1. Elektrika i elektronika

Olovni i litijski akumulatori

Broj ciklusa punjenja i pražnjenja litijskih akumulatora može biti i do 4.000 što je dvostruko više nego kod olovnih baterija, a težina za istu količinu energije i do 4 puta manja nego kod olovnih baterija. Pa iako su mnoge prednosti na strani litij akumulatora oni ipak nisu sveti gral skladištenja električne energije. To je još uvijek akumulator kojem treba previše prateće opreme koja može biti čak i skuplja od samoga akumulatora ili osnovne ćelije. Naponske tolerancije su vrlo male, i svako prekoračenje napona punjenja i pražnjenja može rezultirati uništenjem ćelije. A što je baterijski sustav veći, to je i sustav nadzora i hlađenja složeniji

O akumulatorima smo već mnogo toga napisali, a ovu temu smo obrađivali još od prvih brojeva Burze Nautike. Uvijek smo govorili o različitim mogućnostima i varijantama spajanja, razdvajanja, punjenja ili pražnjenja akumulatora. U međuvremenu se na području akumuliranja električne energije dogodilo mnogo novih stvari, ali unaprijed treba napomenuti da se ipak još nije dogodilo ništa revolucionarno što bi iz temelja promijenilo ili poboljšalo ove sustave. Jedino što je značajno novo su litij-polimer baterije koje su najavljivane kao konačno rješenje problema skladištenja električne energije.

Nažalost, u ovim proteklim godinama pokazalo se da one nisu i konačno rješenje problema, jer uz mnoge prednosti imaju i još više nedostataka. Iako su po efikasnosti svakako bolje od olovnih akumulatora, ipak su stvari mnogo složenije nego što se to javno govori. I tako smo mi još uvijek daleko od pravoga rješenja ovog problema.

I na području proizvodnje električne energije iz alternativnih izvora, kao što su sunce ili vjetar, također nema nekih revolucionarnih rješenja, barem ne među onim proizvodima koji se već nalaze u komercijalnoj civilnoj upotrebi.

Da bismo shvatili o čemu se zapravo radi pokušat ćemo prikazati sve glavne tipove akumulatora, njihove mane i prednosti tako da nakon toga svaki od čitatelja može i sam prosuditi koliko se daleko nalazimo od konačnoga rješenja. Opisat ćemo brojne akumulatore, od onih klasičnih koji već desetljećima u skoro neizmijenjenom obliku napajaju sve sustave odvojene od mreže, pa sve do najnovijih litij akumulatora. Jer i oni već imaju nekoliko podvrsta odnosno izvedenica osnovnog litij-polimer akumulatora. Ali u osnovi sve je to isto. Sve se svodi na olovo i litij. Ipak, prije nego krenemo opisivati prednosti i nedostatke pojedinih modela i tipova akumulatora treba razjasniti o čemu zapravo govorimo.

Osnovni pojmovi

Prvo moramo pojasniti osnovnu terminologiju. Osnovna dilema s kojom se susreće obični smrtnik je pitanje: kaže li se ispravno baterija ili akumulator. Pa i u tekstovima koje smo mi pisali ove smo termine koristili kao istoznačnice, i malo ih pisali ovako, a malo onako.

Po definiciji baterija je izvor električne energije koji se unaprijed formira, odnosno napuni, nakon čega se kao izvor može iskoristiti samo jednom, dok se ne isprazni. Postoji mnogo vrsta baterija, i vjerojatno nema ljudi koji ih ne koriste. To su takozvane primarne baterije, odnosno baterije koje se više ne mogu koristiti nakon što su se potrošile. Tu spadaju one obične baterije čija je osnova ugljen i cink, zatim alkalne baterije, srebro-oksidne, živine i litijeve baterije. Neke od ovih vrsta se mogu i puniti pa onda više ne govorimo o baterijama već o akumulatorima, odnosno akumulatorskim baterijama. Prepoznaju se prema oznaci na samoj bateriji Rechargeable batteries.

