Продолжаем наш цикл «гражданская безопасность» – ранее мы обсуждали методы выживания в различных типах жилья при отсутствии отопления, электро- и газоснабжения.
Обеспечить отопление дома с помощью автономных источников электроэнергии практически невозможно, так как необходимый источник будет слишком мощным. Теоретически это возможно, особенно в сочетании с энергосберегающими технологиями, но на практике это крайне сложно и дорого.
Например, для того чтобы гарантировать круглосуточную работу электрического обогревателя мощностью 0,5 кВт, который способен обогреть небольшую хорошо утеплённую комнату, потребуется около 20 автомобильных аккумуляторов ёмкостью 65 А·ч каждый, а для их зарядки понадобится 15 солнечных панелей с максимальной мощностью 200 Вт каждая, не считая преобразователей напряжения, контроллеров заряда-разряда и прочего. Кроме того, КПД такой системы будет постоянно снижаться.
Тем не менее, если не учитывать задачу обогрева, электроэнергия является крайне важным ресурсом. Сегодня мы обсудим, как её можно хранить, например, в случае периодических отключений электроэнергии.
Базовые вопросы
Обеспечение электроэнергией требует наличия как минимум двух компонентов – источника электроэнергии и устройства для его хранения. В процессе также используются преобразователи напряжения и контроллеры заряда-разряда, но зачастую они уже встроены в устройства производства или хранения электроэнергии. Если их нет, их нужно добавлять в систему электроснабжения отдельно.
Проблема заключается в том, что различные потребители имеют разные требования к питанию: кому-то нужно 4,5 В, кому-то 12 В, а кому-то 220 В. В то же время источники и устройства хранения электроэнергии могут выдавать разное напряжение: от 4,2 В у литиевых аккумуляторов до 12,6 В у автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторов. Существуют литий-железо-фосфатные аккумуляторы с выходным напряжением 3,2 В и свинцово-кислотные аккумуляторы для грузовых автомобилей, выдающие 24 В, а также аккумуляторы других типов.
Это нужно учитывать при создании системы электроснабжения, так как иначе можно повредить предполагаемые потребители энергии. Также следует помнить, что при преобразовании теряется определённый процент энергии, поэтому не стоит слишком часто прибегать к преобразованиям.
Начать можно с того, что в каждом доме должно быть такое устройство, как мультиметр — они стоят недорого, от нескольких сотен рублей, если не учитывать профессиональные решения. В быту мультиметр очень полезен, хотя бы для определения остатка заряда батареек, аккумуляторов или для проверки цепи 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 обсуждать экзотические решения, такие как маховики, гравитационные или пневматические системы рекуперации энергии, тепловые аккумуляторы и тому подобное, а сосредоточимся на обычных, доступных для покупки гражданами России в настоящее время или в ближайшем будущем аккумуляторных батареях различных типов.
Литиевые аккумуляторы
Литиевые аккумуляторы – это первое, что приходит на ум, так как с ними большинство людей сталкивается ежедневно. Хранилища электроэнергии на базе литиевых аккумуляторов можно условно разделить на три типа.
Первый тип – это портативные аккумуляторы или пауэрбанки, большинство из которых имеют ёмкость от 5 до 20 А·ч, хотя есть 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 цена начинается от нескольких тысяч рублей, в наше время они есть почти в каждой семье.
У литиевых аккумуляторов есть три недостатка: они теряют ёмкость при отрицательных температурах, со временем теряют ёмкость и являются пожаро-взрывоопасными.
Тем не менее, для защиты от низких температур аккумулятор можно держать ближе к телу, а ёмкость при правильной эксплуатации теряется достаточно медленно – главное, не перегревать, не перезаряжать, не переразряжать, не заряжать и не разряжать большими токами. У автора до сих пор функционирует фонарик Fenix Premium Q5, приобретённый в 2007-2008 годах, и остаточная ёмкость его литиевых аккумуляторов формата 16340 составляет около 70% – а прошло почти 20 лет!
Что касается пожаро-взрывоопасности, то здесь также нужно следить за соблюдением правил эксплуатации, не разбирать и механически не повреждать аккумуляторы, не использовать вздувшиеся изделия.
Второй тип – это портативные электростанции, которые представляют собой увеличенные пауэрбанки 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 выдавать напряжение 12 / 24 / 220 В в зависимости от модели.
Ёмкость портативных электростанций может достигать сотен и тысяч А·ч, а также Вт·ч (ватт-часов), в остальном они подчиняются тем же правилам, что и пауэрбанки.
