Batterye vir my sonkragstelsel – watter oorwegings is belangrik om na te kyk? – KragDag Gemeenskap
In die ontwikkeling van enige tegnologie, hetsy dit ‘n elektriese voertuig, ‘n hartpasaangeër, selfone of selfs sagteware is, word die pas van vooruitgang geïnhibeer deur die vermoë om elektriese energie te kan stoor. Ons is baie bekend met Moore se wet, dalk minder so met Kryder en Gilder se wette waarvolgens die ontwikkelingstempo van rekenaar en kommunikasietegnologie voorspel word. Moore se wet, wat nie ‘n fisiese wet is nie – slegs ‘n empiriese waarneming, stel dat die aantal transistors in ‘n dig-geïntegreerde stroombaan elke twee jaar verdubbel. Dit het die gevolg dat die verwerkingsvermoë van rekenaarverwerkingspakkies, min of meer elke twee jaar verdubbel. Hierdie wet word reeds dekades gehoorsaam. Kryder en Gilder se wette voorspel op soortgelyke wyse ontwikkelingstempo’s ten opsigte van rekenaarskywe en kommunikasiebandwydte.
Daar bestaan egter nie ‘n “Moore” se wet ten aansien van tegnolgieontwikkeling op die gebied van die stoor van elektriese energie nie. Alhoewel tegnologie om elektriese energie te stoor baie stadig vordering maak, is die belangstelling daarin egter besig om dramaties te groei. Hierdie belangstelling gaan nie meer net om onafhanklik van die elektrisiteitsnetwerk te wees nie. Ander redes hiervoor is om ononderbroke elektriese krag aan kritiese laste te kan lewer, in die geval van ‘n faling op die netwerk en om piekaanvraag te egaliseer ten einde elektrisiteitsrekeninge te verminder.
In sonkragstelsels is die stoor van elektriese energie baie belangrik, veral vir netlostoepassings.
Wat is die faktore waarna gekyk word as batterye vir sonkragstelsels oorweeg word?
Wanneer batterye vir sonkragstelsels oorweeg word is daar ‘n hele aantal faktore wat ‘n rol speel om batterye met mekaar te vergelyk. Die belangrikste van hierdie faktore, myns insiens, word hieronder bespreek.
Kapasiteit en Drywing
Kapasiteit is die totale hoeveelheid elektriese energie wat ‘n battery kan stoor. Hierdie grootheid word in kilowatt-uur (kWh) gemeet. ‘n Battery se kapasiteit word bepaal deur ‘n batterytegnologie se Spesifieke energie, wat gedefinieer word as energie per massa-eenheid. Dit word gemeet in joule per kilogram (J/kg) of soms ook kWh/kg. Batterye in die algemeen is stapelbaar, dit wil sê, dit kan in parallel geskakel word om stroomvermoë te verhoog – mits almal dieselfde poolspanning het of dit kan in serie geskakel word om sodoende die spanningsvermoë te verhoog. In die algemeen word groter kapasiteit verkry as veelvuldige batterye gebruik word.
Dit is ook nodig om te weet hoeveel elektriese energie ‘n battery op ‘n gegewe oomblik kan lewer ten einde arbeid te kan verrig. Hierdie grootheid word drywing of arbeidstempo genoem en word uitgedruk in kilowatt (kW). Die battery se drywing word bepaal deur die batterysoort se spesifieke drywing wat gemeet word in watt per kilogram.
‘n Battery wat ‘n hoë kapasiteit het, maar met ‘n lae drywingsvermoë, kan ‘n klein hoeveelheid elektriese energie, oor ‘n lang tydperk lewer – amper soos ‘n langafstandatleet. Hierdie battery kan oor ‘n lang tydperk energie aan jou huis lewer, maar net ‘n paar toestelle aandryf. Indien die battery ‘n hoë drywingsvermoë en ‘n klein kapasiteit het, kan báie elektriese energie oor ‘n kort tydperk gelewer word – byna soos ‘n naelloper. Só ‘n battery kan waarskynlik energie vir jou hele huis lewer, maar nét vir ‘n baie kort rukkie.
