Co se skrývá v bateriích?

V současné době proděláváme obrovský boom v oblasti ukládání elektrické energie do elektrochemických úložišť. Vše začalo nenápadně před mnoha lety, kdy Luigi Galvani započal s výzkumem takzvané živočišné energie. Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta pak v polovině 18. století sestrojil první použitelnou baterii, sestávající z článků zinek–měď s elektrolytem z ředěné kyseliny sírové.
Takto nějak zahajujeme u nás přednášku v předmětu týkajícím se bateriových systémů.
Pak už poměrně rychle následuje přehled starých a nových technologií, studenti se v rychlém sledu zabývají nejprve základy chemie, pokračují přes technologie olověných baterií (ty se v Čechách vyrábějí od roku 1889), technologie nikl-kadmiové, které jsou v současnosti stále živé pro aplikace v náročných podmínkách, až po dnešní moderní baterie založené na lithiu. A neopomeneme zmínit legislativní problémy a ekonomické aspekty zavádění velkých bateriových úložišť do praxe.
Aby naše pracoviště mohlo studentům předávat vždy aktuální informace, je potřeba vytvořit silné zázemí odborníků. To není možné bez úzké spolupráce mezi školou a praxí, bez práce profesorů, docentů, asistentů a techniků, spolupráce se Solární asociací a asociací Aku-Bat a předními výrobci a dovozci baterií. Pojďme tedy na malou exkurzi do laboratoře diagnostiky fotovoltaických systémů na ČVUT FEL v Praze–Dejvicích.

LDFS

Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů (LDFS, pasan.fel.cvut.cz) vznikla na ČVUT FEL v roce 2010 kvůli potřebě přesně a na světové úrovni diagnostikovat fotovoltaické (FV) systémy, moduly, články. Navazovala na dlouhou tradici katedry elektrotechnologie v oboru technologie výroby polovodičů. Po několika letech laboratoř přechází do režimu akreditované zkušební laboratoře a v současnosti spolu s druhou obdobnou laboratoří v Brně zajištuje přesné měření výkonu FV modulů v akreditovaném režimu v ČR.
Protože v roce 2016 začalo být jasné, že se obnovitelné zdroje (a především fotovoltaika) neobejdou bez možnosti skladovat energii, rozhodlo se vedení laboratoře zřídit oddělení elektrochemických zdrojů, současně s tímto oddělením vzniká i oddělení pro analýzu FV systémů, které začíná působit v univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT (UCEEB) v Buštěhradě.
V dejvické laboratoři máme v současné době možnost provádět základní měření všech druhů článků a baterií. Omezení je dáno pouze dostupným výkonem nabíjecích a vybíjecích stanic. Můžeme analyzovat malé články s kapacitou ve stovkách miliampérhodin i články s kapacitou ve stovkách ampérhodin. Základní analýza se neomezuje pouze na měření kapacity, ale je možno poskytnout i výsledky z měření vnitřního odporu, zkratové schopnosti článků, v návaznosti na další pracoviště katedry pak i testování za různých klimatických podmínek (teplo nebo zima). Velmi zajímavým oborem je diagnostika baterií pomocí impulzních metod, tedy metod založených na odezvě systému na jednorázový impulz či zátěž. Tato diagnostika v budoucnu umožní výrazné zrychlení testů článků a baterií a umožní tak v podstatě okamžitě odpovědět na základní otázku, kterou je určení "state of health" (SOH), což je ukazatel životnosti baterie. V současné době totiž test zaměřený na SOH trvá i desítky hodin – v podstatě se musí baterie plně nabít, vybít stanoveným proudem (cca 20 hodin), změřit vnitřní odpor baterie a test vyhodnotit. Nová impulzní metoda, na které naše laboratoř pracuje, by měla být schopna vyhodnotit SOH již z jednoho pulzního měření.

Bezpečnost baterií

Další činností laboratoře je pomoc firmám při řešení otázek bezpečnosti instalací a dopravy baterií. Současné moderní baterie obsahují sloučeniny lithia. Lithium jako velmi reaktivní kov je považováno za problematické z hlediska požární bezpečnosti. Naštěstí se daří v posledních více něž patnácti letech výrazně snižovat množství tohoto kovu v bateriích. Baterie se tak díky nižšímu obsahu lithia a také jeho lepší chemické vazbě ve struktuře baterie stávají bezpečnějšími. Přesto je stále potřeba jejich bezpečnost zlepšovat. Například v letecké dopravě existují velice přísné limity pro množství přepravovaných baterií na palubách jak nákladních, tak dopravních letadel. Ostatně o nebezpečí bateriových článků jste mohli sledovat rozsáhlou diskusi například v tzv. kauze Samsung.
Bezpečnost baterií ve spotřební elektronice je v současnosti velmi ožehavý problém, a to především kvůli jejich masovému rozšíření. I při bezpečnostním koeficientu 99,999 999 % to pořád znamená, že může dojít v desítkách případů ročně vlivem selhání baterie k poranění člověka nebo k velké materiální škodě. Naše laboratoř není vybavena na certifikační testy – to je doménou jen několika málo laboratoří ve světě – ale díky našemu vybavení jsme schopni s minimalizací dopadu na okolí ověřovat u baterií malého a středního výkonu funkčnost technických řešení výrobců, a tak zjistit, zda je uvedené technické řešení dostačující. Tedy zda v případě havarijní situace baterie reaguje dle specifikace a nedojde k její explozi či zahoření, ale maximálně k úniku plynů.

