Моделирование функционального взаимодействия блоков гибридного накопителя электроэнергии

Оптимизация технико-экономических параметров накопителей электроэнергии – необходимое условие для их широкого применения. В статье развивается общий подход и предлагается методика оценки экономической эффективности гибридизации электрохимических систем накопления энергии. С точки зрения оценки эффективности гибридизации накопителей исследуется ряд модельных систем, работающих в разных условиях нагрузки с использованием различных схем функционального взаимодействия блоков. В качестве базовых типов гибридных накопителей рассматриваются: свинцово-кислотные аккумуляторы (аккумуляторные кислотные батареи – АКБ), дополненные литий-ионными АКБ; свинцово-кислотные АКБ, дополненные суперконденсаторами; литий-ионные АКБ, дополненные суперконденсаторами. В качестве нагрузки системы накопления электроэнергии (СНЭ) рассматриваются: вилочный электропогрузчик, 30-квартирный жилой дом, а также 300-квартирный жилой комплекс. Используется количественно-качественная модель оценки эффективности гибридизации, основанная на сравнении стоимости буферизации электроэнергии каждым типом АКБ и гибридным накопителем в целом. Для всех случаев рассчитываются экономические показатели, характеризующие стоимость буферизации электроэнергии гибридными СНЭ, и анализируются преимущества той или иной схемы взаимодействия блоков гибридной СНЭ. Показано, что эффективность гибридизации демонстрирует сложную нелинейную зависимость от степени гибридизации, вид которой зависит как от типа используемых АКБ, так и от характера графика нагрузки, а также от типа функционального взаимодействия блоков. Характерной особенностью этой зависимости является резкое возрастание экономической эффективности при малых значениях a £ 0,01 и дальнейшее замедление роста или падение графика. Полученные результаты позволяют количественно сравнивать эффективность гибридизации СНЭ для конкретных условий ее эксплуатации. Рассмотренные модели и методы могут найти применение при проектировании СНЭ и систем «генератор – накопитель – потребитель», оценке экономической целесообразности гибридизации СНЭ.

1. 1H 2023 Energy Storage Market Outlook [Electronic Resource]. Mode of access: https://about.bnef.com/blog/1h-2023-energy-storage-market-outlook. Date of access: 07.04.2023

2. Ragone, D. V. Review of Battery Systems for Electrically Powered Vehicles / D. V. Ragone // SAE Technical Paper. 1968. No. 680453. https://doi.org/10.4271/680453.

3. Miller, J. R. Battery-Capacitor Power Source for Digital Communication-Simulations Using Advanced Electrochemical Capacitors, in Electrochemical Capacitors, F.M. Delnick and M. Tomkiewicz, Editors, PV95-29. Р. 246. The Electrochemical Society Proceedings Series, Pennington, NJ (1996).

4. Dougal, R. A. Power and Life Extension of Battery-Ultracapacitor Hybrids / R. A. Dougal, S. Liu, R. E. White // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 2002. Vol. 25, No 1. P. 120–131. https://doi.org/10.1109/6144.991184.

5. Cericola, D. Hybridization of Rechargeable Batteries and Electrochemical Capacitors: Principles and Limits / D. Cericola, R. Kötz // Electrochimica Acta. 2012. Vol. 72. P. 1–17. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.03.151.

6. A frequency Domain Approach to Analyzing Passive Battery–Ultracapacitor Hybrids Supplying Periodic Pulsed Current Loads / A. Kuperman [et al.] // Energy Conversion and Management 2011. Vol. 52, N 12. P. 3433–3438. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2011.07.013.

7. Kuperman, A. Battery-Ultracapacitor Hybrids for Pulsed Current Loads: A Review / A. Kuperman, I. Aharon // Renewable and Sustainable Energy Review. 2011. Vol. 15, Nо 2. P. 981–992. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.11.010.

8. Бельский, А. А. Применение гибридных накопителей электроэнергии для выравнивания графика нагрузки предприятий / А. А. Бельский, А. Н. Скамьин, О. С. Васильков // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 3. С. 212–222. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-3-212-222.

9. Characterization Methods and Modelling of Ultracapacitors for Use as Peak Power Sources / W. Lajnef [et al.] // Journal of Power Source. 2007. Vol. 168, Iss. 2. P. 553–560. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.02.049.

10. Catenaro, E. Framework for Energy Storage Selection to Design the Next Generation of Electrified Military Vehicles / E. Catenaro, D. M. Rizzo, S. Onori. Energy. 2021. Vol. 231. P. 120695. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120695.

11. Добрего, К. В. К вопросу создания гибридных систем накопления электроэнергии / К. В. Добрего // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2023. Т. 66, № 3. С. 215–232. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-3-215-232.

12. Hybrid Battery-Supercapacitor Storage for an Electric Forklift: a Life-Cycle Cost Assessment / M. Conte [et al.] // Journal of Applied Electrochemistry. 2014. Vol. 44, Nо 4. P. 523–532. https://doi.org/10.1007/s10800-014-0669-z.

13. A critical Overview of Definitions and Determination Techniques of the Internal Resistance Using Lithium-Ion, Lead-Acid, Nickel Metal-Hydride Batteries and Electrochemical DoubleLayer Capacitors as Examples / G. Pilatovich [et al.] // Journal of Power Sources. 2015. Vol. 296. P. 365–376. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.07.073.

14. Гибридные электронакопители на основе аккумуляторов и суперконденсаторов / Ю. В. Бондаренко [и др.] // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2014. № 4. С. 33–38.

15. Добрего, К. В. Модель электрической нагрузки жилищно-коммунального объекта для исследования систем «генератор – накопитель – потребитель» методом Монте-Карло / К. В. Добрего // Наука и техника. 2017. Т. 16, № 2. С. 160–170. https://doi.org/10.21122/ 2227-1031-2017-16-2-160-170.