Diepte van Ontlading – DoD (Depth of Discharge)
Weens batterye se chemiese samestelling is dit vir chemiese batterye nodig om te alle tye ‘n sekere minimum lading te behou. Sou die volle batterylading van die battery gebruik word sal die batterylewe aansienlik verkort word. Om hierdie rede word die DoD vir ‘n battery gespesifiseer en dit verwys na die battery se kapasiteitvermindering, vanweë ontlading, as ‘n persentasie van die maksimum kapasiteit. Vervaardigers spesifiseer ‘n maksimum DoD vir optimale batterywerkverrigting – byvoorbeeld, ‘n 10kWh battery met ‘n DoD van 90 % behoort nie meer as 9kWh te verbruik voordat herlaai word nie. In die algemeen beteken ‘n hoër DoD dat meer van die battery se kapasiteit benut kan word, wat beteken dat minder batterye nodig is.
Siklusdoeltreffendheid – RTE (Roundtrip efficiency)
‘n Battery se siklusdoeltreffendheid verteenwoordig die hoeveelheid energie wat in ‘n siklus benut kan word, as ‘n persentasie van die hoeveelheid energie wat in die laaisiklus gestoor word. Byvoorbeeld, gestel jy laai 5 kWh elektriese energie in ‘n battery, maar jy kan slegs 4 kWh benut – dan is die siklusdoeltreffendheid van die battery 80%. (i.e. 4 kWh/5 kWh x 100%) Let op dat dit ‘n elektriese verlies is en nie verband hou met die DoD van die battery nie. In die algemeen beteken ‘n hoër siklusdoeltreffendheid dat groter ekonomiese waarde uit die battery, en dus ook uit die totale sonkragstelsel verkry kan word.
Batterylewensduur en Waarborg
Uit die aard van die aanwending van batterye in ‘n sonkragstelsel word batterye op ‘n daaglikse basis gelaai en ontlaai. ‘n Battery se vermoë om lading te hou (kapasiteit) neem geleidelik af met verloop van tyd. ‘n Battery word gewoonlik in sy produkspesifikasie gewaarborg vir ‘n aantal laaisiklusse of vir ‘n aantal jaar van bruikbare lewe.
Die afname in die battery se kapasiteit kan só in ‘n vervaardigerswaarborg in aanmerking geneem word, deur te stel dat ‘n battery vir 5000 siklusse óf vir 10 jaar teen ten minste 70 persent van die battery se oorspronklike kapasiteit gewaarborg word. Dit beteken dat die battery aan die einde van 5000 siklusse of 10 jaar nie meer as 30% van sy oorspronklike kapasiteit behoort te verloor nie.
Batterylaai- en ontlaaitempo
Batterylaai- en ontlaaitempo is ook ‘n belangrike oorweging om na te kyk wanneer besluit word oor die aankoop van batterye en word bepaal deur gespesifiseerde C-getalle. Die stroomkapasiteit van ‘n battery word bepaal as 1C. Hiervolgens sal ‘n volgelaaide battery van 1 amperé-uur (1Ah) vir 1 uur lank ‘n stoom van 1 A kan lewer. Dieselfde battery wat ontlaai teen 0,5C sal 500 mA vir twee uur lewer. Omdat daar verliese is wanneer ‘n battery laai en ontlaai het dit ‘n invloed op die laai- en ontlaaityd. Die vinnige laai- en ontlaai van batterye sal dus die batterye onder spanning plaas. Ons kan die laai- en ontlaaityd van ‘n battery volgens die C-getal bepaal. ‘n 1C battery moet nie vir korter as in 1 uur laai of ontlaai nie, ‘n 5C battery nie korter as 12 minute nie óf ‘n 0,1C battery nie korter as 10 ure nie.
