Wysokie napięcie – niskie straty. Czy to początek nowej ery w technologii bateryjnej?

W laboratoriach Fachhochschule Dortmund dzieje się coś, co może wstrząsnąć fundamentami technologii magazynowania energii. Zespół badawczy pracujący w ramach projektu KV-Batt testuje nowatorski system bateryjny, który działa przy napięciach sięgających nawet 20 kV! To do 20 razy więcej niż w typowych magazynach energii. Jeśli ta koncepcja się powiedzie, efektywność systemów może wzrosnąć w sposób, który jeszcze dekadę temu uznawano by za nieosiągalny.

Dlaczego napięcie ma znaczenie?

Współczesne systemy bateryjne dla energetyki pracują zwykle przy napięciach rzędu 1 kV. To wystarcza w wielu zastosowaniach, ale w dużych instalacjach (np. o mocach rzędu 100 MW) generuje to gigantyczne natężenia prądu, sięgające tysięcy amperów. A jak pamiętamy ze szkolnej fizyki, zgodnie ze wzorem:

jeśli moc pozostaje stała, to wzrost napięcia oznacza spadek natężenia.

Im mniejsze natężenie, tym mniejsze straty na oporach przewodów. A to właśnie te straty zamieniające się w ciepło, są jednym z największych wyzwań współczesnych systemów magazynowania energii.

„Nawet najlepiej przewodzące kable mają pewien opór. Przy tysiącach amperów te opory generują ogromne straty, a następnie wymuszają kosztowne chłodzenie” – wyjaśnia prof. dr Stefan Kempen z FH Dortmund. „Jeśli podniesiemy napięcie dziesięciokrotnie, obniżamy prąd dziesięciokrotnie i tym samym dramatycznie redukujemy straty energii”.

Potencjał nowego rozwiązania

W ramach projektu KV-Batt opracowano specjalny, modułowy system bateryjny przystosowany do pracy przy napięciach od 10 do 20 kV. Przez dwa lata był on intensywnie testowany w laboratorium wysokich napięć pod kątem odporności na warunki środowiskowe: zmiany temperatury, wilgotność czy obciążenia dynamiczne.

Kolejny krok to testy w rzeczywistych warunkach eksploatacji. W gminie Ense w Sauerlandzie powstaje instalacja pilotażowa we współpracy z Ense Werke GmbH, AEG Power Solutions oraz WEISSGERBER Engineering. Obok siebie zostaną zainstalowane dwa systemy bateryjne: klasyczny 1 kV i innowacyjny 10–20 kV.

„To pozwoli nam nie tylko zmierzyć różnice w stratach energii, ale też sprawdzić, jak wysokie napięcia wpływają na żywotność ogniw oraz jak skutecznie możemy monitorować i bilansować pracę poszczególnych modułów” – tłumaczy prof. dr Martin Kiel, współtwórca projektu.

Mniej ciepła, mniejsze koszty, większa trwałość

Podniesienie napięcia niesie za sobą nie tylko poprawę efektywności energetycznej. Mniejsze natężenie prądu oznacza mniej ciepła generowanego w przewodach i połączeniach, co z kolei redukuje konieczność stosowania rozbudowanych systemów chłodzenia.

Nowy moduł bateryjny opracowany w ramach KV-Batt nie wymaga aktywnego chłodzenia i zajmuje mniej miejsca niż tradycyjne rozwiązania. Co więcej, konstrukcja została zaprojektowana jako niemal bezobsługowa.

W projekcie zastosowano zaawansowaną, autonomiczną sensorystykę, która monitoruje stan pracy poszczególnych ogniw w czasie rzeczywistym. Każdy moduł składa się z 27 pojedynczych akumulatorów, tworzących tzw. „stack”, a złożenie kilku takich modułów umożliwia łatwe skalowanie mocy całego systemu.

Luka w normach i szansa na przełom

Choć technologia wygląda obiecująco, istnieje jedno poważne wyzwanie: brak norm dotyczących izolacji i bezpieczeństwa dla systemów stałoprądowych o napięciu rzędu 10–20 kV.

Dla niskich napięć (do 1,5 kV) oraz dla bardzo wysokich napięć (powyżej 100 kV, typowych w przesyle energii) normy są jasno określone. Jednak dla średniego przedziału wysokiego napięcia DC (tego, w którym działa KV-Batt) brakuje uregulowań i standardów dotyczących izolacji, odległości oraz wyłączników prądu stałego.

„Ten projekt ma szansę nie tylko przynieść korzyści techniczne, ale też ukształtować nowe standardy w tej dziedzinie” – podkreśla prof. Kempen.

Od prototypu do europejskiego patentu

Badania w FH Dortmund nie są przypadkowe. To efekt wieloletniej pracy w ramach wcześniejszego projektu KV-BATT-TECH, w którym opracowano podstawy technologiczne. Obecny etap, KV-BATT-SYST, to wdrożenie idei w realnych warunkach, z udziałem partnerów przemysłowych i samorządowych.

Równolegle trwa procedura patentowa w Unii Europejskiej, mająca chronić unikalne rozwiązania w zakresie konstrukcji modułów wysokiego napięcia i systemu ich monitorowania. Jeśli pilotaż w Ense zakończy się sukcesem, technologia KV-Batt może stać się kamieniem milowym dla transformacji energetycznej. Wyższa sprawność, niższe straty, brak konieczności chłodzenia i kompaktowa konstrukcja to cechy, które mogą znacząco obniżyć koszty inwestycji w magazyny energii i zwiększyć ich niezawodność.

Profesor Kiel podsumowuje to krótko: „Podnosząc napięcie, podnosimy efektywność całego systemu. To prosta zasada, ale w odpowiedniej skali może zmienić zasady gry”.

Źródło: fh-dortmund.de