Napelem: energiatárolási megoldások

Miért szereld fel magad napelemekkel?

Számos oka van annak, hogy miért szeretne napelemet szerelni a rendszerébe. Legyen szó elszigetelt telephelyről, hibridről vagy kereskedelmi és ipari forgatókönyvről, nálunk van olyan akkumulátorunk, amely az Ön igényeihez igazodik, jövedelmező és tartós, 2-től több száz kWh-ig.

Maximalizálja a napelemekből származó energia felhasználását  : Az akkumulátorok lehetővé teszik a napenergia tárolását az esti és éjszakai használatra. A napelem beszerelésével kevesebb energiát importál az EDF-ből, és megtakaríthatja villanyszámláit. Ezért itt beszélhetünk az önfogyasztás optimalizálásáról (hibrid), párosulva a napelemekkel.

HP/HC arbitrázs létrehozása: Ha nincs napeleme, a használati idő díjai jelentősen megnövelhetik villanyszámláit. De egy akkumulátor, amelynek energiakészlete (kapacitása) KwH-ban van, és elegendő napelem, képes ellátni Önt ezekben a csúcsidőszakokban, amikor magasabb az áram ára.

Egyes akkumulátorrendszerek (pl. SIGENERGY) képesek ezt a fajta intelligens arbitrázst megvalósítani, hogy csúcsidőn kívül újratöltsék a hálózatból származó áramot, amikor annak van értelme. Például, ha úgy tűnik, hogy másnap nem lesz elég napsütés az akkumulátorok újratöltéséhez a paneleken keresztül, az időjárás-előrejelzés összekapcsolásával.

Napelemes önellátás az akkumulátoroknak köszönhetően (tartalék): A kínált akkumulátoraink mindegyike képes elszigetelten, azaz EDF jelenléte nélkül működni. Így kihasználhatja a részleges vagy teljes, úgynevezett „vészhelyzeti” (= tartalék) funkciót, amely biztosítja a töltést az otthonában. Napközben, ha EDF kimaradás történik, továbbra is részesülhet a napenergiából a paneleken keresztül.

Melyek a különböző típusú napelemek?

A napelemek fejlődése: a GEL és az ólom akkumulátorok hanyatlása:

A napelemek jelentős fejlődésen mentek keresztül, amit a régi technológiák, például a GEL és az ólom akkumulátorok (Hoppecke márka, Victron, Enersys stb.) hanyatlása jellemez. Egykor népszerűek a gél formájú elektrolitjukkal rendelkező GEL akkumulátorok és az AGM (Absorbed Glass Mat) akkumulátorok, bár kevés karbantartást igényelnek és viszonylag hosszú élettartammal rendelkeznek, mára elavultak. Teljesítményük és élettartamuk, általában 800 és 900 ciklus közötti GEL és 10 év AGM esetén, halvány a lítium akkumulátorok fejlődéséhez képest. Hasonlóképpen, a nyitott ólom akkumulátorok a gazdaságos költségük ellenére jelentős karbantartást igényelnek, és nem vízzáró kialakításuk miatt korlátozottak. Ma még belépő szintű napelemes készletekben árulják, ahol az AGM akkumulátorok rendkívül alacsony áruk miatt lehetővé teszik az alacsony költségű telepítést, különösen a lakóautókhoz.

A lítium-ion napelemek technikai fölénye:

A lítium-ion napelemek kompaktságuknak és hosszú élettartamuknak köszönhetően hamar a napenergia tárolásának választott technológiájává váltak. Nagyobb energiahatékonyságot és lényegesen hosszabb élettartamot kínálnak, mint a GEL és ólom akkumulátorok, fordulópontot jelentve a napenergia tárolásában. A lítium akkumulátorok elektronikus belső felügyeleti rendszerrel, BMS-sel vannak felszerelve, amely a napelemek és a használt inverter-töltő feszültségének megfelelően optimalizálja a kisütést és a töltést. A kapacitás elemenként 2 és 10 kWh között változik, az akkumulátor márkájától függően. A kisülési teljesítmény egyes modelleknél akár 5000 W is lehet. A BMS minősége is befolyásolja a lítium akkumulátor élettartamát, kisütési kapacitását és ezáltal a visszaadott energiát.

Az úgynevezett „alternatív” akkumulátortechnológiák: nikkel-vas, lítium-titanát és nátrium-ion:

Ugyanakkor más feltörekvő technológiák, mint például a nikkel-vas, lítium-titanát és nátrium-ion akkumulátorok. A robusztusságukról és hosszú élettartamukról ismert nikkel-vas akkumulátorok abban tűnnek ki, hogy képesek ellenállni a mélytöltési és kisütési ciklusoknak jelentős leromlás nélkül, miközben szükség esetén gyors kisülést biztosítanak. Ideálisak hálózaton kívüli napelemes rendszerekhez. Akár 8000 ciklust is lebonyolítanak, elektrolitjuk megújul. Kockázat nélkül 0%-ig lemeríthetők. Az ára körülbelül 600 euró kWh-nként.