Jedna od danas najčešće korištenih je litij-ion, a u novije vrijeme litij-polimer baterija koja se danas nalazi gotovo u svakom mobilnom telefonu. Litj-polimer su punjive baterije na bazi litija, a zamijenile su prethodnu generaciju litij-ionskih baterija. Odlikuje ih velika gustoća energije, a razlika je u elektrolitu koji je u ovom slučaju polimer. Mana im je da su osjetljive na niske temperature, a i životni vijek im je nešto kraći od prethodnih litij-ionskih baterija. Osim toga ove baterije u prosjeku nakon 500 ciklusa punjenja gube oko 20% kapaciteta. U budućnosti će se vjerojatno pojaviti baterije koje neće imati ove probleme, ali za sada još uvijek morate razmišljati o trenutku kada ćete morati promijeniti bateriju u vašem mobilnom telefonu.

Akumulator je elektrokemijski izvor električne energije koji se može više puta puniti i prazniti. Naravno broj ciklusa ovisi o vrsti akumulatora i načinu punjenja i pražnjenja. Kad govorimo o akumulatorima, recimo onima koji se nalaze u automobilu, u brodu, u solarnim fotonaponskim sustavima ili radnim strojevima, onda ih u osnovi dijelimo na dvije grupe. Jedno je prema vrsti, tj. konstrukciji i materijalima koji se koriste za njihovu izradu, a druga grupa je prema namjeni.

U osnovi, barem za sada, postoje dvije osnovne vrste akumulatora. Olovni i litijski. I jedna i druga vrsta imaju izvedenice koje se razlikuju u konstrukcijskim rješenjima, vrsti i načinu kako je elektrolit ukomponiran u samu bateriju. Kod olovnih akumulatora postoje četiri osnovne vrste.

Olovni akumulatori s tekućim ili imobiliziranim elektrolitom

Ovo je akumulator koji ima najširu upotrebu u skoro svim sustavima koji trebaju izvor napajanja. Od automobila, radnih strojeva, podmornica, solarnih sustava i, naravno, plovila. Osnovna konstrukcija se nije mnogo promijenila još otkad su ušli u komercijalnu upotrebu tj. od njegova izuma. Olovne ploče ili pozitivna elektroda izrađena je od rafiniranoga olova posebno nagriženog tako da je njegova stvarna površina i do 10 puta veća od njene geometrijske površine. Na nju je nanijet sloj suho formiranog aktivnog olovnog oksida PbO2. Negativna elektroda je olovna rešetka na koju je nanesena aktivna masa spužvastog olova. Ploče su međusobno odvojene pločama od mikroporoznog PVC-a, a elektrolit je sumporna kiselina H2SO4.

Ovisno o stanju elektrolita govorimo o klasičnim i o gel baterijama. Klasične imaju tekući elektrolit, dok gel baterije imaju elektrolit koji je želiran tako da baterije mogu raditi u svim položajima, sve dok kleme nisu okrenute prema dolje. Slične su izvedbe i AGM i VRLA akumulatori, s tom razlikom da je u tom slučaju elektrolit imobiliziran u staklenoj vuni koja je stješnjena između olovnih ploča. I to je osnovna konstrukcija. Naravno, postoje razne izvedenice ovih akumulatora; akumulatori zatvorenoga tipa kod kojih se posebnim sustavom cijevi isparavanja i tekućina vraćaju nazad u akumulator, i akumulatori otvorenoga tipa s čepovima koji omogućuju dolijevanje elektrolita. Otvoreni su uglavnom tek neki od starijih akumulatora s tekućim elektrolitom, dok su GEL i AGM akumulatori zatvorenoga tipa i ne trebaju nikakvo dolijevanje niti dopunjavanje kiseline.

Olovno kristalni akumulatori

Jedna posebna vrsta olovnih akumulatora koja je nepravedno zapostavljena su olovno kristalni akumulatori (Lead crystal). Ovo su akumulatori razvijani posebno za vojne potrebe u podmornicama, a njihov najveći problem je što predugo traju. Uz pravilno punjenje mogu trajati i preko 50 godina!