Installasie en onderhoud
Installasie- en onderhoudsoorwegings is baie belangrik wanneer ‘n batterykeuse gedoen word. Sommige batterye se elektrolietvlakke moet gereeld nagegaan word en daarom moet hierdie batterye so geïnstalleer word dat daar geredelike toegang is om onderhoud, sê elke 3 maande, te doen. Ander batterye is onderhoudsvry, maar meeste battery moet maar gereeld skoon gehou en geïnspekteer word. Soms kan ‘n keuse gedoen word om ‘n battery in ‘n spesifieke oriëntasie te installeer. Daar is batterye beskikbaar wat in enige oriëntasie kan funksioneer.
Koste is altyd ‘n oorweging omdat meeste mense gewoonlik ‘n beperkte begroting het. Oor die algemeen is dit wys dat ‘n mens koste sal oorweeg in terme van die beste waarde vir geld. Dit kan gedoen word om bogenoemde faktore met koste in verband te bring as ‘n keuse gemaak word. Só kan ons bepaal wat kos verskillende batteryopsies in terme van byvoorbeeld rand/siklus, rand/jaar of rand/kWh-kapasiteit en om dan daarvolgens ‘n keuse tussen die verskillende alternatiewe te maak. Koste per se behoort egter nie bepalend vir ‘n spesifikasie en die ontwerp te wees nie. Die rede hiervoor is dat goedkoop koop dikwels duur koop is, en dat duur koop nie noodwendig die beste koop is nie.
Watter soorte batterye kan vir sonkragstelsels oorweeg word?
Vir die ontwerper en spesifiseerder van ‘n sonkragstelsel kan ‘n magdom van verskillende soorte batterye ingespan word vir die ontwerp. Dit spreek vanself dat batterye wat in sonkragstelsels gebruik word van die herlaaibare soort, dit wil sê sekondêre batterye moet wees. Vir die doel van die artikel word gefokus op lood-suur-, lithium-ioon- en vloeibatterye wat tans beskikbaar is asook superkapasitore en lithium-lugbatterye vir moontlike sonkrag aanwending in die toekoms.
By verre word lood-suurbatterye op hierdie stadium die meeste in sonkragstelsels gebruik. In die kategorie lood-suurbatterye is daar aanvanklik twee indelings gemaak naamlik, diep-siklusbatterye en motoraansitterbatterye. Diep-siklusbatterye word hoofsaaklik in sonkragstelsels aangewend. Diep-siklusbatterye kan ook weer in twee kategorieë ingedeel word naamlik FLA- (Flooded Lead-Acid) batterye – ook genoem natselbatterye, en VRLA- (Valve-regulated Lead-Acid) batterye. FLA-batterye verkry hulle naam van die feit dat hul plaat-elektrodes ten volle in die elektroliet onderdompel is. VRLA-batterye word ook genoem verseëlde batterye of onderhoudsvrye-batterye en twee soorte word geïdentifiseer naamlik: AGM– (Absorbent Glass Mat) en Gel-batterye. ‘n Belangrike eienskap van verseëlde batterye is dat hulle in feitlik enige oriëntasie geïnstalleer kan word en dat hulle minimale onderhoud benodig. Lood-suurbatterye het die voordeel dat die battery nie duur is nie. Nadele van die soort battery is dat dit ‘n kort leeftyd het (ongeveer 1000 – 3000 laaisiklusse) en ook ‘n lae spesifieke energie het – ongeveer 33 -42 Wh/kg – wat beteken dat lood-suurbatterye swaar en bonkig is. Laaityd wissel van 8 tot 16 ure en die nominale selspanning is 2,1V.
