Гражданская безопасность: устройства хранения электрической энергии
Продолжаем наш цикл «гражданская безопасность» – ранее мы рассмотрели способы выживания в различных типах жилищ в условиях отключения теплоснабжения и электро-газоснабжения.
Обеспечить отопление жилища с помощью автономных источников электроэнергии практически невозможно – слишком мощный потребуется источник, точнее, теоретически это возможно, особенно в сочетании с энергосберегающими технологиями, но очень сложно и дорого.
Например, для того чтобы обеспечить круглосуточную работу электрического обогревателя мощностью 0,5 кВт, способного обогреть маленькую хорошо утеплённую комнату, необходимо примерно 20 автомобильных аккумуляторов ёмкостью по 65 А·ч (ампер-часов) каждый, для запитки которых потребуется 15 солнечных панелей максимальной мощностью 200 Вт каждая, не считая преобразователей напряжения, контроллеров заряда-разряда и прочего, да и КПД такой системы будет непрерывно падать.
Впрочем, если не рассматривать задачу обогрева жилища, то электроэнергия – это исключительно важный ресурс, и сегодня мы поговорим о том, как её можно хранить, например, на случай периодических отключений сетей электроснабжения.
Базовые вопросы
Обеспечение электроэнергией требует наличия как минимум двух составных частей – источника электроэнергии и устройства для его хранения. Также в процессе используются преобразователи напряжения и контроллеры заряда-разряда, но зачастую они уже встроены в устройства производства или хранения электроэнергии, если же нет, то их необходимо добавлять в систему электроснабжения отдельно.
Проблема в том, что разные потребители имеют разные требования по питанию: кому-то необходимо 4,5 В, кому-то 12 В, а кому-то и 220 В. В то же время источники и устройства хранения электроэнергии также могут иметь разное выходное напряжение: от тех же 4,2 В у литиевых аккумуляторов до 12,6 В у автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторов. При этом существуют литий-железо-фосфатные аккумуляторы с выходным напряжением 3,2 В и свинцово-кислотные аккумуляторы для грузовых автомобилей, выдающие напряжение 24 В, а также аккумуляторы иных типов.
Всё это необходимо учитывать при построении системы электроснабжения, так как иначе можно сжечь предполагаемые потребители энергии, также не стоит забывать, что при преобразовании теряется определённый процент энергии, так что злоупотреблять излишними преобразованиями тоже не стоит.
Начать можно с того, что в каждом доме должно быть такое устройство, как мультиметр, — стоят они недорого, от нескольких сотен рублей, если не брать в расчёт профессиональные решения. В быту мультиметр очень полезен, хотя бы для того, чтобы понять остаток заряда батарейки, аккумулятора, понять, «живы» ли они, или прозвонить цепь на предмет разрыва.
Удивительно, но во многих домах мультиметра нет, и даже мужчины не умеют им пользоваться – это к слову о том, чем дети должны заниматься на уроках труда, вместо бесполезных уроков «этикета» и непонятных «разговоров о важном».
Рассматривая устройства хранения электрической энергии, не будем говорить о каких-то экзотических решениях, таких как маховики, гравитационные или пневматические системы рекуперации энергии, тепловые аккумуляторы и тому подобное, только обычные, доступные к приобретению обычными гражданами России в настоящее время или в ближайшем будущем аккумуляторные батареи различного типа.
Литиевые аккумуляторы
Разумеется, литиевые аккумуляторы – это первое, что приходит в голову, именно с литиевыми аккумуляторами большинство населения сталкивается каждый день. Хранилища электроэнергии на базе литиевых аккумуляторов можно условно разделить на три типа.
Первый тип – это портативные аккумуляторы или пауэрбанки, большинство бытовых пауэрбанков имеет ёмкость от 5 до 20 А·ч, хотя существуют и модели на 30-60 А·ч. Их входное и выходное напряжение составляет 3,6-4,2 В, а выходной ток зависит от реализации той или иной технологии быстрой зарядки, входы и выходы обычно являются вариациями разъёма USB – USB-A, micro-USB, USB type-C.
Пауэрбанки доступны – их стоимость начинается от нескольких тысяч рублей, в наше время они имеются практически в каждой семье.
У литиевых аккумуляторов есть три недостатка: они теряют ёмкость при отрицательных температурах, они теряют ёмкость со временем, и они являются пожаро-взрывоопасными.
Впрочем, для защиты от низких температур аккумулятор можно держать ближе к телу, а ёмкость при грамотной эксплуатации они теряют достаточно медленно – главное их не перегревать, не перезаряжать, не переразряжать, не заряжать и не разряжать большими токами. У автора до сих пор жив фонарик Fenix Premium Q5, купленный где-то в 2007-2008 годах, и остаточная ёмкость его литиевых аккумуляторов формата 16340 составляет порядка 70% – а ведь прошло почти 20 лет!
Что касается пожаро-взрывоопасности, то здесь также необходимо следить за соблюдением правил эксплуатации, не разбирать и механически не повреждать аккумуляторы, не использовать вздувшиеся изделия.
Второй тип – это портативные электростанции, которые, по сути, являются увеличенными пауэрбанками с расширенным функционалом, они могут быть выполнены как на базе «классических» литиевых аккумуляторов, так и на базе литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Портативные электростанции обычно включают в себя зарядное устройство от сети 220 В и инвертор, позволяющий выдать напряжение 12 / 24 / 220 В, в зависимости от модели.
Ёмкость портативных электростанций может составлять сотни-тысячи А·ч, а то и Вт·ч (ватт-часов), в остальном на портативные электростанции распространяется всё, сказанное выше для пауэрбанков.
