Почему Li-ion дешевле «свинца»

Принято считать, что масштабное внедрение литий-ионных аккумуляторов останавливает их слишком высокая цена. Почему это утверждение ошибочно в случае источников бесперебойного питания, давайте разбираться.

Предположим, у нас есть некоторое оборудование, для которого нужно обеспечить бесперебойное питание на протяжении определенного времени. Для максимальной объективности в качестве такого оборудования возьмем оборудование собственных нужд электрических подстанций. Поскольку от бесперебойного питания этого оборудования в аварийных ситуациях зависит безопасность людей и энергосистемы, к выбору аккумуляторных батарей энергетики относятся очень внимательно, методики их выбора стандартизованы, вдоль и поперек проверены компетентными организациями, а главное практикой.

Методические указания по выбору аккумуляторных батарей для этих целей подробно и с примерами расчета прописаны в стандарте организации СТО 56947007-29.120.40.216-2016 (далее — СТО) Федеральной Сетевой Компании Единой Энергетической Системы (ФСК ЕЭС) – по сетям которой ежедневно передается половина совокупного потребления электроэнергии в России.

Коротко в обобщенном виде алгоритм выбора емкости аккумуляторной батареи в данном стандарте состоит из следующих шагов:

1. Определение тока, потребляемого оборудованием на интервале времени, в течение которого должно обеспечиваться бесперебойное питание

2. Выбор емкости аккумуляторов с учетом интенсивности разряда аккумуляторной батареи и запаса емкости, обеспечивающего номинальные параметры работы батареи в конце ее срока службы

В Приложении А СТО выбор емкости свинцово-кислотных аккумуляторных батарей разобран на трех примерах. Для наших целей возьмем самый простой пример, в котором показан выбор свинцово-кислотной аккумуляторной батареи без устройства стабилизации напряжения и дополнительной группы аккумуляторов (Пример А.2.). По исходным данным этого примера выберем литий-ионные аккумуляторы и сравним стоимость выбранных батарей.

Определение тока, потребляемого оборудованием

На этом шаге моделируется самый сложный для батареи алгоритм включения оборудования, бесперебойность которого должна быть обеспечена. Моделирование проводят исходя из двух условий:

• если точный момент включения оборудования во время разряда батареи не известен, то это оборудование включается в конце разряда батареи

• если известно, что какое-либо оборудование не работает одновременно с другим, то предполагается, что оно включается последовательно в порядке возрастания токов

Эти правила обусловлены тем, что на протяжении разряда батареи напряжение на клеммах аккумуляторов снижается, и для выполнения оборудованием одной и той же работы требуется больший ток.

Получившийся алгоритм включения оборудования для наглядности представляется в формате диаграммы нагрузки. Если алгоритм составлен верно, то величина тока на диаграмме нагрузки будет ступенчато возрастать с течением времени (Диаграмма 1).

Основу этой диаграммы составляет ток постоянной нагрузки, которая в аварийном режиме не отключается, а переводится на питание от батареи. Дополнительно в аварийном режиме подключается временная и кратковременная нагрузки. Кратковременная нагрузка это, как правило, максимальный толчковый ток выключателя, который должен быть гарантировано обеспечен после разряда батареи остальными нагрузками.

Выбор емкости аккумуляторов

Сила тока, которую может выдать аккумулятор, нелинейно зависит от продолжительности тока нагрузки. Поэтому для каждой ступени диаграммы нагрузки отдельно рассчитывается необходимая емкость батареи, после чего полученные значения суммируются. Эта сумма принимается, как предварительно рассчитанная емкость батареи.

Влияние продолжительности тока нагрузки на требуемую емкость аккумулятора зависит от его свойств, и для использования в расчетах выражается коэффициентом интенсивности разряда (, Ач/А).

С учетом коэффициента интенсивности разряда предварительная величина требуемой емкости батареи определяется по формуле:

где, – номер интервала (ступени) диаграммы нагрузки, – продолжительность разряда, определяемая от начала интервала до конца разряда, – ток нагрузки на интервале .

Например, в результате оценки работы запитываемого от батареи оборудования получилась трехступенчатая диаграмма нагрузки общей продолжительностью и токовыми нагрузками , , на интервалах , , (Диаграмма 2).

Для этой диаграммы указанная выше формула примет вид:

Так как значения токов нам уже известны, для расчета емкости требуется определить коэффициенты интенсивности разряда.

Коэффициент интенсивности разряда представляет собой отношение номинальной емкости аккумулятора, выраженной в ампер-часах, при температуре 20°С и определённом напряжении на аккумуляторе в конце разряда, к силе тока в амперах, которую может обеспечить этот аккумулятор при разряде продолжительностью t (СТО 56947007-29.120.40.216-2016, стр.15).