Studenti

Na běhu laboratoře se podílí několik studentů především doktorského studia, kteří jsou nápomocni při řešení úkolů spojených s výzkumem, i studentů magisterských a bakalářských programů, kteří mohou v laboratoři načerpat praktické zkušenosti s během akreditované zkušebny a skloubit svou praxi s vypracováním bakalářské a diplomové práce. Studentům také pomáhá Laboratoř fotovoltaických systémů a elektrochemických zdrojů (LFSEZ), což je malá výuková laboratoř s kapacitou deset studentů, kde probíhá praktická výuka fotovoltaiky i bateriových systémů. V letošním roce prochází tato laboratoř další etapou rekonstrukce, po jejímž ukončení budou mít studenti k dispozici dvě pracoviště vybavená měřicí a testovací technikou s úzkou vazbou na počítačové zpracování dat v souladu s dnešním trendem. LFSEZ je přímo provázána s testovací laboratoří, díky tomu mají studenti přístup k novým typům článků a baterií na základě sponzoringu od našich zákazníků.

Veřejnost

Jako pracoviště se snažíme o maximální otevřenost a transfer zkušeností z akademického prostředí do prostředí firem, ale i domácností.
Pracovníci laboratoře se účastní jak odborných konferencí, tak popularizačních přednášek na témata spojená s akumulací energie a s fotovoltaickými systémy. V rámci vědecké činnosti nabízíme spolupráci jak firmám, tak občanům. V případě zájmu není problém sjednání schůzky a případná pomoc při diagnostice donesené baterie.
Právě díky této otevřenosti má laboratoř přístup k velkému množství vzorků různých technologií a typů bateriových článků.

Budoucnost

Bateriové systémy procházejí obdobím nebývalého rozvoje, téměř každý člověk má u sebe v každém okamžiku baterii. Přenosné přístroje pro komunikaci, výpočty a zábavu se stávají běžnou součástí života. Analýza baterií velmi pokročila, dnes již umíme určit stav baterie, predikovat její budoucí životnost a samozřejmě změřit její parametry s vysokou přesností. V budoucnu budeme pro naše systémy požadovat baterie s vyšší kapacitou, kratší dobou nabíjení a delší cyklickou životností. Ke zlepšení těchto parametrů přispívají laboratoře po celém světě, naše laboratoř se snaží o udržení schopnosti kontroly těchto parametrů a analýzy baterií z hlediska jejich konečného použití pro aplikace ve spotřební elektronice, průmyslu i energetice.

---

Studijní program Inteligentní budovy

Dvouletý magisterský studijní program inteligentní budovy je společně vyučován Stavební, Strojní a Elektrotechnickou fakultou ČVUT v Praze. Je vhodný nejen pro absolventy bakalářských programů, ale i jako rozšíření kvalifikace pro absolventy jiných programů magisterských. Studijní program připravuje odborníky pro návrh, realizaci a řízení moderních budov a vývoj a výrobu prvků pro inteligentní budovy. Ve spolupráci s průmyslem jsou pořádány odborné semináře, exkurze a školení. Kromě toho jsou velmi často samostatné projekty a následné diplomové práce vedeny odborníky z praxe, takže studenti pracují na konkrétních aplikacích, které mají reálné uplatnění. Studenti programu Inteligentní budovy mají (mimo jiné) možnost: l Získat znalosti z velmi širokého okruhu stavebních profesí nejen z elektrotechniky, ale také ze stavebních konstrukcí a řízení vytápění, ventilace a dalších systémů. l Uplatnění od architektonických ateliérů přes koordinaci profesí na stavbě, řízení a správu budovy až po poradenské či výzkumné činnosti. l Ovlivnit směr vývoje bydlení z hlediska komfortu, energetické bilance a kvality vnitřního prostředí. Další informace o programu Inteligentní budovy jsou k dispozici na ib.fel.cvut.cz.

Foto: Celkový pohled na testovací laboratoř.
Foto: Vlevo: Pracoviště pro cyklování baterií s nabíjecím výkonem maximálně 6 kW a vybíjecím výkonem 4,5 kW. Maximální proud pro nabíjení je 240 A, pro vybíjení 480 A. Vpravo: Testovací pracoviště s ochrannou komorou. Cílem nerezové komory je zabránit úniku kouře do prostoru laboratoře v případě selhání článku. V horní části články LiFePo4 při běžném testu, kdy není předpokládána havárie systému.