Od żabich udek do baterii: Jak działa magazyn energii?
Trochę historii: Odkrycie elektryczności
Luigi Galvani był włoskim lekarzem i ciekawym naukowcem w XVIII wieku. Podczas eksperymentu badającego mięśnie żabich udek odkrył związek między warstwami metali a drganiem tych mięśni. Kiedy przypadkowo dotknął mięśni mosiężnym prętem do metalowej siatki, mięśnie zadrgały. Zdał sobie sprawę, że elektryczność odgrywa tutaj rolę – ale co dokładnie się działo, ustalono dopiero kilka lat później.
Włoski fizyk Alessandro Volta na podstawie odkrycia Galvaniego zrozumiał, że za pomocą dwóch różnych dysków metalowych i skórzanej dysku nasączonej solanką można wytworzyć napięcie elektryczne. Volta ułożył najpierw dysk cynkowy, potem wilgotny dysk skórzany, a następnie dysk srebrny jeden na drugim. Powtórzył to kilka razy, tworząc kolumnę Volty – pierwszą technicznie użyteczną baterię.
Na cześć tych odkryć naukowych:
- Jednostka fizyczna napięcia (Volt) została nazwana na cześć Volty
- Kombinacja dysków cynkowych, srebrnych i skórzanych została nazwana ogniwem galwanicznym
Ogniwo galwaniczne stanowi podstawę wszystkich nowoczesnych ogniw baterii.
Kilka podstaw: Metale szlachetne i nieszlachetne
Co ma wspólnego kombinacja srebra, cynku i skóry nasączonej solanką? Aby to zrozumieć, najpierw trzeba wyjaśnić kilka podstawowych pojęć.
Zdolność do oddawania i przyjmowania elektronów przez metale jest podstawą do opisania działania baterii:
| Rodzaj metalu | Właściwości | Przykłady |
|---|---|---|
| Metale szlachetne | Nie rdzewieją, mało reaktywne, zachowują elektrony i mogą przyjmować kolejne | Srebro, złoto, platyna |
| Metale nieszlachetne | Bardzo reaktywne, rdzewieją, oddają elektrony | Cynk, żelazo, aluminium |
Najważniejsze pojęcia techniki baterii
Anoda: Negatywna elektroda (minus), wykonana z materiału nieszlachetnego, oddaje elektrony.
Katoda: Pozytywna elektroda (plus), wykonana z materiału szlachetnego, przyjmuje elektrony.
Elektrolit: Ciecz lub ciało stałe, które za pomocą naładowanych cząsteczek (jonów) może przewodzić prąd elektryczny.
Separator: Oddziela anodę od katody, ale przepuszcza jony – zapobiega zwarciu.
Zasada działania w szczegółach: Proces rozładowania
Standardowe ogniwo baterii składa się z czterech komponentów:
- Anoda (minus)
- Katoda (plus)
- Elektrolit
- Separator
Tak działa rozładowanie:
- Oddawanie elektronów: Nieszlachetna anoda oddaje elektrony, które wędrują przez kabel do katody
- Tworzenie jonów: W wyniku braku elektronów w anodzie tworzą się dodatnio naładowane jony
- Wędrówka jonów: Jony rozpuszczają się w elektrolicie i wędrują przez separator do katody
- Dwa oddzielne prądy:
- Prąd elektronów przez kabel (użyteczny!)
- Prąd jonów przez elektrolit
- Ponowne połączenie: W katodzie elektrony i jony łączą się ponownie
Prąd elektronów to prąd stały – płynie zawsze w jednym kierunku i może być używany do zasilania urządzeń elektrycznych. Energia chemiczna jest w ten sposób przekształcana w energię elektryczną.
Proces ładowania: Wszystko wstecz
Podczas ładowania z ładowarki przykładane jest przeciwne napięcie. W ten sposób cały proces się odwraca:
- Katoda "traci" swoje elektrony, które wędrują do anody
- Jony uwalniają się z materiału katody
- Jony przemieszczają się przez elektrolit i separator do anody
- W anodzie jony i elektrony są ponownie magazynowane
Bateria jest ponownie naładowana i gotowa do kolejnego cyklu rozładowania.