Значения коэффициентов интенсивности разряда определяют с помощью предоставляемых производителями аккумуляторов разрядных характеристик, используя значения продолжительности разряда и необходимого напряжения на аккумуляторе в конце разряда.

Преобразование разрядных характеристик аккумуляторов иного вида

Разрядные характеристики аккумуляторов часто задают в виде зависимости напряжения на элементе от продолжительности разряда с заданным постоянным значением тока (мощности). Для приведения таких характеристик к виду зависимости коэффициента интенсивности разряда от продолжительности разряда нужно единичную емкость элемента разделить на значения разрядных токов и построить зависимость полученных значений от продолжительности разряда. Продолжительность разряда при этом определяется по пересечению кривых на исходных характеристиках с заданным уровнем напряжения на элементе.

Продолжительность разряда нам известна из сформированной диаграммы нагрузки, а напряжение на аккумуляторе в конце разряда, по условиям СТО, должно обеспечивать 0.85 номинального напряжения на клеммах электроприемников с учетом потерь напряжения в цепи.

На следующем шаге предварительно рассчитанная емкость батареи корректируется чтобы учесть ухудшение характеристик аккумуляторов с течением времени.

Для компенсации снижения емкости под влиянием рабочей температуры и старения аккумуляторов в процессе всего срока эксплуатации полученное значение емкости дополнительно увеличивают на коэффициент эксплуатации .

По условиям СТО, коэффициент эксплуатации должен формировать запас, обеспечивающий размер располагаемой емкости батареи не менее 80% от номинальной к концу ее срока службы в условиях работы при температуре 10°С.

Таким образом, коэффициент интенсивности разряда и коэффициент эксплуатации позволяют выразить различия технических характеристик аккумуляторов при выборе их номинальных емкостей

Чтобы увидеть влияние рассмотренных коэффициентов на различие номинальных емкостей литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов для питания одной и той же нагрузки, рассмотрим их выбор на конкретном примере – Пример А.2 из СТО.

Сравнение требуемой емкости литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов

В выбранном примере рассмотрен выбор свинцово-кислотной аккумуляторной батареи без устройства стабилизации напряжения и дополнительной группы аккумуляторов по следующим исходным данным: расчетная продолжительность режима аварийного разряда аккумуляторной батареи = 3 часа, суммарный ток постоянной и временной нагрузки (первая ступень графика) = 30 A, ток кратковременной нагрузки (вторая ступень графика) = 50 А имеет продолжительность = 5 секунд. Наибольшее допустимое напряжение на клеммах электроприемников 231 В (1.05 номинального напряжения или 1.05 * 220 В). Расчетное напряжение на клеммах батареи с учетом потерь в цепи должно быть не менее 194.44 В.

В течение аварийного разряда аккумуляторной батареи суммарно нагрузка потребляет 90.075 Ач.

Исходя из наибольшего допустимого напряжения на клеммах электроприемников равного 231 В и напряжения поддерживающего заряда свинцово-кислотных аккумуляторов 2.23 В в примере определено число аккумуляторов в батарее равное 104 шт. Поэтому минимальное напряжение на одном элементе батареи в конце заряда составит 194.44 В / 104 шт = 1.9 В.

В соответствии с разрядными характеристиками предполагаемых в СТО к установке свинцово-кислотных аккумуляторов типа GroE (БП) при напряжении в конце заряда 1.9 В коэффициенты интенсивности разряда составляют (График 1):

• для тока постоянной и временной нагрузки – 4.03 Ач/А

• для тока кратковременной нагрузки – 1.4 Ач/А

Коэффициент эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов в СТО принят равным 1.5 по общему правилу для аккумуляторов такого типа (СТО 56947007-29.120.40.216-2016, стр.15).

С учетом коэффициентов эксплуатации и интенсивности разряда расчетная емкость свинцово-кислотной аккумуляторной батареи составила:

В качестве номинальной емкости аккумуляторной батареи принято 300 А·ч, как большее значение емкости их ряда номинальных емкостей аккумуляторов типа БП. Таким образом, в результате расчета выбрана аккумуляторная батарея, состоящая из 104 аккумуляторов типа 12БП300, номинальной емкостью 300 А.ч.» (СТО 56947007-29.120.40.216-2016, стр.37)

Аналогичным способом для указанных выше исходных данных определим емкость литий-ионной батареи на основе LFP (литий-железо-фосфатных / lithium ferrophosphate) аккумуляторов, обладающих номинальным напряжением 3.2 В на элемент.

Выбор количества элементов литий-ионной батареи осуществляется округлением до большего четного значения отношения наибольшего допустимого напряжения на клеммах электроприемников к номинальному напряжения аккумуляторов, увеличенному на 5%. В нашем случае это 231 В / (1.05 * 3.2 В) = 68.75 шт, то есть 70 аккумуляторов.

