Nyhet | 2016-03-23 | 13:14

Förutsättningar att utforma stationsbatterier i vattenkraftverk med Li-jonteknik

Examensarbete av Sara Andersson, Civilingenjörsprogrammet med inriktning energisystem på Uppsala universitet.

Handledare på Vattenfall: Peter Krohn.

Sammanfattning

I vattenkraftanläggningar finns det behov av att ständigt ha tillgång till elektricitet för att försörja viktiga funktioner såsom kontroll- och övervakningssystem. Anläggningarna är därför bestyckade med reservkraftsystem i form av stationsbatterier. Idag används blybatterier eftersom tekniken är robust, kostnadseffektiv och väl beprövad. Blybatterierna kräver dock kontinuerligt underhåll, är skrymmande samt innehåller frätande syra och höga blymängder. Den här studien syftar till att utreda vilka förutsättningar som finns för att ersätta blybatterierna med Li-jonbatterier. Studien undersöker hur den nya batteriteknologin skulle påverka person- och anläggningssäkerheten och ger förslag på hur utformning av ett stationsbatteri med Li-jonceller kan göras. Studien syftar även till att göra en kostnadsjämförelse mellan bly- och Li-jonbatteriet.

Till skillnad från blybatteriet består Li-jonbatteriet inte av en enstaka cellkemi utan är en hel familj. De olika cellkemierna ger batteriet olika egenskaper. Några av de faktorer som gör Li-jontekniken fördelaktig är dess höga energidensitet, långa livslängd, låga underhållsbehov och möjlighet till övervakning på cellnivå. Vattenfall Vattenkraft installerade ett stationsbatteri med Li-jonceller 2006. Denna studies utvärdering visar att anläggningen har fungerat bra. Mätning av batteriets inre resistans, som var en del av studien, i Älvkarleby november 2014 visar inga tydliga kapacitetsförsämringar trots att batteriet varit i drift i nästan nio år.

Studien påvisar vissa skillnader i person- och anläggningssäkerheten vid installation av Li-jonteknik. Ett stationsbatteri av Li-jonceller kan vara uppbyggt av parallella batteristrängar som utrustas med egen laddare och brytare. Det ökar likströmssystemets redundans eftersom delar av batteriet kan kopplas bort samtidigt som resterande batteristrängar kan leverera kapacitet till anläggningen.

Dessvärre kan Li-jonbatteriet börja brinna och explodera vid överladdning, överhettning och kortslutning. Batteriet måste därför övervakas av ett elektroniskt övervakningssystem, en BMS, och är utrustat med mekaniska skydd. BMS:en förhindrar farliga förhållanden och gör det möjligt att övervaka batteriet på avstånd. Vid installation av Li-jonbatterier undviks hantering av stark syra och hälsofarligt bly. Dessutom försvinner risken för vätgasexplosion. Förslag på utformning av stationsbatterier med Li-jonteknik beskriver att det i vissa fall finns möjlighet att dimensionera batteriet med lägre kapacitet jämfört med blybatteriet och ändå erhålla samma säkerhetsgrad. Utformningen visar även att brandcellerna kan göras mindre och kylanläggning i batterirummen inte behövs i lika stor utsträckning.

Studiens kostnadsjämförelse jämför underhålls- och inköpskostnader för Li-jon- ochblybatteriet. Resultatet från analysen visar att underhållskostnaden minskar med 75 % för Li-jonteknik men att inköpskostnaden för Li-jonbatterier i dagsläget är nästan tre gånger högre än för blybatteriet. Men mycket tyder på att inköpskostnaden kommer reduceras kraftigt i framtiden.

Studiens slutsats är att Li-jonbatteriet har många fördelar som stationsbatteri, men tekniken är fortfarande ung och är under ständig utveckling. Vattenfall Vattenkraft bör vänta tills tekniken mognat och priserna sjunkit till lägre nivåer innan det görs större installationer. Erfarenhet av tekniken är viktigt för att kunna utvärdera tekniken och få mer kunskap i företaget. Mindre installationer av Li-jonbatterier, såsom pilotanläggningen i Älvkarleby bör därför övervägas.