, rezultati su prilično ograničeni. Glavni problemi kod gorivih ćelija je visoka cijena u odnosu na iskoristivu snagu, mala po četna izlazna snaga, zbog čega se paralelno gorivim ćelijama najčešće priključuje i akumulatorska baterija. Povećana potrošnja fosilnih goriva, čija je količina ograničena, u naradnim godinama će i dalje uvjetovati zna čajne investicije u razvoj tehnologije gorivih ćelija pa se ipak očekuje njihova sve ve ća upotreba u budu ćnosti (prvenstveno u auto-industriji), ali i za stacionarne primjene. Nuklearne baterije energiju proizvode raspadom radioaktivnih tvari (tricij ili polonij) – tzv. betagalvanskim načinom. Iako su poznate ve ć više od 50 godina, zbog male energije koja se tim putem mogla dobiti, njihova iskoristljivost je bila mala. Istraživa či iz američkog sveučilišta Rochester razvili su novu tehnologiju proizvodnje koja će omogućiti da nuklearne baterije traju desetljećima. Zbog visoke cijene i sigurnosnih razloga, danas, te baterije nisu pogodne za masovniju proizvodnju, ali se već koriste u ekstremnim uvjetima i na teško pristupa čnim mjestima. Danas se još istražuje i upotrebljivost bio-baterija iz organskih tvari uz pomoć bakterija i enzima za proizvodnju električne energije. Znanstvenici predviđaju da će izgaranje 50 g šećera biti dovoljno za osam satno napajanje žarulje od 40 W.
6.
[2] IEC 60896 – 11 Stationary lead – acid batteries – General requirements and methods of tests, 2002. [3] IEEE Guide for Selection and Sizing of Batteries for Uninterruptible Power Systems, IEEE STD: 1184-1994, 1994. [4] Global Watch mission report: Electrochemical energy strorage – a mission to the USA [5] D. Vujević: Superkondenzatori [6] J.M.Miller: Ultracapacitors Chalange the Battery [7] Cobasys: Consideration for utilization of NiMH Battery Technology in Stationary Application [8] P. Krohn, B. Nygren, T. Beyer: Field experience from the world’s largest stationary lithium-ion battery, [9] www.BatteryUniversity.com
ZAKLJUČAK
Zbog svoje izuzetne važnosti sustavi za besprekidno napajanje postali su neizostavni dio svakog elektroenergetskog objekta. Najbitniji dio sustava za besprekidno napajanje je akumulatorska baterija. Namjera ovog članka bila je ukazati na pogonske razlike kod primjene akumulatorskih baterija na podru č ju sustava za besprekidno napajanje istosmjernim i izmjeničnim naponom, na velike mogu ćnosti udovoljavanja nekih tipova baterija i vrlo ekstremnim zahtjevima, kao i na mogu ćnost grubih grešaka u slučaju zanemarenja cjelovitog pristupa odabiru. U članku je dan i kratak prikaz novih tehnologija koje će u skoroj ili daljoj budu ćnosti naći svoje mjesto kao rezervni izvori napajanja u sustavima za besprekidna napajanja.
7.
LITERATURA
[1] J. Škare, A. Lovei: Nove vrste akumulatorskih baterija za sisteme istosmjernog napona u rasklopnim postrojenjima, HK Cigre, Peto savjetovanje, Cavtat, Hrvatska, 2001.
- 10 -
