Ogniwa paliwowe

Ogniwo wodorowo-tlenowe jest elektrochemicznym urządzeniem, umożliwiającym bezpośrednie wykorzystanie nierównowagi chemicznej tlenu i wodoru do wytwarzania energii elektrycznej. Jedynymi produktami ubocznymi podczas pracy ogniwa są woda i pewna ilość ciepła, co czyni go przyjaznym dla człowieka i środowiska naturalnego.

Głównymi elementami ogniwa są: elektrody, warstwy katalizatora oraz elektrolit. Substratami doprowadzonymi do ogniwa są przeważnie wodór i tlen, przy czym tlen może być doprowadzany w postaci czystej lub wraz z powietrzem. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronów przez obwód zewnętrzny, zasilający zewnętrzne urządzenie elektryczne. Przenoszenie jonów w obwodzie wewnętrznym (elektrolicie) umożliwia zrównoważenie przepływu ładunków ujemnych między elektrodami.

Trwałość seryjnie obecnie produkowanych ogniw paliwowych określa się na ok. 1500 h pracy. Rzeczywista trwałość jest jednak trudna do oszacowania, gdyż ogniwa paliwowe wymagają idealnie czystego paliwa (nawet najdrobniejsze zanieczyszczenie wodoru, np. tlenkiem węgla, może spowodować trwałe uszkodzenie ogniwa). Dużym problemem są także wysokie koszty wodoru, choć trwają prace nad wykorzystaniem jako paliwa o wiele tańszego gazu, takiego jak metanol. O ile jednak w przypadku zastosowania gazowego wodoru można uzyskać wysoką efektywność energetyczną (80%), o tyle przy użyciu metanolu, z którego trzeba najpierw pozyskać wodór, efektywność ta spada dwukrotnie.

Superkondensator

Superkondensator (supercapacitors) lub inaczej ultrakondensator (ultracapacitors) jest rodzajem kondensatora, który ze względu na sposób konstrukcji wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną w porównaniu z klasycznymi kondensatorami elektrolitycznymi. Superkondensatory różnią się budową zarówno od ogniw chemicznych, jak i typowych kondensatorów.

W superkondensatorach nie ma dielektryka, a jego rolę pełnią obszary styku przewodzących elektrod z przewodzącym elektrolitem. Po przyłożeniu napięcia w przewodzącym elektrolicie poruszają się jony, jednak ze względu na niską wartość napięcia nie są w stanie przedostać się do elektrody i pod wpływem pola elektrycznego gromadzą się wokół niej. Na granicy elektrod i elektrolitu tworzą się dwie warstwy, co przypomina naładowany kondensator, w którym energia nie jest zmagazynowana w atomach dielektryka, lecz w przemieszczonych jonach. Z uwagi na to, iż powstały obszar styku pomiędzy jonami a elektrodami jest nieprzewodzący i niezmiernie cienki, uzyskuje się wysoką pojemność. Główną zaletą superkondensatorów jest bardzo krótki czas ładowania w porównaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii, takimi jak akumulatory. Superkondensatory charakteryzują się także dużą trwałością - ok. 10 lat oraz wysoką liczbą cykli ładowania/rozładowania wynoszącą do 500 000; są też znacznie bardziej przyjazne dla środowiska. Dlatego też, używając ultrakondensatorów można uzyskać bardziej opłacalne i niezawodne bezobsługowe rozwiązania, które dodatkowo charakteryzują się zdecydowanie dłuższą żywotnością. Inną ważną ich zaletą, w porównaniu z ogniwami elektrochemicznymi, jest możliwość pracy w szerokim zakresie temperaturowym, również w zakresie niskich temperatur.

Ultrakondensatory są już stosowane z powodzeniem w systemach teleinformatycznych w aplikacjach mobilnych. Niektóre są montowane wprost na płytkach drukowanych i służą do podtrzymywania napięcia w urządzeniach teleinformatycznych podczas awarii zasilania. Ultrakondensatory są również wykorzystywane jako zamiennik baterii akumulatorów w zasilaczach UPS.

Budowa zasilacza UPS opartego na superkondensatorze wymaga rozwiązania wielu problemów, niewystępujących w zasilaczach wykorzystujących ogniwa chemiczne. Zasilacz UPS musi bowiem monitorować temperaturę oraz zgłaszane przez elektronikę superkondensatora sygnały alarmowe, i oczywiście odpowiednio na nie reagować.

