Liitiumioonakude põnev elektrokeemiline protsess toidab tänapäeval loendamatuid seadmeid. Neil akudel on neli põhikomponenti: anood (negatiivne elektrood), katood (positiivne elektrood), elektrolüüt ja eraldaja.
Tühjenemise ajal liiguvad liitiumioonid anoodist katoodi läbi elektrolüüdi. See liikumine tekitab elektronide voo välises vooluringis, mis toidab ühendatud seadmeid. Laadimise ajal protsess pöördub – ioonid liiguvad tagasi katoodist anoodi, salvestades energiat hilisemaks kasutamiseks. Eraldaja oluline roll on takistada elektronide liikumist aku sees, kuid võimaldada liitiumioonide läbipääsu.
Liitiumioonakud toidavad tänapäeval paljusid tööstusi. Nutitelefonid, sülearvutid ja kaasaskantavad seadmed töötavad ühe laadimisega üle 15 tunni. Elektrisõidukid sõltuvad tugevalt liitiumtehnoloogiast. Näiteks Tesla Model S kasutab akusid, milles on 18 650 liitiumioon-elementi, mis toodavad kokku 80–90 kWh energiat. Samuti saavad meditsiiniseadmed nagu südamestimulaatorid kasu akude kergest kaalust (sageli alla 30 grammi) ja 7–8 aasta pikkusest elueast.
Taastuvenergia sektor kasutab neid akusid liigse päikeseenergia salvestamiseks kuni 90% tõhususega. Orbiidil tiirlevad satelliidid toetuvad neile, kui päikeseenergia pole saadaval. Sõjaväeseadmed, võrgu-mastaabis energiasalvestussüsteemid ja elektrilised tööriistad saavad kasu nende kõrgest erivõimsusest, mis ulatub kuni 10 000 W/kg. Hoolimata paljudest eelistest vajavad need akud 2–3 aasta järel asendamist, nende tsükli vastupidavus jääb vahemikku 400–1200 tsüklit.
Liitiumioontehnoloogiaga akude salvestussüsteemid
Akusalvestussüsteemid toimivad energia “vahendajatena” – nad püüavad kinni elektrienergia ja vabastavad selle vajadusel. Need süsteemid toimivad olulise puhvrina suurtes võrgulahendustes. Nad salvestavad liigse taastuvenergia ja vabastavad selle vastavalt vajadusele, aidates lahendada ühe taastuvenergia suurima probleemi – ebastabiilse tootmise.
Kuidas liitiumioonakud energiat salvestavad
Liitiumioonakud saavad elektrit taastuvatest allikatest, nagu päike või tuul, et alustada salvestusprotsessi. Laadimisel liiguvad liitiumioonid positiivselt elektroodilt (katoodilt) negatiivsele elektroodile (anoodile) läbi elektrolüüdi. See liikumine salvestab elektrienergia akuelektroodide materjali keemilistesse sidemetesse.
Akuhaldurisüsteemid (BMS) on olulised komponendid, mis jälgivad seda protsessi ja tagavad, et akud püsivad ohututes pinge- ja temperatuurivahemikes. Need nutikad süsteemid käivitavad algoritme, mis koordineerivad energiatootmist ja määravad optimaalse salvestus- või tühjendamisaeg.
Laetuse tase (SOC) näitab saadaoleva energia hulka. Tühjendamise sügavuse (DOD) kontroll aitab pikendada aku eluiga, piirates igas tsüklis kasutatavat mahtu. Liitiumioonakud võimaldavad ohutult kasutada üle 90% nende nimimahutavusest – võrreldes pliiakudega, mis võimaldavad vaid 30–50%.
Liitiumakude salvestuse eelised
Liitiumtehnoloogia ümbertöötlemise tõhusus ületab 95%, ületades pump-hüdrosalvestuse tõhusust (70–85%). Moodsa LiFePO₄ (liitium-raudfosfaat) aku tõhusus ulatub kuni 93%-ni.
Need akud paistavad silma nii laadimis- kui ka tühjendamistõhususe poolest ning kestavad kauem. Tavalise kvaliteediga LiFePO₄ akud peavad vastu vähemalt 2 000 tsüklit 80% DOD juures, säilitades seejärel üle 80% mahutavusest. Kõrgkvaliteetsed akuelemendid suudavad taluda 4 000–5 000 tsüklit samadel tingimustel.