A lítium-titanát napelemes technológia viszont rendkívül gyors töltést és meghosszabbított élettartamot kínál még szélsőséges időjárási körülmények között is. Bár a drága, lítium-titanát napelemek a legjobb garanciával rendelkeznek a piacon (20 év a Zenaji-ra), vagy 10x a Hoppecke vagy Victron AGM ólom akkumulátoroké! Az ára viszont körülbelül háromszor magasabb, mint a hagyományos lítium akkumulátoré.

Végül, a nátrium-ion akkumulátorok ígéretes alternatívaként jelennek meg, amely megfizethetőbb és környezetbarátabb megoldást kínál. Bár még fejlesztési fázisban vannak, ezeket az akkumulátorokat nagy méretű alkalmazásokra fontolgatják, alacsony gyártási költségük és nagy mennyiségű nátrium miatt. Energiakapacitásuk valamivel alacsonyabb, mint a lítium-napelemek, a körülbelül 130 Wh/kg energiasűrűségnek köszönhetően, szemben a LiFePO akkumulátorok 160-as értékével.

A fejlettebb akkumulátortechnológiákra való átállás, beleértve a lítium-iont, a nikkel-vasat, a lítium-titanátot és a nátrium-iont, a napenergia tárolásának folyamatos fejlődését tükrözi. Ez a fejlesztés nagyobb hatékonyságot, jobb fenntarthatóságot és csökkentett ökológiai lábnyomot ígér, megnyitva az utat a napenergia új és fenntarthatóbb korszaka előtt.

Miért jobbak a lítium napelemek, mint az ólom akkumulátorok (AGM, OPZ)?

A legszembetűnőbb különbség a lítium technológia (például LIFEPO) és az AGM/GEL akkumulátorok, mint például a Hoppecke vagy az Enersys között a töltési/kisütési kapacitásban rejlik. Az alábbi grafikon a kapacitást a névleges kapacitás százalékában mutatja a kisülési sebesség (vagy sebesség) függvényében (teljesítményben). Nagyon magas akkumulátorkisülési arány mellett az AGM/GEL ólom-savas akkumulátor kapacitása a névleges kapacitásának csak 60%-a:

Ezért azokban a napelemes rendszerekben, ahol az akkumulátor erősen terhelt vagy rendszeresen kisülési csúcsokkal rendelkezik, egy kisebb kapacitású lítium akkumulátor nagyobb HASZNÁLHATÓ kapacitással rendelkezik, mint egy hasonló kapacitású ólom-savas akkumulátor. Vagyis hasonló kapacitás mellett a lítium akkumulátor minden bizonnyal többe fog kerülni, de kisebb kapacitást is használhat, mivel nem szükséges túlméretezni a kisülési csúcsok elnyeléséhez.

A LIFEPO lítium akkumulátorok másik előnye az AGM/GEL ólom akkumulátorokhoz képest a cikluskapacitásban (élettartamban) rejlik. A LIFEPO technológia körülbelül 10-szer nagyobb cikluskapacitással rendelkezik, mint a legjobb OPZ akkumulátorok. Így a tárolt kWh költsége sokkal alacsonyabb, mint az ólom, ami azt jelenti, hogy a lítium akkumulátort nem kell cserélni a napelemes rendszer élettartama alatt:

Hogyan működik a napelemes akkumulátor?

A napelem egyfajta elektrokémiai „szendvicsként” képzelhető el, amelyet energia tárolására használnak. Az egyik oldalon van az anód, a másik oldalon a katód. A kettő között van egy ionos vezető interfész, az úgynevezett elektrolit, és egy szeparátor.

Az akkumulátorból származó negatív töltésű elektronok az anódon koncentrálódnak. Mivel az ellentétek vonzzák egymást, az akkumulátorban lévő pozitívan elektromosan töltött katód felé akarnak menni. Az elektrolit pufferként működik, megakadályozva, hogy az elektronok a legrövidebb utat vegyenek az akkumulátorból (ami elektromos rövidzárlatot okozna!).

Az anód és a katód külső vezetékkel történő összekapcsolása lehetővé teszi az akkumulátorban lévő elektronok áramlását. Ezt az elektronáramlást nevezzük elektromosságnak.

