Аккумулятор Tesla Powerwall: Революция в хранении энергии 

Аккумулятор Tesla, анонсированный Илоном Маском, привлекает значительное внимание СМИ, и это справедливо. Powerwall, как называют аккумулятор Tesla, может накапливать энергию из возобновляемых источников, таких как солнечные панели и ветряные турбины, чтобы удовлетворить энергетические потребности и уменьшить счета за электроэнергию. Маск сказал: «Наша цель — фундаментально изменить способ использования энергии в мире». Это благородное начинание в то время, когда человечество потребляет больше ресурсов, чем может дать наша мать-Земля.

Аккумулятор Tesla накапливает энергию во время пикового производства, когда выработка превышает норму, чтобы преодолеть разрыв, когда свободная энергия переходит в состояние покоя. Powerwall также смягчает пиковое потребление, когда сеть переменного тока перегружена до предела.

Глобальный контекст и реалии

Экологически сознательные Германия, Япония и другие страны уже много лет используют солнечные панели для снижения затрат на энергию. В некоторых частях Африки, где сеть переменного тока недостаточно развита, солнечные панели с резервным питанием от батарей являются обязательными. Установка солнечной системы в богатой энергией Северной Америке создает имидж энергоэффективности, а не делается из сугубо экономических и экологических соображений. Это становится очевидным, когда вы замечаете на подъездной дороге парк прожорливых автомобилей, работающих на бензине.

Солнечные панели

Надежные и долговечные солнечные панели для поддержки энергосистемы

Солнечная панель JA Solar Deep Blue 4.0 black Frame 455W

 Современная двусторонняя (bifacial) панель на базе N-Type технологии с двойным закалённым стеклом и чёрной рамой, которая сочетает высокую эффективность, эстетику и долгий срок службы даже в сложных климатических условиях.

Купить

Солнечная панель BlueSolar 330W-24V Poly Victron Energy

 Сочетает высокую эффективность в пасмурные дни, защиту от влаги и надёжность монтажа, что делает её идеальным выбором для дач, кемперов, лодок или систем резервного электропитания. 

Купить

Солнечная панель JA Solar Deep Blue 4.0 600W

 Объединяет в себе передовые инновации серии Deep Blue 4.0, обеспечивая исключительно высокую эффективность, долговечность и стабильную генерацию даже в сложных климатических условиях.

Купить

Посмотреть больше

Экономика солнечной энергии 

Возобновляемая энергия имеет экономический смысл, но она дорога. Западный мир снабжается дешевой и надежной электроэнергией из сети переменного тока. Между тем, электроэнергия, произведенная солнечной панелью, стоит около $0,20 за кВт·ч. С учетом дополнительных затрат солнечная энергия дороже, чем покупка электроэнергии у коммунальных предприятий в большинстве частей мира.

Несмотря на это, установка солнечных панелей на домах становится модной. Стоимость оборудования снизилась. Наиболее распространенными являются кристаллические кремниевые фотоэлектрические элементы с КПД около 20%. Стоимость оборудования для производства одного ватта электроэнергии составляет $2,00–$2,50 с тенденцией к снижению.

Конфликт с энергосетями

В штатах и странах, богатых солнечной энергией, таких как Калифорния, Аризона, Гавайи, Япония, а также в Германии, где электроэнергия дорогая, а солнечная энергия субсидируется, энергия от солнечных панелей подается обратно в сеть переменного тока. Это может привести к обратному вращению счетчика электроэнергии, компенсируя ранее потребленную энергию, но это также может вызвать проблему. Количество произведенной энергии не может превышать потребление. Сброс в сеть большего количества энергии, чем потребляется, делает систему нестабильной, что приводит к колебаниям напряжения, которые могут перегрузить цепь и привести к падению напряжения.

У возобновляемой энергии есть друзья и враги. С одной стороны, правительства предоставляют субсидии на установку систем возобновляемой энергии, в то время как коммунальные предприятия отчаянно пытаются остановить переход производства электроэнергии в домашних условиях, уменьшая стимулы, добавляя сборы или вытесняя компании, занимающиеся солнечной энергией для дома, сворачивая бизнес. Солнечные компании борются за это через регуляторов, законодателей и суды. Коммунальные предприятия утверждают, что незаконное производство энергии домовладельцами усложняет контроль и сокращает поток доходов. Они рассматривают это как создание избытка или голода из-за избыточного предложения в периоды изобилия и низкой оценки, когда вклад возобновляемых источников резко падает, в то время как спрос высок.