Veel üks eelis on tasane tühjenemiskõver – 20% laetusega aku annab peaaegu sama väljundpinge kui 80% juures. Liitiumakud laevad ka kiiremini kui pliiakud, kuna neil puudub aeglane absorptsioonifaas.
Liitiumakud töötavad hästi ka külmas – temperatuuril -20°C suudavad nad anda välja üle 80% energiast, samas kui AGM-akud vaid 30%. Nende kompaktsus ja hooldusvabadus teeb neist ideaalsed salvestusprojektidele – paigaldus võimalik ükskõik millises asendis.
Kodukasutus: akusalvestus elamutele
Kodutarbijad suunduvad järjest enam aku salvestussüsteemide poole, et saavutada energiasõltumatus. Need süsteemid salvestavad liigse elektrienergia päikesepaneelidest või odavast võrguenergiast, tagades kulude kokkuhoiu ja parema energiajulgeoleku.
Päikesepaneelidega koos töötav akusalvestus suurendab päikeseenergia kasutusmäära: ilma akuta kasutatakse vaid 20–35% toodetud energiast, ülejäänu läheb võrku. Aku abil saab kasutada 57–87% toodetud energiast, suuremad akud võimaldavad kuni 100% kasutust.
Akud on kasulikud ka ilma päikesepaneelideta kodudes, võimaldades laadimist öösel, kui elektrihind on kolm korda madalam. Selline “nutikas” laadimine võib vähendada elektriarveid kuni 75%.
Kodused akud ulatuvad 1 kWh-st kuni 16 kWh-ni. Näiteks 5 kWh aku sobib kolme magamistoaga päikesepaneelidega majale. Suuremad kodud vajavad tavaliselt 8–16 kWh süsteemi. Kuna akud salvestavad alalisvoolu, on vajalik ka inverter, mis muudab selle vahelduvvooluks.
Päikeseenergia integreerimine: kodune elektritoide päikesest
Päikesepaneelid koos liitiumakudega loovad läbimurdelise lahenduse koduseks energiasüsteemiks. See kombinatsioon lahendab ühe päikeseenergia suurima probleemi – tootmine toimub vaid päevavalges. Nüüd saavad kodud salvestada päikeseenergiat päeval ja kasutada seda öösel – tagades 24/7 töökindluse.
Täieliku energiasõltumatuse huvides saab valida off-grid komplekte liitiumakude ja väiketuulikutega. Need sobivad hästi aiamajadele, töökodadele, kaugtööruumidele ja suvilatele. Komplektid sisaldavad päikesepaneele, liitiumakusid, inverterit ja paigaldustarvikuid.
Süsteem töötab nelja lihtsa sammuga: päikesepaneelid koguvad energiat, inverter muudab alalisvoolu vahelduvvooluks, ülejääv energia laeb akut, salvestatud energia toidab kodu pärast päikese loojumist.
Ohutus ja hoiustamine: liitiumakud
Õige käsitsemine ja hoiustamine pikendab liitiumakude eluiga ja vähendab tuleohu riski. Neid kõrge energiatihedusega seadmeid tuleb hoida õigel tasemel.
Aku salvestamiseks ideaalne laetus on 40–60%, mitte täis ega tühi. See vähendab vananemist ja hoiab isetühjenemise aastas 1–3% tasemel. Sellises seisus saab akut säilitada kuni kaks aastat ilma kahjustuseta.
Temperatuuri kontroll on võtmetähtsusega. Ideaalne hoiustustemperatuur on -10°C kuni +50°C, kuivas ja ventileeritud ruumis päikesevalgusest eemal. Äärmuslikud temperatuurid kiirendavad kulumist ja põhjustavad püsivaid kahjustusi.
Vigastatud akud vajavad erilist tähelepanu. Aku tuleb välja vahetada, kui:
- kukub kõrguselt 30 cm või rohkem
- saab löögi kiirusel 32 km/h
- on torgatud terava esemega
- kuumeneb üle ja paisub
Tulekahjude ennetamiseks tuleb akuklemmid isoleerida elektrilindiga, vältimaks lühiseid. Iga aku tuleks hoiustada eraldi kilekotis, eriti taaskasutuseks. Laadimist ei tohi kunagi jätta järelevalveta ega teha öösel.