Кстати, литий-железо-фосфатные аккумуляторы практически пожаро-взрывобезопасны, меньше боятся отрицательных температур, но распространены они значительно меньше, чем «классические» литий-кобальтовые аккумуляторы (ICR) или литий-марганцевые аккумуляторы (IMR или INR) из-за почти вдвое меньшей удельной энергоёмкости, впрочем, они могут использоваться в электросамокатах и электровелосипедах.
Третий тип – это базовые литиевые элементы, то есть аккумуляторы формата 18650, 21700 и т.п., которые используются как отдельно, так и в составе сборок, в том числе и вышеупомянутых пауэрбанков и портативных электростанций.
Зачем выносит их в отдельный тип?
Затем, что базовые литиевые элементы входят в состав множества электронных устройств, а главное, электромобилей и гибридов – последних в нашей стране пока ещё не так уж и много, но их количество будет расти, и в случае кризиса это будет весьма перспективный источник аккумуляторов для самостоятельной сборки устройств хранения электроэнергии.
Следует только помнить о том, что литиевые аккумуляторы нельзя паять за торцы (если на них нет отдельных выводов), в лучшем случае это чревато выходом аккумуляторов из строя, а в худшем – взрывом.
Свинцово-кислотные аккумуляторы
В быту они используются значительно реже, в основном в источниках бесперебойного питания (ИБП), но зато свинцово-кислотный аккумулятор есть в любом автомобиле, а в случае серьёзного кризиса множество автомобилей встанет на прикол. Свинцово-кислотные аккумуляторы менее пожаро-взрывоопасны, нежели литиевые, также они более устойчивы к минусовым температурам.
Однако обслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы могут выделять пары серной кислоты, так что размещать их в жилом помещении нецелесообразно. Также в обслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторах периодически необходимо доливать электролит – серную кислоту и дистиллированную воду. У необслуживаемых аккумуляторов (типа AGM или гелевых) таких проблем нет.
Для автомобильных аккумуляторов требуется зарядное устройство от 220 В и инвертор напряжения на 4,5 В / 220 В, да и в случае постоянной зарядки от источника питания напряжением 12 В, например, от солнечной батареи, потребуется контроллер заряда.
Современные зарядные устройства стоят очень недорого, где-то пару тысяч на маркетплейсах, так что иметь их в хозяйстве рекомендуется каждому автомобилисту. Помимо зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов, они позволяют производить процедуру их десульфатации, увеличивая срок службы.
Впрочем, по мнению автора, в автомобиль лучше ставить новый аккумулятор, ведь «резина», технические жидкости и аккумулятор – это те расходники, на которых экономить не стоит, а старый аккумулятор как раз можно использовать дома как резервный источник электропитания с инвертором.
Примитивный инвертор также стоит пару тысяч рублей, хороший инвертор, поддерживающий чистую синусоиду, стоит дороже, но он того стоит, так как некоторые электроприборы не будут работать от источника питания с модифицированной или аппроксимированной синусоидой, а некоторые и вовсе могут выйти из строя.
Кстати, в своих накопителях энергии Powerwall для индивидуальных домохозяйств компания Tesla как раз использует отработавшие свой срок литиевые аккумуляторы, снятые с электромобилей.
Натрий-ионные аккумуляторы
Это новый тип аккумуляторов, в магазинах их пока почти не найти, и очень много подделок, что несколько противоречит требованию «доступность», но, скорее всего, это вопрос ближайшего будущего.
Кто-то называет появление натрий-ионных аккумуляторов революцией, и автор склонен с этим согласиться. Хотя натрий-ионные аккумуляторы и уступают по удельной энергоёмкости литиевым где-то на треть, но зато они способны работать при минусовых температурах – без потери ёмкости до -20°С и до -40°С с потерей 10% ёмкости (до 90%), что сделает электромобили с такими аккумуляторами пригодными для эксплуатации на большей части территории России.
Кроме того, их срок службы составит более 5000–10000 циклов против 500–1000 у литий-ионных аккумуляторов, что позволит эксплуатировать их порядка 15–30 лет, а при щадящих условиях эксплуатации, скорее всего, и намного больше, также натрий-ионные аккумуляторы пожаро-взрывобезопасны.
Первые образцы пауэрбанков и портативных электростанций уже появились в продаже за рубежом, правда, пока их стоимость завышена из-за новизны технологии, но в перспективе, по мере увеличения масштабов и географии производства, она должна стать ниже, чем у литиевых аккумуляторов.
Столь выдающиеся характеристики позволяют говорить не только об огромном потенциале применения натрий-ионных аккумуляторов в гражданском сегменте, но и в военном. Автор в будущем планирует по максимуму избавиться от литиевых аккумуляторов, заменив их на натрий-ионные везде, где только это возможно.
Выводы
Наличие дома хотя бы двух-трёх пауэрбанков – это необходимый минимум, который обеспечит хотя бы базовые потребности в электроэнергии для средств связи и освещения на один-два дня при отключении или перебоях в работе сетей электроснабжения.
Портативная электростанция или автомобильный аккумулятор с зарядным устройством и инвертором увеличат этот срок до одной-двух недель, разумеется, речь идёт о маломощных потребителях электрической энергии – смартфонах, фонариках, рациях и тому подобном.
Однако, если отключение электроэнергии будет не периодическим, а постоянным, либо промежутки между подачей электроэнергии будут очень большими, то сколько бы энергии мы не запасли в аккумуляторах, но рано или поздно она закончится, и в следующем материале мы поговорим об автономных источниках электрической энергии, пригодных для бытового использования.
Информация