Конфликт понятен, поскольку коммунальные компании отвечают за обеспечение стабильного энергоснабжения, когда возобновляемые ресурсы отсутствуют. Также независимые производители энергии не могут обеспечить надежное решение для стареющей сети, которая стонет во время пикового спроса. Правильно это или нет, производство чистой энергии из возобновляемого ресурса никогда не должно ограничиваться, особенно если ресурс можно хранить.

Хранение энергии: От традиций к инновациям

Хранение электроэнергии не является чем-то новым, но еще не появилась ни одна система, которая бы полностью удовлетворяла потребности. Одним из наиболее эффективных средств хранения для крупных гидроэлектростанций является перекачивание воды обратно в резервуар во время низкого спроса на электроэнергию и обеспечение ее доступности в часы пиковой нагрузки. С коэффициентом полезного действия 70–85 процентов, гидроаккумулирующими электростанциями легче управлять, чем настраивать генераторы для удовлетворения колеблющихся потребностей в мощности. Маховики также служат накопителями энергии. Большие электродвигатели вращают маховики весом в одну тонну, когда доступна избыточная энергия, чтобы восполнить кратковременный дефицит энергии, стабилизируя сеть. Закачка сжатого воздуха в большие подземные полости – это еще один способ хранения энергии, но для малых и средних установок лучше всего подходят аккумуляторы.

Аккумуляторы в основном были свинцово-кислотными, и пользователи жалуются на их короткий срок службы. Частично это связано с чрезмерным циклированием, поскольку аккумулятор заряжается днем и разряжается ночью. Свинцово-кислотные аккумуляторы плохо подходят для глубокого циклирования, что приводит к чрезмерному износу и короткому сроку службы.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Еще одной проблемой является сульфатация, которая накапливается, когда свинцово-кислотные аккумуляторы периодически не полностью заряжаются. Полностью насыщенный заряд занимает до 16 часов, и ни одна солнечная система не может поставлять энергию в течение такого длительного времени. Кроме того, потребление электроэнергии со временем, как правило, растет, в то время как солнечные панели уменьшают свою мощность из-за накопления грязи и старения. Это часто приводит к недостаточному заряду свинцово-кислотных аккумуляторов.

Преимущества литий-ионного решения Tesla

Аккумулятор Tesla частично решает эту проблему, используя литий-ионные аккумуляторы, которые более устойчивы к циклической разрядке/зарядке, чем свинцово-кислотные. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы не нужно полностью заряжать; на самом деле частичный заряд предпочтительнее, поскольку он снимает нагрузку. Однако литий-ионные аккумуляторы дороже свинцово-кислотных, и Илон Маск решает эту проблему с помощью массового решения, предлагая модульный бытовой продукт, который подходит для широкой базы пользователей.

Аккумулятор Tesla хранит 7 или 10 кВт·ч энергии, чего достаточно, чтобы освещать дом и развлекать его в течение нескольких часов в день. Лимита мощности аккумулятора в 2 кВт достаточно для одновременной работы холодильника, поджаривания тостов и, возможно, глажки рубашек, но этого недостаточно, чтобы приготовить еду на электрической плите, включить сушилку или поддерживать работоспособность кондиционера. Любой из этих высокоэнергетических приборов потребляет во много раз больше мощности, чем аккумулятор Tesla в 2 кВт. Во время пиковой активности дома сеть переменного тока беспрепятственно включается, чтобы заполнить пробел. Система Tesla с солнечными панелями, способными заряжать аккумулятор в течение дня, якобы уменьшает счета за электроэнергию на треть-вдвое.

Большинство солнечных систем не имеют резервного питания от аккумуляторов. Из-за более низких субсидий и меньшей платы за энергию, поставляемую обратно в сеть, владельцы солнечных систем ищут способы сохранить дополнительный выработанный ресурс и накапливать его в аккумуляторах. Это увеличит стоимость, поскольку солнечная система с литий-ионным аккумулятором будет значительно выше.