Elvi diagram (forrás: www.solarquotes.com)

Az újratölthető napelemekben (technikailag "másodlagos" akkumulátoroknak nevezik, szemben az egyszer használatos akkumulátorokkal) külső energiaforrást használnak az áram áramlásának megfordítására (például napelemeken keresztül). Az energia így tárolódik (kWh-ról beszélünk), későbbi felhasználásra, vagy a napelemen keresztüli újratöltésre.

A modern lítium-ion napelemes akkumulátorok katód-, anód- és elválasztólapjainak elrendezésére számos lehetőség van.

Általában hengerként épülnek fel fémhengerek, úgynevezett cellák belsejében. Egy otthoni energiatároló rendszer több ezer ilyen hengeres akkumulátorcellát tartalmazhat. Találhatunk téglalap alakú konstrukciót is, amelyet prizmásnak nevezünk. Végezetül a Pylontechnél található „tasak cellás” szórólap minták:

Akkumulátor és energia! nem szabad összekeverni…

A napenergia autonómiáról szóló útmutatónkban elmagyaráztuk a teljesítmény és az energiasűrűség (vagy kapacitás) közötti különbséget. Íme a fürdőkád diagramja, amely könnyen érthető:

Ami az akkumulátorokat illeti, egy hasznos analógia, hogy a víz egy csövön keresztül egy tartályba áramlik, kivéve, hogy a víz elektromosság, a teljesítmény pedig az áramlási sebesség:

• Teljesítmény (kW) vagy „power” angolul, az a sebesség, amellyel a víz áthalad a csövön, a tartályban vagy kifelé.
• Az energia (kWh) vagy kapacitás az a vízmennyiség, amelyet a tartály el tud tárolni.

A legtöbb lítium-ion napelem akkumulátor maximális folyamatos teljesítményű 3 és 5 kW között. A Pylontech US5000 például 2.4 kW folyamatos teljesítményű, és akár 5 kW csúcsteljesítményű. Ha valaha is 10 kW teljesítményt szeretnék elérni az akkumulátorrendszeremből, akkor egy második akkumulátort kell hozzáadnom.

Nikkel-vas, NIFE, lítium LFP, NMC, nátrium? Mit válasszunk?

Néhány évvel ezelőtt, amikor az akkumulátor tárolásáról beszéltünk, biztos volt benne, hogy elszigetelt helyszín (off-grid) típusú helyzetben volt. És jó okkal, különösen a lítium-ion akkumulátorok ára 4-6-szor volt magasabb, mint ma:

A domináns technológia körülbelül tíz évvel ezelőtt még az ólom-sav volt (különösen a Victron márka, a Hoppecke OPZ-i). Voltak AGM vagy GEL akkumulátorok is, mindig ólomtechnológiában. Az ólom-savas technológiának voltak hátrányai (nehéz méret, korlátozott élettartam, gázkibocsátás, mélyciklus-intolerancia stb.), és rendszeres karbantartást igényelt, ami bonyolult volt. Ráadásul az első ránézésre meglehetősen alacsony ára ellenére figyelembe kellett venni a rendelkezésre álló alacsony kapacitást, mivel a maximális kisütés 30%-ban volt korlátozva a megfelelő élettartam fenntartása érdekében!

A lítium akkumulátorok ára ezért drasztikusan csökkent, elérte a 139 USD/kWh-t (Bloomberg cikk.) 

A két fő lítiumtechnológia a nikkel-mangán-kobalt (NMC) és a lítium-vas-foszfát (LifePO). A TESVOLT HV például az NMC Samsung SDI cellákat, míg a lakossági használatra szánt akkumulátorok, mint például a Pylontech vagy a BYD, kizárólag LifePO-t használnak.

Meg kell jegyezni, hogy minden akkumulátornak megvannak a sajátosságai, de a LifePo érvényesül a ciklusok számában, a hőstabilitásban és az élettartamban.

LiFePO akkumulátor: verhetetlen ár-érték arány:

Az LFP kémián alapuló napelemek mentesek kobalttól és stratégiai fémektől, ezért ökológiai és C2G szempontból előnyösebbek ("bölcsőtől kapuig = az akkumulátor élettartama a kitermeléstől az újrahasznosításig).

Nikkel-vas akkumulátor: elsődleges a tartósság:

Más technológiák is léteznek, mint pl Nikkel-vas akkumulátor amelyet 2018 óta forgalmazunk, amely egyesíti a robusztusságot és a páratlan szilárdságot a „rés” alkalmazásokhoz (különösen az elszigetelt helyszíneken). Ezek nagyon különleges akkumulátorok, amelyek természetesen terjedelmesek és karbantartást igényelnek, de élettartamuk szinte korlátlan. Nem igényelnek BMS-t sem, ami előnyt jelent azok számára, akik értékelik a „low tech” dizájnt.

