Химические источники энергии

Электрохимические процессы, в которых электрическая энергия образуется из смеси химических веществ в гальваническом элементе детально описаны на странице химических элементов, которая так же содержит ссылки с описаниями рабочих характеристик отдельных типов батарей.

Детальное рассмотрение электрохимической теории, применения батарей, первичных и вторичных источников тока, эффективности, систем управления и зарядных устройств может быть найдено на этом сайте.

Энергетическая эффективность

Эффективность хранения

Эффективность хранения батарей, выражаемая так же более общим термином энергетической плотности, представляет собой количество энергии, которое батарея может хранить на единицу собственного веса. Этот параметр широко варьируется в зависимости от химических реактивов, использованных при проектировани батарей. Первичные элементы всегда оптимизируются только для разрядного процесса и поэтому обладают большей плотностью энергии, чем вторичные элементы, которые так же должны быть оптимизированы одинаково хорошо для заряда и разряда. Примеры приведены в таблице стоимости батарей ниже.

Эффективность использования

Общая эффективность в целом одного зарядного-разрядного процесса вторичного источника, известна так же как Кулоновская эффективность, и обычно составляет около 90%.

Стоимость энергии

Батареи преобразуют химическую энергию напрямую в электрическую, но это очень дорогой путь для получения электрической энергии. К сожалению, это та цена, которую мы должны платить за портативность.

Первичные элементы

Обычные щелочные батареи типоразмера АА напряжением 1,5 В в розичной продаже стоят около 18 рублей и имеют ёмкость около 2,8 А·ч, что соответствует хранимой энергии в 4,2 Вт·ч. Таким образом, получается, что цена составляет около 4 300 рублей за кВт·ч.

Это более чем в тысячу раз больше, чем стоимость электрической энергии, поставляемой потребителям, которые платят 2,5–5 рублей за кВт·ч (цена зависит от местоположения и других факторов).

Вторичные элементы

Перезаряжаемые элементы только хранят энергию, но не являются её источниками (поэтому они и называются вторичными). Они очень дороги, свинцово-кислотная батарея стоит около 4500 рублей за кВт·ч, а сходная литиевая батарея стоит около 12000 рублей за кВт·ч, но цена должна быть сопоставлена с ценой энергии, используемой для хранения. Эта энергия, которая будет храниться в батарее, обычно покупается в централизованной сети и стоит 2,5–5 рублей за кВт·ч, как сказано выше.

Сравнение цен на батареи

Для сравнения цен первичных и вторичных источников мы должны принять во внимание количество циклов заряд-разряд, которые может выдержать вторичный источник (цикл жизни) для расчёта общей стоимости одного цикла и должны учесть в цикле количество энергии, которое используется для заряда ячейки. Таблица ниже показывает сравнительную стоимость различных источников.

Цена покупки, Р/кВт·ч	Энергетическая плотность, Вт/кг	Срок жизни, циклов	Цена за один цикл, Р	Цена заряда, Р/кВт·ч	Эффективная стоимость, ~~Р~/кВт·ч
Щелочной элемент	4300	175	1	4300	x	4300
Свинцово-кислотная батарея	4500	40	300	15	5	20
Литиевая батарея	12000	1000	12	5	17
Электрическая сеть	5	x	x	x	x	5

Результаты сравнения стоимости

• Цена покупки одного кВт·ч электрической энергии от батареи в тысячи раз больше цены покупки от централизованной сети, поэтому, если Вам необходимы батареи как альтернативный источник энергии для устройств переменного тока, цена инвертора и его эффективность, составляющие около 10% цены батарей, должны быть приняты в расчёт.

• Заряд ячеек требует больше энергии, чем 1 кВт·ч, которая ячейка сможет отдать. Это возникает из-за того, что около 10% энергии должно быть добавлено на неэффективность зарядного устройства и ещё 10% должно быть добавлено на кулоновские потери (в целом за цикл заряд-разряд) батареи. Это добавляет ещё около 0,6 рублей в цену энергии с клемм батареи.

• Дороговизна литиевых батарей обеспечивает наименьшую эффективную цену электрической энергии, которая меньше, чем у свинцово-кислотных элементов из-за более длительного срока службы.

• Большой вес вторичных элементов в сравнении с одиночными первичными элементами, которые могут хранить гораздо больше энергии в расчёте на единицу веса.

Ядерные батареи

Ядерная энергия состоит в двух преобразованиях: батарея использует тепло, выделяемое ядерной реакцией для последующего термоэлектрического преобразования для выработки постоянного тока.

Смотрите так же ядерную энергетику.