TK - blog


Akumulátory

Publikováno 1.11.2023

Akumulátor je elektrochemický zdroj elektrické energie, který má schopnost ukládat dodávanou energii, tu v sobě zachovat po určitý čas a následně ji vydávat. V článku si vysvětlíme vlastnosti používaných akumulátorů s ohledem na provoz v lodi. Ukážeme si časté chyby v používání akumulátorů, které vedou k jejich rychlému zničení. Vysvětlíme si jak s nimi co nejpépe zacházet aby nám sloužily co nejdéle. Porovnáme vlastnosti olověných a LiFePO4 akumulátorů.

Typy akumulátorů

Druhů akumulátorů je celá řada a detailní popis jejich vlastností by vydal na knihu, proto se v následujícím textu soustředím pouze na akumulátory se kterými se nejčastěji v praxi můžete setkat na lodích. Dnes v úvahu připadají 2 typy a to olověné akumulátory a akumulátory lithiové.

Kapacita akumulátoru

Kapacita akumulátoru je uváděna v ampérhodinách (Ah). Jedná se o jmenovitý údaj. Příklad - akumulátor o jmenovité kapacitě 100 Ah by měl být schopen dodávat proud 1 A (ampér) po dobu 100 hodin nebo proud 10 A po dobu 10 hodin.

Kapacita (Ah) = proud (A) x čas (hod.)

Využitelná kapacita a hloubka vybití

U akumulátorů však nejde počítat s využitím jejich úplné (jmenovité) kapacity. Předpokládané režimy využití baterie, způsob vybíjení a hloubka vybíjení jsou konstrukční charakteristiky baterie. Hloubku vybití uvádíme v procentech. Pokud z plně nabitého akumulátoru využijeme veškerou energii, která odpovídá jeho jmenovité kapacitě, pak byla hloubka vybití 100%. Takto hluboké vybití může mít za následek zkrácení životnosti akumulátoru. Proto musíme vycházet z konkrétního typu akumulátoru a jeho parametrů, kde je i definována hloubka vybíjení vzhledem k životnosti (počtu cylků) akumulátoru. Při výběru akumulátoru a jeho kapacity je potřeba vzít v úvahu dostupnou hloubku vybití, kterou obvykle uvádí výrobce a zvážit vliv hloubky vybití na počet cyklů za dobu života baterie. Pokud pracujeme s již nainstalovanými akumulátory je vhodné si zjistit jakého typu jsou a přizpůsobit jejich provoz tak, abychom nepřekračovali jejich využitelnou kapacitu (hloubku vybití).

Olověné akumulátory

Olověné akumulátory jsou nejpoužívanějším typem akumulátoru díky jejich osvědčené bezpečnosti, výkonu a nízké ceně. Jejich životnost velmi závisí na způsobu používání, při dobrém zacházení průměrná životnost činí 5 až 7 let. Nesprávné používání, které je na lodích (hlavně v charteru) běžné, může životnost olověných akumulátorů zkrátit na pouhý rok či je trvale poškodit během několika dnů.

Jedním z klíčových parametrů baterií je využitelná kapacita. Ta právě u olověných akumulátorů je relativně nízká. Pokud budeme potřebovat kapacitu 100Ah u olověného (Pb) akumulátoru, pak je nutné nainstalovat 200Ah, abychom jej mohli vybíjet do 50%. Doporučené hloubka vybíjení Pb akumulátorů je však pouze do 40%. Nad tuto hranici jde o hlubší vybíjení, které způsobuje nevratné procesy - sulfatace elektrod.
Jinými slovy, z akumulátoru 200Ah (obvyklá kapacita servisní baterie na charterových lodích), budeme mít k dispozici využitelnou kapacitu pouze 80Ah (hloubka vybití 40%) a to za předpokladu, že jsou baterie nové ve 100% stavu. V praxi však na moři baterii vybíjíme daleko za optimální hranici mnohdy až k 80%, tak je téměř jisté, že se životnost akumulátoru zkrátí na méně než jeden rok. Další problém, kterým dále zkrátíme životnost (Pb) baterie je, že po jejím hlubokém vybití ji nejsme schopni ihned (max. do 24 hodin) zcela nabít a elektrody začnou nevratně sulfatovat. Nedostatečným nebo nesprávným nabíjením Pb baterie dojde ke skutečnému zkrácení její životnosti.