Tajna ovih olovnih akumulatora je u njihovom elektrolitu, a to je silicijeva kiselina. Kad su prazni silicijeva kiselina se kristalizira i tako ispražnjeni mogu stajati godinama bez da dođe do oštećenja. Kod njih ne postoji problem sulfatizacije, već kristalizacije. Naime kad se baterija prazni elektrolit se kristalizira, a može se prazniti i do 100% bez straha da će doći do oštećenja. Jedini problem je njihovo punjenje. Mogu se puniti i klasičnim punjačima, ali u tom slučaju njihova efikasnost je mnogo manja, jer se ne mogu napuniti ni do pola nazivnog kapaciteta. Stoga su za njihovo punjenje najpogodniji pulsni punjači, i u tom slučaju mogu se stalno puniti do punoga kapaciteta od 100%, a što je najvažnije, on se vremenom ne smanjuje kao kod običnih olovnih akumulatora.

Međutim zbog njihove dugovječnosti nema puno proizvođača koji su zainteresirani za proizvodnju ovih akumulatora, tako da u svijetu postoje samo dva proizvođača, i to jedan u Americi i jedan u Kini. Ovo su odlični akumulatori za pogon plovila i za solarne sustave, kao i za sva mjesta na kojima trebamo dugovječne akumulatore koji se mogu duboko prazniti.

Odličan je trakcijski akumulator, dok je za pokretanje motora poprilično loš. Ne može se u kratkom vremenu izvući velika količina struje, ali se mogu prazniti relativno visokim strujama. Cijenom su u rangu gel akumulatora, ali je odnos dobivenog za uloženo mnogo bolji nego kod bilo kojeg drugog akumulatora.

Postoji još jedna vrsta akumulatora, također nepravedno zaboravljenih i zapostavljenih. Iako ovi akumulatori nisu olovni, radni vijek im je skoro pa neograničen. To su čelični tj. želejzo-željezo akumulatori kod kojih su i pozitivna i negativna ploča čelične, a elektrolit je lužina kalijev hidroksid, dakle ne kiselina kao kod olovnih akumulatora. Vijek trajanja im je preko 100 godina, zbog čega su idealni za stacionarne sustave. Teži su od olovnih akumulatora jer za isti kapacitet trebaju veću površinu ploča, ali su zato cijenom vrlo povoljni. Za orijentaciju; 1.000 Ah može koštati oko 500 eura.

Kako su praktično neuništive, ni proizvođačima nije u interesu da ih proizvode, jer kad ih jednom kupi, kupcu više ne trebaju drugi akumulatori, naravno osim za povećanje kapaciteta. Ovakvi akumulatori i zbog svoje težine i veličine nisu pogodni za korištenje na plovilima. I ovi akumulatori najbolje rezultate postižu postižu ako se pune impulsnim punjačima, i tada su pogodni i za trakcijske sustave.

Sve ove vrste akumulatora razvrstavaju se i prema namjeni. Najpoznatiji su startni akumulatori. Oni su u skoro svakom automobilu ili pored brodskog motora za njegovo startanje. Odlika ovih akumulatora je da se iz njih u kratkom vremenu može izvući velika količina struje. Međutim, iako imaju vrlo visoku startnu struju, u pravilu se ne prazne više od 20%, nakon čega ih treba ponovno puniti. Za razliku od njih postoje akumulatori za duboka pražnjenja tzv. "Havy duty ili deep cycle" akumulatori. To su obično akumulatori veće snage grupirani prema naponu i potrebnom kapacitetu, a služe i kao akumulatori opće namjene na brodu. Neke od ovih vrsta podnose pražnjenja i do 80% kapaciteta, ali ne i preko toga.

Naime, ovih i 80% je već previše za svaki olovni akumulator, čak i ako govorimo o GEL ili AGM akumulatorima. Bez obzira na tip olovnog akumulatora, svako duboko pražnjenje uzrokuje starenje i sulfatizaciju. Kod nekih to je brže, a kod nekih, primjerice GEL ili AGM, to je mnogo sporije.