Кстати, литий-железо-фосфатные аккумуляторы практически не представляют опасности возгорания, менее чувствительны к отрицательным температурам, но распространены 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, такие как аккумуляторы формата 18650, 21700 и другие, которые используются как отдельно, так и в составе сборок, включая упомянутые пауэрбанки и портативные электростанции.
Зачем выделять их в отдельный тип?
Потому что базовые литиевые элементы входят в состав множества электронных устройств, а главное, электромобилей и гибридов, которых в нашей стране пока не так уж много, но их количество будет расти. В случае кризиса это станет перспективным источником аккумуляторов для самостоятельной сборки устройств хранения электроэнергии.
Важно помнить, что литиевые аккумуляторы нельзя паять за торцы (если на них нет отдельных выводов), так как это может привести к выходу аккумуляторов из строя или даже взрыву.
Свинцово-кислотные аккумуляторы
В быту они встречаются реже, в основном в источниках бесперебойного питания (ИБП), но свинцово-кислотный аккумулятор есть в любом автомобиле, а в случае серьёзного кризиса множество автомобилей не смогут функционировать. Свинцово-кислотные аккумуляторы менее пожаро-взрывоопасны по сравнению с литиевыми, а также более устойчивы к низким температурам.
Однако обслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы могут выделять пары серной кислоты, поэтому размещать их в жилом помещении нецелесообразно. 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 на 4,5 В / 220 В. В случае постоянной зарядки от источника питания с напряжением 12 В, например, от солнечной батареи, потребуется контроллер заряда.
Современные зарядные устройства стоят очень недорого, около пары тысяч на маркетплейсах, поэтому иметь их в хозяйстве рекомендуется каждому автомобилисту. Они не только позволяют зарядить свинцово-кислотные аккумуляторы, но и производить процедуру их десульфатации, увеличивая срок службы.
Однако, по мнению автора, в автомобиль лучше устанавливать новый аккумулятор, так как «резина», технические жидкости и аккумулятор – это расходные материалы, на которых не стоит экономить. А старый аккумулятор можно использовать дома как резервный источник электроэнергии с инвертором.
Простой инвертор также стоит около двух тысяч рублей, хороший инвертор, поддерживающий чистую синусоиду, обойдётся дороже, но он того стоит, так как некоторые электроприборы могут не работать от источника питания с модифицированной или аппроксимированной синусоидой, а некоторые могут выйти из строя.
Кстати, в своих накопителях энергии Powerwall для индивидуальных домохозяйств компания Tesla использует отработавшие литиевые аккумуляторы, снятые с электромобилей.
Натрий-ионные аккумуляторы
Это новый тип аккумуляторов, которые пока практически не доступны в магазинах, и существует много подделок, что немного противоречит требованию «доступность», но это, вероятно, вопрос ближайшего будущего.
Некоторые называют появление натрий-ионных аккумуляторов революцией, и автор склонен согласиться с этим. Хотя натрий-ионные аккумуляторы и уступают по удельной энергоёмкости литиевым на треть, 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 составляет более 5000–10000 циклов, в отличие от 500–1000 у литий-ионных аккумуляторов, что позволит эксплуатировать их около 15–30 лет, а при щадящих условиях эксплуатации, скорее всего, и намного больше. Также натрий-ионные аккумуляторы являются пожаро-взрывоопасными.
Первые образцы пауэрбанков и портативных электростанций уже появились в продаже за границей, хотя их стоимость завышена из-за новизны технологии. Однако в будущем, с увеличением масштабов и географии производства, она должна снизиться по сравнению с литиевыми аккумуляторами.
Такие впечатляющие характеристики позволяют говорить не только о большом потенциале применения натрий-ионных аккумуляторов в гражданском сегменте, но и в военном. Автор в дальнейшем планирует максимально избавиться от литиевых аккумуляторов, заменив их на натрий-ионные, где это возможно.
Выводы
Наличие хотя бы двух-трёх пауэрбанков в доме – это необходимый минимум, который позволит удовлетворить 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, конечно, речь идёт о маломощных потребителях электрической энергии – смартфонах, фонариках, радиостанциях и подобном.
Однако, если отключение электроэнергии будет постоянным или промежутки между подачей электроэнергии будут очень большими, то сколько бы энергии мы ни запасали в аккумуляторах, она всё равно рано или поздно закончится. В следующем материале мы обсудим автономные источники электрической энергии, пригодные для бытового использования.
- Андрей Митрофанов