Lithium-ioonbatterye is nog ‘n soort van battery wat vir aanwending in sonkragstelsels vinnig besig is om veld te wen. Onder hierdie kategorie word ‘n verskeidenheid soorte batterye gevind soos onder andere Lithium-kobaltoksied (LiCoO), Lithium-ysterfosfaat (LiFEPO4) en Lithium-ioon-mangaanoksiedbatterye of LMOs. Lithium-ioonbatterye se voordeel is dat dit ‘n hoë energiedigtheid en ook spesifieke energie (100-256 Wh/kg) het. Die lewensduur van die battery is lank, ongeveer 4000 – 6000 laaisiklusse. Die nadele van hierdie batterye is dat dit ‘n duur opsie is en dat daar veiligheidsrisiko’s aan die batterye verbonde is. Laaityd van die battery is 1 tot 4 ure, en die nominale selspanning is 3,2 tot 3,7V, afhangende van die tipe Li-ioonbattery. Die battery is onderhoudsvry en geen spesifieke installasie-oriëntasie is nodig nie.
‘n Derde soort battery wat ‘n haalbare opsie vir sonkragstelsels is, is vloeibatterye ook genoem reduksie-oksidasiebatterye. Hierdie tipe battery is ‘n soort van herlaaibare brandstofsel (fuel cell) wat bestaan uit ‘n watergebaseerde vloeistof, sink-bromied, wat tussen twee houers sirkuleer. In wese kom die werking daarop neer dat sink uit die vloeistof onttrek en afsonderlik gestoor word tydens die laaifase. Tydens ontlading word sink teruggeplaas in die vloeistof. Die voordele van hierdie battery is dat dit in uiterste weersomstandighede kan funksioneer en dat dit ‘n veilige battery is. Die lewensduur van die battery is vergelykbaar met lithium-ioonbatterye. ‘n Voordeel van die batterysoort is dat die battery bykans nuut gemaak kan word deur slegs die elektrodes van die battery te vervang.
Ander elektriese energie-stoorders, wat moontlikhede inhou, is superkapasitore. Streng gesproke is superkapasitore nie batterye nie. Elon Musk het onlangs rondom die toekoms van elektriese voertuie die mening gelug dat hy die toekoms van die stoor van energie eerder in superkapasitore as in batterye sien. Myns-insiens het superkapasitore inherente eienskappe wat benutting daarvan om elektriese energie te stoor bemoeilik.
Die eerste is die ontlaai-eienskappe van ‘n kapasitor. Waar ‘n battery vir ‘n lang tydperk sy selspanning behou tydens ontlading, ontlaai kapasitore eksponensieel. Gevolglik sal ingewikkelde elektronika geïmplementeer moet word ten einde ‘n konstante uitsetspanning te lewer – soos byvoorbeeld ‘n gelykstroom-tot-gelykstoomomsetter met ‘n veranderbare inset. Skakelmoduskragbronne kan hiervoor aangewend word.
‘n Verdere probleem met super-kapasitore is dat die maksimum spanning wat oor ‘n superkapasitor se terminale geplaas kan word tans in die omgewing van 2 – 4 volt is. Vir ‘n wisselrigter om effektief te kan werk is ‘n spanning van 12 – 24 volt nodig aangesien ‘n laer spanning, ‘n hoër stroom vir ‘n konstante drywingsuitset beteken. Hoë strome beteken dat daar groter verliese in die wisselrigter sal wees. Om hoër spannings te bewerkstellig kan batterye in serie geskakel word. Indien kapasitore egter in serie geskakel word, word die totale kapasitansie van die seriegeskakelde kapasitore, ten beste, indien twee identiese kapasitore gebruik word, gehalveer. Kapasitansie(C), gemeet in farad, is ‘n verhouding van hoeveelheid elektriese lading (Q in coulomb) wat op ‘n kapasitor gelaai is, tot die spanning (V in volt) oor die kapasitor terminale. Die wiskundige vergelyking is C=Q/V. Indien die kapasitansie gehalveer word beteken dit dat die ladingkapasiteit van die seriegeskakelde kapasitore ook halveer. Om bogenoemde redes sien ek nie ‘n groot toekoms vir kapasitore as ‘n energiestoor nie. Voordele wat kapasitore wél het is dat dit baie vinnig gelaai kan word en dat dit ‘n 100% DoD het.