Sulfatace

Olověný akumulátor má omezení, které spočívá v tom, že když je delší dobu – řádově dny – ponechán v nedostatečně nabitém stavu, tak na jeho elektrodách dochází k tzv. sulfataci, která výrazně snižuje jeho kapacitu. Proto poté, co je olověný akumulátor vybíjen, je potřeba ho co nejdříve. Sulfatace je postupný vznik krystalického síranu olovnatého přeměnou z amorfního síranu, který vznikl na elektrodách při vybíjení. Vzniklé krystaly síranu na rozdíl od amorfního síranu se zúčastňují přeměn aktivní hmoty elektrod jen ve velmi omezené míře a tím se kapacita sulfatací zasaženého akumulátoru snižuje. Jde o téměř nevratný proces. Upraveným nabíjením (např. pomocí krátkých pulzů většího proudu), lze částečně převést krystalický síran zpět na aktivní hmotu elektrod - desulfatovat akumulátor. Funkcí desulfatace jsou vybaveny některé "inteligentní" nabíječky olověných akumulátorů. Vždy je lepší sulfataci předcházet, desulfatace je časově náročný proces a nemusí být úspěšná.

Nabíjení

Baterie je možné nabíjet více způsoby, ale mezi nejosvědčenější patří „constant voltage / limited current“, tj. dodržení max. 2,40 V / článek a omezení proudu – tomu odpovídá napětí 14,4 V pro 12 V baterii a max. proud 0,4 jmenovité kapacity. Pro baterii 200Ah by byl max. nabíjecí proud 80 A. V lodích nainstalované nabíječky pracuji právě popsanou metodou, jen nabíjecí proud nedosahuje možného maxima, ale je nižší - to nevadí, jen doba nabíjení bude úměrně delší.

Startovací baterie

Olověné baterie určené pro startování nejsou navržené pro hluboké vybití – mají velký počet tenkých elektrod a koncentrovanou kyselinu kvůli schopnosti dodat co největší proud pro startér motoru. Hlubokým vybitím mohou být snadno nevratně poškozeny. Sulfatace díky koncentrované kyselině probíhá rychleji. Opakované hluboké vybití způsobí ztrátu kapacity a významně sníží životnost. Startovací baterie se skladují odpojené a měly by se pravidelně dobíjet podle doporučení výrobce (např. každé 3 měsíce), aby se předešlo sulfataci. Jako servisní baterie pro loď jsou nevhodné. Startovací baterie by naopak v lodi měla být jen pro startování motoru a na nic jiného.

Trakční baterie

Tyto baterie jsou stavěné na dlouhodobé odebírání energie a následné znovu nabití. Jsou primárně určené pro elektrickou trakci, tedy pro zařízení a stroje měnící elektrickou energii v pohyb. Tyto baterie velmi dobře zvládají cyklický provoz, což je periodické nabíjení a vybíjení, kdy může dojít k hlubokému vybití. Používají se zejména pro elektrické vozíky, manipulační stroje, plošiny, čtyřkolky apod. Pro trakční baterie je nutné dodržení cyklů a to nabití na 100 % a následné odebrání až 80 % energie a znovu nabití. Pokud jsou hluboce vybity - pod zbývajících 20 % energie, sulfatují a snižuje se jejich kapacita až do trvalého poškození, nesmí se tedy extrémně hluboce vybíjet a dále ani mezidobíjet. Jsou vhodné jako servisní baterie pro loď.

Jak zjistit stav vybití?

Nejspolehlivějším způsobem jak zjistit stav nabití či zbývající kapacitu baterie, je použití monitoru stavu baterie, který měří jak napěti na baterii, ale i proud, kterým je baterie vybíjena či nabíjena a zároveň vypočítává bilanci mezi dodanou a odebranou energií. Na displeji se díky tomu máme informaci o aktuální kapacitě, tedy energii uložené v baterii, kterou máme k dispozici.

Pokud loď není vybavena monitorem stavu baterie, lze orientačně pro olověnou baterii využít následující tabulku s hodnotami napětí na nezatížené baterii vzhledem k její přibližné aktuální kapacitě. Tabulka platí při teplotě 20°C a odpojené baterii od spotřebičů či nabíječky.

Stav nabití Měřené napětí [V]
100 % 12,80
75 % 12,60
50 % 12,40
25 % 12,10
0 % 11,90