Ze względu na wciąż duże koszty ultrakondensatora, systemy zasilania gwarantowanego oparte na nich, stosuje się głównie w aplikacjach, dla których nie obowiązują wymogi dotyczące długiego czasu autonomii (do kilkunastu min). Takie rozwiązania mają często zastosowanie w przypadku współpracy zasilacza UPS z agregatem, zapewniając czas autonomii niezbędny do rozruchu agregatu prądotwórczego.

Magnetyczne zasobniki nadprzewodnikowe

Podstawą działania magnetycznych zasobników nadprzewodnikowych SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) jest gromadzenie energii w polu magnetycznym cewki indukcyjnej, wykonanej z materiału nadprzewodzącego. Dzięki pracy w niskich temperaturach (do 20 stopni K), straty w uzwojeniu są pomijalne, dlatego można stosować bardzo duże wartości prądu. Obecne badania dotyczą możliwości stosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych (do 70 stopni K) oraz optymalizacji geometrii uzwojeń (toroidy, solenoidy). Takie rozwiązania, ze względu na koszty, stosuje się rzadko i głównie w systemach elektroenergetycznych. Opracowany został zasobnik o mocy 30 MW gromadzący energię 1,8 GWs (średnica uzwojenia 7 m), ale w produkcji seryjnej są również tzw. Micro-SMES, które w wykonaniu kontenerowym (SMES-5) umożliwiają zgromadzenie 5 MWs przy prądzie w indukcyjności rzędu 500 kA i są przeznaczone dla lokalnych odbiorców energii.

Baterie w urządzeniach mobilnych

W urządzeniach przenośnych stosuje się następujące rodzaje akumulatorów:

• Ni-Cd (niklowo-kadmowe);
• Ni-MH (niklowo-wodorkowe);
• Li-Ion (litowo-jonowe);
• Li-Pol (litowo-polimerowe).

Akumulator zabudowany w notebooku jest elementem podlegającym stałej i nieuchronnej degradacji. Przeciętny akumulator NiMh wytrzymuje ok. 600 ładowań i rozładowań, a po przekroczeniu tej granicy jego pojemność ulega drastycznemu zmniejszeniu. W efekcie konieczny staje się zakup nowego akumulatora lub jego regeneracja.

W przypadku baterii Ni-Mh bądź Ni-Cd należy je przed pierwszym użyciem "sformować", pamięci te nie są bowiem odporne na tzw. efekt pamięci i najlepiej je ładować do pełna i rozładowywać. Efekt pamięci polega na wytworzeniu się progu naładowania na poziomie niższym od projektowanego w przypadku rozpoczęcia procesu rozładowywania przed pełnym naładowaniem.

Najnowsze urządzenia przenośne są wyposażone w polimerowe baterie bądź inne hybrydy. Użytkowanie tego typu baterii jest nieco inne niż w wypadku NiMh, nie trzeba ich ładować do pełna, a następnie rozładowywać, gdyż nie mają efektu pamięci. Baterie najnowszego typu - Li-Ion, Li-Pol - są również odporne na efekt pamięciowy. Najlepiej z nich korzystać przy niepełnych cyklach, nie doprowadzając baterii do stanu całkowitego wyczerpania.

Baterie litowe są znacznie lżejsze, efektywniejsze i bezpieczniejsze niż niklowe, należy jednak pamiętać o kilku zasadach ich użytkowania: nieodwracalne zniszczenia występują podczas całkowitego rozładowania, gdy napięcie jest poniżej 3,3 V. Zdecydowana większość urządzeń współpracujących z nimi jest wyposażona w odpowiednie zabezpieczenia, tak więc nawet wyłączenie urządzenia nie oznacza faktu, iż bateria jest całkowicie wyczerpana.

Ważne dla wszystkich typów akumulatorów jest unikanie przeładowania, gdyż elektrolit znajdujący się w baterii ma określoną pojemność ładunku, a jego przekroczenie może wywołać zwarcie i w efekcie wybuch baterii. Gdy nie korzystamy ze sprzętu, należy co jakiś czas podładowywać baterię, by uzyskać projektowaną żywotność.