Ez is létezik lítium-titanát (LTO) akkumulátorok, amelyet már 3 éve kínálunk az ausztrál Zenaji márkán keresztül. Nagy teljesítményű technológia, hihetetlen kerékpározással (20000 XNUMX ciklus), de megfizethetetlen áron.

Nátrium-ion akkumulátorok végre kezdenek megérkezni a piacra. 2024-ben kínáljuk, nevezetesen a BIWATT-tal kötött partnerségünk és a teljesen integrált megoldásuk révén. Ez utóbbiak egyedülálló előnyökkel rendelkeznek a szélsőséges hőmérsékletekkel szembeni tolerancia és a nagy kritikusságú fémek (= korlátozott mennyiségben) alkalmazásának hiányában. Áruk azonban jelenleg a LIFEPO szoláris akkumulátorokéhoz hasonló, vagy akár valamivel magasabb is, és a felhasználást is szem előtt kell tartanunk, hogy biztosak lehessünk abban, hogy élettartamuk érdekes a műszakilag kiforrott akkumulátorokhoz képest.

Gondosan ellenőrizze az akkumulátor garanciális feltételeit!

Az akkumulátor garanciális szerződéseinek olvasása fárasztó lehet. Íme a legfontosabb tudnivalók minden olyan energiatároló rendszerrel kapcsolatban, amelynek megvásárlását fontolgatja.

Az akkumulátor leromlása („EOL”), a rendelkezésre álló ciklusok számának kiértékelésének elsődleges kritériuma! 

Mekkora a napelem akkumulátor kapacitása a garancia lejártakor? 70% 10 év után jellemző érték. Ez a híres „EOL”. A gyártók táblázatokat szolgáltatnak, amelyek meghatározzák az akkumulátor által elérhető ciklusok számát, mielőtt a maradék kapacitása átlépi a híres „EOL” küszöböt (=élettartam vége). Például a TESVOLT napelemnél azt látjuk, hogy az akkumulátorok 6500 ciklust garantálnak 100%-os lemerülés mellett, 10 évig. Más szóval, 6500 éven keresztül 100-szor 10%-on kerékpározhatod őket, és ezeknek a ciklusoknak a végén ne menj 70% maradék kapacitás alá!

Egy másik értelmezési mód az lenne, ha azt mondanánk, hogy normál használatban egy lakossági akkumulátort évente körülbelül 280-at ciklusolnak „teljes ciklus”-nak megfelelő (= 100% DOD). Ezt a szezonalitás magyarázza (sőt, nyáron az akkumulátor kevesebb lesz, mint télen!) Így egy TESVOLT garantált 6500 ciklus ténylegesen lehetővé teszi 6500/280 = kinyerését. Körülbelül 23 évnyi működés a jelentős leromlás előtt.

A napelem egészsége, az SOH!

A másik fontos fogalom, amelyet meg kell jegyezni, az SOH, azaz az akkumulátor „egészségügyi állapota”, jelzi az akkumulátor maradék kapacitását. A 98%-os SOH azt jelzi, hogy az EOL

Azt is fontos szem előtt tartani, hogy a lítiumcellák gyártási minősége befolyásolja naptári élettartamát, azaz élettartamát, a kopástól eltekintve (akár használják, akár nem). A TESVOLT-on például az extrapolált lebomlás nagyon alacsony, körülbelül 70% 16 év intenzív használat után 100% DOD mellett. Ezt a helyszíni tapasztalataink is alátámasztják, hiszen az egyik, 4 éve, elszigetelt helyen, TESVOLT-tal végzett telepítésünk még mindig sértetlen SOH-t ("egészségi állapotot") mutat!

Szemben az SOH cseréje az egyikünkön autonóm rendszerek (Studer) akkumulátorral, 4 évig üzemel. Ez egy TESVOLT TS48V akkumulátor Samsung SDI cellákkal. A kapacitás mindig 100% ami nagyon hosszú eljövendő élettartamot jelez.

Inkább biztató 4 év szolgálat után egy elszigetelt helyen!

Szemben egy Pylontech akkumulátor SOH-ja, szintén 4 éve üzemel. Látjuk, hogy az SOH sokkal alacsonyabb, és az akkumulátorok 8%-ot veszítettek kapacitásukból. A degradáció tehát sokkal nagyobb.

Összefoglalva, kulcsfontosságú, hogy teljes mértékben megértsük a napelemes akkumulátor műszaki kiválasztásával kapcsolatos kérdéseket. Ez hatással lesz a biztonságra, de hosszú távon a jövedelmezőségre és a projekt gördülékeny működésére is. Nem minden akkumulátor egyenlő!