Ważne pojęcia i jednostki
Żywotność i cykle ładowania
Cykl ładowania to proces pełnego rozładowania i naładowania. Nowoczesne baterie litowo-jonowe osiągają w zależności od typu od 1.000 do 4.000 cykli.
Głębokość rozładowania (DoD – Depth of Discharge)
Głębokość rozładowania określa, w jakim stopniu bateria została rozładowana:
- 0% DoD = Bateria w pełni naładowana
- 100% DoD = Bateria w pełni rozładowana (należy unikać!)
Każdy rodzaj baterii ma maksymalną zalecaną głębokość rozładowania. Jej przekroczenie prowadzi do uszkodzenia baterii.
C-Rate: Szybkość ładowania i rozładowania
C-Rate opisuje stosunek między mocą ładowania/rozładowania a pojemnością:
C-Rate = Moc (kW) / Pojemność (kWh)
| C-Rate | Czas ładowania/rozładowania | Znaczenie |
|---|---|---|
| 0,25C | 4 godziny | Ładowanie oszczędne |
| 0,5C | 2 godziny | Standardowy magazyn domowy |
| 1C | 1 godzina | Szybkie ładowanie |
| 2C | 30 minut | Wysoka wydajność |
Przykład: Bateria o mocy 10 kW i pojemności 20 kWh ma C-Rate 0,5C – ładuje się lub rozładowuje w 2 godziny.
Gęstość energii
Stosunek między zmagazynowaną energią a przestrzenią:
- Objętościowo: Wh na litr (Wh/l)
- Masa: Wh na kilogram (Wh/kg)
Baterie litowo-jonowe z katodami LFP osiągają około 200 Wh/kg – znacznie więcej niż baterie kwasowo-ołowiowe.
Efekt pamięci
To zjawisko opisuje zmniejszenie pojemności w wyniku ładowania nie w pełni rozładowanej baterii. Bateria "zapamiętuje" skrócony cykl ładowania i oddaje tylko odpowiednią część pojemności.
Warto wiedzieć: Nowoczesne baterie litowo-jonowe praktycznie nie są dotknięte efektem pamięci – w przeciwieństwie do starszych baterii niklowo-kadmowych.
Przegląd: Najważniejsze jednostki
Przy pracy z bateriami i instalacjami solarnymi kilka jednostek i wskaźników jest szczególnie ważnych. Poniższa tabela podsumowuje najważniejsze wielkości:
| Jednostka | Nazwa | Znaczenie |
|---|---|---|
| kW | Kilowat | Moc (praca na jednostkę czasu) |
| kWh | Kilowatogodzina | Ilość energii (1 kW przez 1 godzinę) |
| kWp | Kilowat-Peak | Maksymalna moc instalacji solarnej |
| % (η) | Sprawność | Energia użyteczna / zużyta energia |
| C | C-Rate | Moc ładowania/rozładowania / pojemność |
| % DoD | Depth of Discharge | Głębokość rozładowania |
Podsumowanie
Najważniejsze: Zasada działania baterii opiera się na ogniwie galwanicznym i reakcjach chemicznych. Dzięki anodzie, katodzie, separatorowi i elektrolitowi elektrony i jony są od siebie oddzielane – w ten sposób powstaje użyteczne napięcie elektryczne. To, co ponad 200 lat temu zaczęło się od żabich udek i metalowych dysków, jest dziś podstawą dla smartfonów, samochodów elektrycznych i instalacji solarnych.
Kto chce zgłębić temat: Lit vs. Ołów: Która bateria do instalacji solarnej?
Kompletny cykl artykułów „Magazyny energii dla instalacji solarnych"
- Od żabich udek do baterii: Jak działa magazyn energii? – Jesteś tutaj
- Lit vs. Ołów: Która bateria do instalacji solarnej? – Porównanie technologii
- Elektronika mocy: Inwertery i przetwornice DC-DC – Konwersja prądu
- Uniwersalny: Inwerter hybrydowy – Wszystko w jednym urządzeniu
- AC czy DC? Topologie systemów dla instalacji solarnych – Koncepcje instalacji