При 70 аккумуляторах минимальное напряжение на одном элементе батареи в конце заряда составит 194.44 В / 70 шт = 2.8 В.

В соответствии с разрядными характеристиками предполагаемых к установке литий-ионных аккумуляторов (LT-LFP140, производства Лиотех) при напряжении в конце заряда 2.8 В коэффициенты интенсивности разряда составляют (График 2):

• для тока постоянной и временной нагрузки – 2.6 Ач/А

• для тока кратковременной нагрузки – 0.33 Ач/А (значение коэффициента меньше единицы обусловлено меньшим внутренним сопротивлением литий-ионных аккумуляторов, позволяющими им выдавать разрядный ток в 3-5 раз больше номинального)

Коэффициент эксплуатации для литий-ионных LFP аккумуляторов составляет 1.2 благодаря их большей термоустойчивости по сравнению со свинцово-кислотными.

С учетом коэффициентов эксплуатации и интенсивности разряда расчетная емкость литий-ионной аккумуляторной батареи составит:

С учетом ряда номинальных емкостей литий-ионных аккумуляторов типа LT-LFP в результате выбираем аккумуляторную батарею, состоящую из 70 аккумуляторов номинальной емкостью 140 Ач.

Из расчетов видно, что при необходимых для питания нагрузки 90 Ач, фактическая емкость свинцово-кислотной батареи составит 300 Ач, то есть 70% емкости обеспечивает технологический запас. В случае с литий-ионной батареей, для питания этой же нагрузки емкость батареи составит 140 Ач, то есть технологический запас будет уже 36%.

---

Эффект снижения стоимости батарей при переходе на литий-ионные аккумуляторы

Снижение этого запаса и количества элементов позволяют снизить стоимость литий-ионной батареи. Для рассмотренного примера полностью укомплектованная свинцово-кислотная батарея типа GroE (БП) обойдется в 3.4 млн руб. с НДС (на основе 104 аккумуляторов), а литий-ионная (на основе 70 аккумуляторов производства Лиотех) – в 3.0 млн руб. с НДС.

Если посмотреть на жизненный цикл батарей и условия их эксплуатации, то использование литий-ионных аккумуляторов позволяет получить дополнительные «бонусы».

Например, в некоторых режимах работы свинцово-кислотных аккумуляторов выделяется водород. В результате этого помещения аккумуляторных батарей относятся к взрывоопасным класса В-Iа (в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Литий-ионные аккумуляторы могут быть размещены в общем производственном помещении. Это позволяет исключить затраты на содержание электролитных и аккумуляторных помещений.

Поддержание работоспособности литий-ионных батарей требует гораздо меньшего количества операций, что позволяет снизить затраты на обслуживание в 2-3 раза по сравнению с малообслуживаемыми свинцово-кислотными аккумуляторами. Это связано с отсутствием необходимости регулярного контроля и восстановления уровня электролита и возможностями удаленного поэлементного мониторинга батареи.

Оценка дополнительных эффектов зависит от конкретного применения систем бесперебойного питания, но на примере батарей для бесперебойного питания оборудования собственных нужд электрических подстанций, снижение эксплуатационных затрат на одну систему составляет более 2 млн руб. за время эксплуатации или 2/3 стоимости батареи.

Технические особенности литий-ионных аккумуляторов также добавляют возможности, которые в определенных условиях могут быть монетизированы, в их числе:

• увеличение скорости восстановления заряда в 3-5 раз, которая существенно сокращает время возврата системы в состояние готовности после аварийных срабатываний

• меньшие габариты литий-ионных систем в 2.5-9 раз, а с учетом аккумуляторных и электролитных комнат до 100 раз, позволяющие высвободить дополнительную площадь производственных помещений (важный фактор перехода банков к использованию литий-ионных ИБП)

• меньший вес литий-ионных батарей (в 3-9 раз) существенно снижающий нагрузку на фундаменты и перекрытия (важный фактор для использования литий-ионных ИБП при цифровизации услуг государственных учреждений, находящихся в старом фонде)

---

Рассмотренный пример позволяет увидеть эффект снижения стоимости батарей при переходе на литий-ионные аккумуляторы для весьма специфического применения – трехчасового бесперебойного питания оборудования собственных нужд электрических подстанций. Обычным источникам бесперебойного питания свойственно более короткое время резервирования.

Однако сравнение разрядных характеристик свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов, показывает, что этот эффект усиливается при уменьшении времени резервирования. А это означает техническую возможность меньшей стоимости литий-ионных источников бесперебойного питания по сравнению со свинцово-кислотными.