Indien ek in my kristalbal mag kyk sou ek sê dat die battery van die toekoms lithium-lugbatterye sal wees. Hierdie is ‘n battery wat bestaan uit elektrochemiese selle wat die hoogste moontlike spesifieke energie het – teoreties in die orde van 40,1 MJ/kg. Dit is vergelykbaar met die spesifieke energie van petrol wat ongeveer 46,8 MJ/kg is. Tot dusver kon Lithium-lugbatterye met ‘n spesifieke energie van ≈ 6,1 MJ/kg in praktyk gedemonstreer word. Dit is ongeveer 5 keer meer as wat tans vir kommersiële lithium-ioonbatterye moontlik is.
Hiervolgens kan ‘n vol gelaaide lithium-lugbattery, wat sowat 60kg weeg, in staat wees om ‘n elektriese voertuig met ‘n gewig van 2000 kg vir ongeveer 500 km ver te aan te dryf. Huidig het ‘n soortgelyke elektriese voertuig met ‘n lithium-ioonbattery van dieselfde gewig ‘n rykafstand van minder as 150 km. Daar is egter nog baie praktiese probleme in terme van drywing en batterylewensduur vir Lithium-lugbatterye. Dit is waarskynlik die rede waarom hierdie batterye nog nie ‘n lewensvatbare oplossing is nie. So terloops, ‘n 2,5MJ/kg battery wat ‘n elektriese motor aandryf begin vergelykbaar word met ‘n binnebrandenjin ten opsigte van ryafstand per kg. Dit is só omdat elektriese motors baie meer effektief is as hitte-enjins.
As daar met lithium-lugbatterye so ‘n blink toekoms vir elektriese voertuie voorspel word, kan ons ons indink watter groot voordele dit vir ‘n sonkragstelsel sal inhou.
Deon Vosloo 2018-04-06 at 11:05 - Reply
Johann het interessante inligting aan my deurgestuur na aanleiding van die gedeelte oor superkapasitore wat ek graag met ons lesers wil deel.
KiloWattLabs vervaardig die Sirius Energy Storage module (verspreiders is Solterra) wat ‘n superkapasitor is met ‘n terminaalspanning van 48V. Volgens die spesifikasie is die energiestoorder se kapasiteit is 7 100 Wh. Die DoD is 100% met ‘n lewensduur van 1 000 000 siklusse! Die spesifike energie word op 57 Wh/kg (= 205,2 kJ of 0,205MJ) gestel. In terme van die spesifieke energie kan ons hierdie energiemodule tussen die lood-suurbattery en die Li-ioonbattery plaas.
Hierdie oplossing, klink dit my, is kostegewys tans redelik prysig. In terme van die gewig en lewensduur van hierdie energiemodule ‘n beter opsie as lood-suurbatterye. In terme van lewensduur is dit steeds ‘n beter opsie as lithium-ioonbatterye, maar gewigsgewys is daar nadele.
‘n Verdere voordeel van die energiemodule is dat dit binne 60 min kan vollaai. (0,2C – 240C @ 0⁰C tot 80⁰C)
Ek verstaan dat die module spesiale elektronika het om die spanning tydens ontlading konstant te hou. Aangesien elektronika ook ‘n MTBF (mean time between failure) het is dit onduidelik of die gespesifiseerde siklusse met of sonder hierdie elektronika bepaal is.
Tommie Berry 2019-07-06 at 09:08 - Reply
Ek verstaan dat batterye wat in serie geskakel word van dieselfde soort en grote moet wees . Bv om n 24 volt stelsel te gebruik moet 2 12 volt batterye gebruik word in serie. Dan moet altwee bv 674 wees. Geld dit ook vir n 12 volt sisteem of kan ek dan verskillende grotes in parralel koppel?