LiFePO4 akumulátory

Lithium-železo-fosfátové baterie (LiFePO) je modernější a technologicky vyspělejší akumulátor a jeho cena již klesla natolik, že začíná být i finančně úspornější, vzhledem k jeho životnosti a vlastnostem, jím nahradit olověné akumulátory. Oproti olověným bateriím netrpí sulfatací, která snižuje kapacitu a zkracuje životnost. Na rozdíl od olověných akumulátorů nemusí LiFePO akumulátory být plně dobíjeny, stačí částečné dobíjení. Životnost aktuálně vyráběných článků a baterií je více než 7000 cyklů při hloubce nabití a vybití 80%. Během vybíjení mají velmi malý pokles napětí až do 85-90 % použité kapacity. Mají vynikající tepelné a chemické vlastnosti, které snižují riziko požáru nebo výbuchu. Pracovní rozsah teplot pro LiFePO4 je od -20°C do + 60°C (extrémně studené nebo teplé počasí nebude mít vliv na výkon baterie). Nabíjení má však probíhat při teplotě vyšší než 0°C, ale jednorázově lze nabíjet i při -20°C. Opakované nabíjení při teplotách nižších než 0°C bude snižovat životnost LiFePO4 baterie. Při srovnatelné kapacitě s olověnou baterií jsou LiFePO baterie 2x až 3x lehčí. Konečné napětí při nabíjení je srovnatelné s napětím olověných akumulátorů a lze přímo olověné akumulátory nahradit akumulátory LiFePO ve stávajících systémech. LiFePO akumulátory lze rychle nabít na 100% kapacity za 3 hodiny a některé typy i za dobu kratší než hodinu. Pro rychlé nabíjení je však nezbytná nabíječka nebo zdroj, který je schopen dodat dostatečně velký nabíjecí proud.

Díky uvedeným vlastnostem jsou LiFePO akumulátory v současnosti dle mého názoru ideální jako servisní baterie pro lodě, kde bývá často nereálné po jejich vybití zajistit včasné dobití na 100% kapacity jak potřebují olověné akumulátory. LiFePO akumulátory lze i po hlubokém vybití nabít jen částečně a opět z nich čerpat energii bez zkrácení jejich životnosti. Pokud není v lodi instalován monitor stavu nabíjení a vybíjení akumulátorů, doporučuji instalovat LiFePO akumulátory s vestavěným BMS (battery management system) včetně rozhraní BlueTooth, které přenese informace o stavu akumulátoru do aplikace na chytrém telefonu a lze tak mít dokonalý přehled o stavu a využitelné energii. Některé typy mívají v sobě vestavěný displej.

Nabíjení a vybíjení

Bezpečné nabíjecí napětí pro 12V baterii je 14,4 až 14,6V. Přebíjením baterii LiFePO4 zničíte. Přebíjení znamená použití vyššího nabíjecího napětí než je maximální povolené, nebo udržování nabíjecího napětí na již nabité baterii. Po nabití LiFePO4 baterie o jmenovitém napětí 12V je možné udržovat snížené napětí „relaxing voltage“ 13,6V. Při vybíjení nesmí dojít k poklesu pod mezní napětí LiFePO4 baterie. Baterie o jmenovitém napětí 12V nesmí být vybita pod 10V. Nedoporučuje se však vybíjet baterii pod 11V. Vždy je nutné řídit se pokyny konkrétního výrobce a mezními napětími v katalogovém listu dané baterie! U baterií vybavených BMS obvodem se o dodržení nabíjecího napětí stará obvod v baterii automaticky a plně nabitou baterii odpojí aby nedošlo k jejímu přebití. Naopak při vybíjení při dosažení mezního vybíjecího napětí vestavěný BMS obvod také baterii odpojí od zátěže. Proto doporučují použít do lodě baterie s vestavěným BMS obvodem.



Odplouvání bokem od mola

Odplouvání bokem od mola

Ukážeme si jak bezpečně pomocí springů odplout od mola, kde jsme vyvázáni bokem bez použití bow thrusteru (příďového příčného pohonu) či jiných metod jako je odtlačení lodi někým ze břehu. Třeba namítnete, že bow thruster na lodi máte, ale nikdy nevíte, kdy selže nebo jeho síla nebude stačit na přetlačení silného větru. Proto je dobré umět s lodí manévrovat jen s pomocí hlavního motoru, kormidla a lana. (Publikováno 1.9.2021)


II. Poprvé kapitánem: bezpečnost na lodi

 II. Poprvé kapitánem: bezpečnost na lodi

Téma bezpečnosti by se určitě nemělo podceňovat. S čím vším je vhodné seznámit posádku ještě před vyplutím? Proč doporučuji stanovit si zástupce kapitána a nechávám posádku podepsat dokument o proškolení? Přečtěte si v článku.(Publikováno 1.11.2019)


Pečivo na lodi

Pečivo na lodi

Už se Vám někdy stalo, že Vám pečivo na lodi zplesnivělo? My jsme to dříve zažívali často. Bochníky chleba šly přes palubu a my se za nimi smutně dívali, protože nám bylo jasné, že na moři si už jiné nekoupíme. (Publikováno 5.3.2017)