Электроэнергия от неперезаряжаемых (первичных) батарей стоит относительно дорого, и ее использование ограничено приложениями с низким энергопотреблением, такими как часы, фонарики и портативные развлекательные устройства. Сотовые телефоны, ноутбуки и электроинструменты работают в основном от аккумуляторных (вторичных) батарей.

В этой статье мы рассчитываем стоимость производства 1000 Вт энергии в течение одного часа (1 кВт-ч) с использованием различных накопителей энергии. Сначала мы рассмотрим первичные и вторичные батареи; затем сравните стоимость энергии, полученную от двигателя внутреннего сгорания, топливного элемента и, наконец, электрической сети.

Первичная батарея

На Рисунке 1 показана стоимость энергии с использованием коммерческих щелочных элементов. В правом столбце показана литиевая батарея для фотоаппаратов и резервного копирования памяти. 

Видно, что ячейки большего размера обеспечивают более низкую стоимость киловатт-часа, чем ячейки меньшего размера. Стоимость энергии от AA более чем вдвое меньше, чем от AAA меньшего размера. Ячейка C обеспечивает самую низкую стоимость киловатт-часа. Ячейка D выросла в цене из-за умеренного использования. Усовершенствованные системы, такие как литиевые, обеспечивают очень высокую плотность энергии по очень высокой цене. Энергозатраты 6-вольтовой батареи камеры более чем в десять раз выше, чем у щелочной батареи C.


Рисунок 1: Стоимость энергии, получаемой первичными батареями.  Стоимость энергии от первичных батарей высока и увеличивается с меньшими размерами батарей и системами с высокой плотностью энергии.
_______________
* Номинальное напряжение используется для расчета Втч. Из-за падения напряжения во время разряда фактическая энергия меньше, чем показано.

Первичные батареи содержат больше энергии, чем вторичные батареи по размеру и весу. Другие преимущества - эксплуатационная готовность, длительное хранение и мгновенная готовность. Первичные батареи содержат мало токсичных веществ и считаются экологически чистыми.

Аккумуляторная батарея

Как видно на Рисунке 2, вторичные батареи обеспечивают гораздо более экономичную энергию, чем первичные. Этот анализ основан на предполагаемой закупочной цене коммерческого аккумуляторного блока и на количестве циклов разряд-заряд, которое он может выдержать, прежде чем потребуется его замена. Рассчитанная стоимость не включает электричество, необходимое для зарядки, и не учитывает стоимость покупки зарядного оборудования. 


 
Рисунок 2: Сравнение энергии и затрат с использованием перезаряжаемых элементов.  Старые химические системы, как правило, дешевле в расчете на киловатт-час, чем новые системы. Батареи большего размера более экономичны, чем батареи меньшего размера.

Более новый химический состав обеспечивает более высокую плотность энергии, чем обычные батареи по размеру и весу, но стоимость киловатт-часа выше. Эта стоимость в значительной степени зависит от количества циклов зарядки / разрядки, которое может выдержать аккумулятор. 

Низкая стоимость никель-кадмиевого сплава может быть достигнута только путем полной разрядки один раз в 1-2 месяца в рамках программы технического обслуживания для предотвращения памяти. Если опустить, никель-кадмий находится на одном уровне с никель-металл-гидридным и литий-ионным с точки зрения срока службы. Отсутствие технического обслуживания увеличило бы стоимость в три раза. Условия окружающей среды, такие как повышенная температура и неправильная зарядка, сокращают ожидаемый срок службы батарей любого химического состава. Расчетный срок службы основан на лучших случаях.

Самая низкая стоимость киловатт-часа приходится на свинцово-кислотные двигатели для инвалидных колясок и скутеров. Использование в ноутбуке большой свинцово-кислотной батареи снизило бы затраты на электроэнергию в двадцать раз. Это, однако, будет сложно продать. 

Двигатель внутреннего сгорания 

На рис. 3 сравнивается стоимость энергии для выработки 1 кВт энергии из первичных щелочных элементов AA, никель-кадмиевого блока, двигателя внутреннего сгорания, используемого в автомобиле среднего размера, топливных элементов и электрической сети. При оценке стоимости учитываются первоначальные инвестиции, затраты на топливо, где это применимо, и возможная замена систем. 


 
Рисунок 3: Стоимость производства 1 кВт энергии.  При этом учитываются первоначальные вложения, расход топлива, где это применимо, техническое обслуживание и возможная замена оборудования. Самый дешевый источник энергии - это коммунальное предприятие; самые дорогие - это первичные батареи.

Топливный элемент

Топливный элемент предлагает наиболее эффективные средства производства электроэнергии, но стоит дорого с точки зрения стоимости киловатт-часа. Топливные элементы, заменяющие батареи, станут экономически выгодными только тогда, когда такие блоки будут доступны в компактной конструкции по разумной цене. 

Топливные элементы для стационарных применений по-прежнему дороже дизельных. Наименее выгодным с точки зрения стоимости применением являются топливные элементы для транспортных средств. Двигатель внутреннего сгорания, каким мы его знаем сегодня, трудно превзойти. По данным Министерства энергетики США, водород в четыре раза дороже бензина, а топливный элемент в десять раз дороже бензинового двигателя. Чтобы побудить автомобилистов перейти на экологически безопасные топливные элементы, могут потребоваться иные стимулы, помимо стоимости.

Самая низкая стоимость киловатт-часа - это электроэнергия из сети. Энергия может быть произведена в удаленных местах. Транспортное обслуживание и затраты относительно низкие. Вся информация о затратах основана на текущих оценках и предположениях.