Чтобы полностью зарядить аккумулятор Tesla в течение пяти часов оптимального солнечного света в день, понадобится солнечная система мощностью 5000–12 000 Вт. При ориентировочной стоимости 2 доллара за ватт, солнечное оборудование мощностью 10 000 Вт будет стоить 20 000 долларов. Установка и преобразователь постоянного тока в переменный для преобразования солнечной энергии в совместимую переменную и синхронизации ее с сетью могут удвоить стоимость. Аккумулятор будет дополнительным расходом.

Еще одним скрытым расходом при расчете стоимости солнечной системы, который часто не учитывают, является окончание срока службы. Солнечные панели имеют срок службы 25 лет, а Tesla гарантирует аккумулятор в течение 10 лет. Только время покажет, насколько долговечным будет литий-ионный аккумулятор в солнечном применении и какую емкость он сохранит после 10 лет непрерывной работы.

По всем ожиданиям, аккумулятор Tesla будет использовать ту же технологию, которая так хорошо работает с электромобилями Tesla. Эти аккумуляторы для электрических силовых агрегатов используют элементы NCA (никель-кобальт-алюминиевые), которые несут высокую удельную энергию и хорошо подходят для глубоких циклов разрядки-зарядки.

Кроме ограничения мощности разряда на зарядной станции Powerwall до 2 кВт, еще одним способом увеличения срока службы является частичный заряд. Электромобили используют этот уменьшенный диапазон выходной мощности, заряжая новый аккумулятор лишь примерно до 80 процентов и разряжая примерно до 30 процентов. По мере старения аккумулятора и уменьшения емкости система управления аккумулятором постепенно расширяет пропускную способность, и конечным эффектом является система подачи энергии, которая остается стабильной не только тогда, когда аккумулятор новый, но и даже после 10 лет службы. Как только для получения полной энергии с каждым циклом необходимо использовать полную пропускную способность, процесс износа прекращается, и емкость начнет быстрее уменьшаться из-за дополнительной нагрузки.

Что касается характеристик производительности, Powerwall будет вести себя больше как гибридный автомобиль, чем как электромобиль. Хотя электромобиль полностью зависит от аккумулятора для движения, гибрид все еще ездит с разряженным аккумулятором, но теряет лишь электрическую помощь. В этом отношении гибридный аккумулятор является более щадящим. Испытания показали, что гибридный аккумулятор с 40-процентной емкостью имел лишь незначительное увеличение расхода топлива по сравнению с аккумулятором со 100-процентной емкостью. Аналогично, Powerwall не оставит жителя в темноте и все еще будет поставлять энергию с частичной емкостью, хотя система станет менее эффективной.

Хотя цена приобретения литий-ионного аккумулятора выше, чем свинцово-кислотного, стоимость цикла ниже благодаря повышенному сроку службы и устойчивости к частичному заряду. Литий-ионный аккумулятор также является одним из самых эффективных с точки зрения потерь во время заряда и разряда. Аккумулятор, который стал популярным в мобильных телефонах, ноутбуках, электроинструментах и медицинских устройствах, проникает в стационарное применение, но надежный свинцово-кислотный аккумулятор сохранит свою долю рынка для установок, в которых глубокие разряды требуются лишь изредка, таких как ИБП. Современные микросети, поддерживающие возобновляемые ресурсы, будут в основном работать на литий-ионных аккумуляторах.

Сравнение технологий аккумуляторов

Краткое содержание

Цель аккумулятора Tesla — сделать матушку-землю немного зеленее, но также необходимо учитывать другие формы энергосбережения. Что касается потребления энергии, частные автомобили являются одним из наименее эффективных видов транспорта. Двигатель внутреннего сгорания использует менее 25 процентов чистой теплотворной способности топлива для движения. Такая неэффективность становится откровенно тревожной, если учесть вес транспортного средства с одним пассажиром, водителем. Разгоняя 1,5-тонное транспортное средство, менее двух процентов энергии перемещает 75-килограммового (165 фунтов) водителя, его портфель и сумку для ланча, 98 процентов уходит на тепло, трение и кинетическую энергию, которая в основном теряется.
 

Аккумулятор Tesla движет нас в правильном направлении, не жертвуя комфортом и не требуя изменения образа жизни. Добавление Powerwall в портфолио продуктов Tesla предоставляет возможность для добавления новой экономии масштаба в индустрию аккумуляторов, что будет способствовать технологическим усовершенствованиям и снижению затрат. Хранение энергии для дальнейшего использования также принесет пользу индустрии аккумуляторов, в которой Tesla все больше доминирует.