Trakcijski akumulatori su najčešće olovno-kiselinski akumulatori koji podnose duboka pražnjenja, i mogu biti otvorenog ili zatvorenog tipa, odnosno u njih se može nadolijevati elektrolit koji isparava tijekom punjenja i pražnjenja, a služe za pokretanje i pogon transportnih vozila, za pogon brodova, solarnih sustava i slično. Ovakvi sustavi obično se slažu od pojedinačnih ćelija prema definiranoj namjeni. Ćelije su uglavnom u jednom zajedničkom kućištu i najčešće su otvorenog tipa. Vijek trajanja im je 6-7 godina, a mogu podnijeti i do 2.000 ciklusa, pod uvjetom da se redovito pune i ne prazne preko 80% kapaciteta.

Vrlo slični ovim sustavima su i takozvani stacionarni akumulatori. Razlika je najčešće u tome što su prvi obično manji po kapacitetu i služe za pogone vozila tj. mobilni su, dok su stacionarni sustavi mnogo većega kapaciteta, i do nekoliko tisuća ampersati. I kod akumulatora koji se koriste u stacionarnim sustavima može biti više različitih izvedbi, prema načinu dopunjavanja elektrolita ili prema izvedbi pozitivnih ploča. Uglavnom se koriste u industrijskim postrojenjima, kao pomoćni sustavi u telekomunikacijama ili solarnim elektranama.

Litijski akumulatori

Osnovni parametar koje određuje kvalitetu i upotrebljivost akumulatora je njegova energetska efikasnost. A to je ono što litijeve baterije gura u prvi plan! Bez obzira na sve njihove mane, za sada to su još uvijek energetski najučinkovitiji akumulatori.

Osnovni elementi litij-ionske baterije su elektrolit koji dopušta kretanje iona, i dvije elektrode, pri čemu je katoda litijev metalni oksid, anoda porozni ugljik, a elektrolit litijeva sol. Prilikom pražnjenja litijevi ioni se kreću od negativne elektrode prema pozitivnoj i obrnuto kad se akumulator puni. I to je pojednostavljeno princip rada litijevog akumulatora. Međutim litij je jako osjetljiv i kemijski vrlo nestabilan, i da bi se održao pod kontrolom treba mnogo elektronike koja mu omogućava funkcioniranje. Od svih vrsta litijevih baterija najefikasnija je čista litij-polimer baterija koja ima najveću gustoću energije.

Upravo ove baterije nalaze se u većini naših mobitela gdje s obzirom na veličinu i ne mogu napraviti neku veću štetu. Da bi se smanjila opasnost od čistog litija koji je lako zapaljiv, baterije se moraju pasivizirati, pa se između litija i polimera ubacuje željezo. Iako je razvijeno više vrsta koje imaju i veću gustoću energije, u komercijalnoj upotrebi najčešće je LiFePO4 (litij-željezo-fosfat). Međutim kod ovog tipa je i brzina punjenja i pražnjenja nešto manja, gustoća energije je znatno manja od primjerice LiNiCoAlO2 (litij-nikal-kobaltne baterije), ali je sigurnost zato mnogo veća jer je litij ubacivanjem željeznog oksida na određeni način pasiviziran.

Spajanje i nadzor litijskih akumulatora

Osnovna ćelija litijevih akumulatora ima napon od 3,6 volta, za razliku od olovnih čiji je napon 2 volta. Spajanjem 4 ovakve ćelije dobijemo akumulator odnosno jedinicu napona 12,8 volti, ili ako ih u seriju dobijemo spojimo osam napon od 25,6 volti. Pad napona na jednoj od ćelija ispod 2,5 volti može nepovratno uništiti ćeliju, ali isto tako može ju uništiti i previsoki napon punjenja koji prelazi 4,5 volta jer to može izazvati pregrijavanje ćelije i razaranje ili zapaljenje. Zato svaka litijeva baterija na sebi ima elektroniku tzv. BBS (Batery Balancing System) koji je aktivan i kad se akumulator puni i kad se prazni. On kontrolira napon punjenja i pražnjenja svake ćelije i mora biti savršeno ujednačen kod svih ćelija u akumulatorskom bloku, jer već i razlika od 0,5 volta dramtično mijenja situaciju. Kod velikih akumulatora od 100 Ah pa naviše, ovo može biti veliki problem.