Turvaliseks kasutamiseks vali akud ainult usaldusväärsetelt müüjatelt, kelle tooted vastavad EL või Briti standarditele. Vältida tuleb võltsinguid, mis võivad süttida. Kasuta ainult tootja soovitatud laadijaid.
Liitiumakusid ei tohi visata olmeprügisse ega tavalisse taaskasutusse – need võivad süttida vigastamisel või märjaks saamisel. Taaskasutus peab toimuma spetsialiseeritud keskustes.
Regulaarne kontroll aitab tuvastada kahjustused – mõlgid, deformatsioonid, lõhnad, kuumenemine, värvimuutus – viitavad vajadusele aku koheseks väljavahetamiseks.
Liitiumakude kasutusvaldkonnad ja rakendused
Liitiumioonakud toidavad tänapäeval tohutult palju seadmeid ja süsteeme. 1990ndatel kasutusele võetud akud on muutunud asendamatuks.
Taastuvenergeetika sektoris lahendavad nad päikese ja tuule ebastabiilse tootmise probleemi. Suured elektritootjad on ehitanud hiiglaslikke akusalvestusi mahuga 100–800 MW. Maailma suurim rajatis, Moss Landing Californias, mahutab 750 MW / 3 000 MWh. BESS-süsteemid (Battery Energy Storage Systems) moodustavad 9,4% globaalsest liitiumkarbonaadi nõudlusest – 2030. aastaks ulatub see prognooside järgi 13,4%-ni.
Tarbijate elektroonika on jätkuvalt peamine kasutusala – nutitelefonid, sülearvutid, tahvelarvutid, kaamerad – 2023. aasta lõpuks moodustasid need üle 80% globaalsest 190+ GWh salvestusmahust.
Transpordisektor on samuti liitiumioontehnoloogia kiiresti omaks võtnud – elektriautod (nt Nissan Leaf, Tesla Model S), e-tõukerattad, e-jalgrattad, paadid, golfikärud ja isegi Boeing 787 hübriid-elektrilennuk.
Meditsiiniseadmed, näiteks südamestimulaatorid, kasutavad liitiumakude pikka eluiga ja energiarikast tööpõhimõtet. Tööstuses kasutatakse neid robootikas, automaatikas ja energiasalvestuses.
Tänapäeval toidavad liitiumakud kõike alates digikaameratest ja juhtmevabadest tööriistadest kuni droonide ja avariivarutoiduni. Neid kasutatakse nii väikestes off-grid süsteemides kui ka suurtes tööstuslikes rakendustes. Kasutatud elektriautoakudel on sageli alles 70% algsest mahust – neid saab kasutada võrgu varutoiteks.
Kuidas valida õige akusalvestuslahendus
Sobiva akusalvestussüsteemi valimine eeldab mitmete tegurite arvestamist, et tagada töökindlus, ohutus ja pikaealisus. Süsteem peab vastama energiavajadustele ja pakkuma usaldusväärset jõudlust kogu eluea jooksul.
Aku tsüklite arv on üks olulisemaid näitajaid. Kõrgekvaliteedilised liitiumakud, nagu Freen, taluvad kuni 10 000 laadimis-/tühjendustsüklit. Odavamad variandid võivad vastu pidada vaid 500 tsüklit – see mõjutab süsteemi pikaajalist väärtust.
Tippvõimsuse võimekus on samuti oluline. Akusüsteem peab suutma toime tulla lühiajaliste koormustippudega, aidates vähendada kulusid ja nihutada energiakasutust.
Liitiumioonakude tulevik
Liitiumioonakud on muutnud viisi, kuidas me energiat salvestame ja kasutame. Nende elektrokeemilised omadused teevad neist ideaalse valiku alates nutitelefonidest kuni taastuvenergia salvestamiseni. Nad ületavad oluliselt varasemaid tehnoloogiaid ja avavad uusi võimalusi rohelise energia maailmas.