Već smo rekli da je kod litijevih akumulatora problem napon punjenja. Već i pola volta previsok napon može uzrokovati velike probleme. Kada napon prijeđe tu granicu otpor pada i poraste struja u svim baterijama. U tom slučaju uključuje se elektronička regulacija napona koja isključuje ćeliju ili višak napona prebacuje na neku drugu ćeliju.

Ovi akumulatori su osjetljivi na napon punjenja i pražnjenja povećanjem sustava i broja ćelija tako da s porastom sustava postaju sve složeniji, posebno ako se radi o kapacitetu od nekoliko stotina ampersati. U takvim sustavima postoji posebna elektronička jedinica tzv. BMS (Battery Management System) koji je povezan sa svakom ćelijom i koji regulira napon na ćelijama kako ne bi došlo do prepunjavanja. Manji akumulatori imaju elektroniku koja nadzire rad svake pojedine ćelije i međusobno balansira njihovo punjenje i pražnjenje, a veći i složeniji sustavi imaju još i BMS koji nadzire rad akumulatorskoga bloka kao cjeline.

Optimalni sustav, barem što se punjenja tiče, bio bi onaj kad bi svaka ćelija imala svoj punjač, ali s obzirom na cijenu takav bi sustav bio krajnje neracionalan. Ionako je cijena litijevih akumulatora nekoliko puta viša od najskupljih GEL ili AGM akumulatora, a ovakvi punjači bi je još i udvostručili. Još jedan veliki problem kod litijskih baterija je njihovo zagrijavanje prilikom punjenja i pražnjenja. Posebno ako akumulatorski blok praznimo većim strujama. Ono je toliko intenzivno da veliki sustavi moraju imati posebne rashladne sisteme kod kojih kroz kućišta ili između pojedinih ćelija cirkulira rashladna tekućina.

Vrlo je malo sustava koji uz same akumulatore i punjače nude i sustave hlađenja. A uvjet dobrog rada litijske baterije je i radna temperatura koja bi trebala biti između 20 i 25 stupnjeva. Malotko u ponudi ima i sustav hlađenja, a on može značajno povećati cijenu tako složenog akumulatorskog bloka od primjerice par tisuća ampersati.

Neosporno da litijske baterije imaju značajne prednosti u odnosu na olovne akumulatore jer im je masa pri zadržavanju istoga kapaciteta i do četiri puta manja, a stupanj iskoristivosti i do 100%, dok je kod olovnih najviše do 70%.

Osim toga efikasnost u primjerice fotonaponskom sustavu je i do 99% dok olovne stacionarne baterije dostižu do 75% efikasnosti. Isto tako i broj ciklusa litijevih baterija može biti i do 4.000 što je dvostruko više nego kod olovnih baterija. Pa iako su mnoge prednosti na strani litij akumulatora oni ipak nisu sveti gral skladištenja električne energije. To je još uvijek akumulator kojem treba previše prateće opreme koja može biti čak i skuplja od samoga akumulatora ili osnovne ćelije.

Naponske tolerancije su vrlo male, i svako prekoračenje napona punjenja i pražnjenja može rezultirati uništenjem ćelije. A što je akumulatorski sustav veći, to je i sustav nadzora i hlađenja složeniji. Po robusnosti su daleko ispod primjerice olovno kristalnih baterija, a sve se svodi na to da je hardver odnosno sam akumulator, vrlo osjetljiv i ranjiv, a svi problemi koji mogu nastati iz toga rješavaju se softverski, odnosno elektronikom i programiranjem. Možda u budućnosti i ovi akumulatori ili neke njihove izvedenice budu manje zahtjevni i efikasniji, ali do tada onaj tko ima mogućnosti, uvijek će izabrati litijski akumulator.