Управление температурным режимом ваккумуляторные системы хранения энергии уличного типа-типапредставляет собой одну из тех инженерных дисциплин, где разрыв между теорией из учебников и реальностью настолько велик, что может поглотить целые бюджеты проектов. Электрохимическое поведение литий-железо-фосфатных элементов-сейчас является доминирующим химическим составом в стационарных хранилищах-контролируется температурными зависимостями, которые большинство отделов закупок рассматривают как сноски, а не как основные конструктивные ограничения. Рабочий диапазон от 15 до 35 градусов на бумаге кажется щедрым, пока вы не введете в эксплуатацию шкаф мощностью 215 кВтч в Финиксе в июле и не увидите, как BMS снижает мощность вашего нового блестящего актива до 40%, потому что кто-то занизил мощность HVAC на 2 кВт.
Проблема температуры, которую никто не хочет обсуждать
Вот неприятная правда, которую отрасль замалчивает: батареи LFP не заботятся о ваших прогнозах доходов. Они заботятся о том, чтобы температура оставалась между 20 и 30 градусами. Если выйти за пределы этой полосы, вы начнете платить сложные проценты за деградацию.
Цифры жестокие. На каждые 10 градусов выше 25 градусов срок службы сокращается примерно вдвое. Шкаф, работающий постоянно при температуре 45 градусов, -что случается чаще, чем кто-либо допускает при установке в пустыне-, достигнет порогового значения снижения мощности через три года вместо восьми. Это не ошибка округления. Это бесполезный актив.
А в крайних случаях становится еще хуже. Химический состав LFP начинает демонстрировать заметно увеличенное внутреннее сопротивление ниже 0 градусов, а это означает, что ваши кривые разряда утром зимой совсем не похожи на кривые летнего дня. Зарядка при температуре ниже нуля может привести к необратимому повреждению литиевого покрытия анода-, которое невозможно исправить никаким ремонтом. BMS должна предотвратить это, но я видел устройства, поставляемые с отсечкой низких-температур, установленной на уровне -10 градусов, тогда как в технических характеристиках производителя элементов четко указано 0 градусов. Никто не поймал его до третьей зимы.
Воздушное охлаждение: значение по умолчанию, которое не должно быть значением по умолчанию
Большинство шкафов управления и контроля поставляются с принудительной-регулировкой температуры воздуха, поскольку это дешево. Кондиционер мощностью от 3 до 5 кВт, прикрепленный болтами к крыше шкафа, некоторые воздуховоды и, возможно, фильтр, который никто никогда не будет менять,-готово. Общая стоимость спецификации для системы HVAC: около 2500 долларов.
Кондиционер расположен сверху по практическим соображениям. Тепло поднимается, поэтому вы боретесь с термодинамикой, если пытаетесь охладиться снизу. Что еще более важно, доступ к фильтру и отверстиям для обслуживания хладагента должны быть доступны техническим специалистам, которые не хотят совершать акробатические действия. Однажды я посетил место, где шкаф переменного тока был установлен на уровне колен на задней панели. Сервисный техник показал мне свои счета: оплата труда за каждый звонок была на 30% выше из-за сложности доступа.
Воздушное охлаждение работает. Проблема не в этом. Проблема в том, что он работает до тех пор, пока не перестанет, а когда он терпит неудачу, он терпит неудачу, и это каскадно влияет на вашу операционную экономику.
Температурные градиенты — скрытый убийца. В типичном шкафу с воздушным-охлаждением разница между модулями батарей со стороны впуска- и модулями со стороны выхлопа- составляет от 8 до 12 градусов. Ячейки рядом с воздухозаборником могут находиться при комфортной температуре 22 градуса, а те, что в дальнем конце пути воздушного потока, нагреваются при 34 градусах. Тот же шкаф, тот же момент времени, радикально разные темпы старения. Через пять лет у вас есть некоторые модули с SOH 85%, а другие с SOH 65%. Удачи в объяснении этого вашей команде по эксплуатации и техническому обслуживанию, когда устаревшие модули начнут ограничивать емкость всей-системы.
Данные NREL по этому поводу весьма убедительны. Литий-ионные элементы, работающие при температуре 30 градусов, теряют около 20 % срока службы по сравнению с элементами, выдерживаемыми при температуре 20 градусов. При 40 градусах срок службы сокращается на 40%. При температуре 45 градусов, -что абсолютно достижимо в плохо сконструированном шкафу с воздушным-охлаждением во время пикового летнего полудня-цикла бритья-, срок службы батареи сокращается вдвое. Это не теоретические цифры. Они получены в результате исследований ускоренного старения и проверены на основе полевых данных.
Жидкостное охлаждение: лучшая производительность, разные головные боли
Переход отрасли к шкафным-системам с жидкостным охлаждением произошел быстро и во многом оправдан. Водно-гликолевые смеси, проходящие через охлаждающие пластины, прикрепленные к аккумуляторным модулям, позволяют добиться однородности температуры в пределах от ±2 до ±3 градусов по всему блоку. Это существенное улучшение по сравнению с воздушным охлаждением (от ±6 до ±8 градусов (а зачастую и хуже).
Физика проста: удельная теплоемкость воды примерно в четыре раза больше, чем у воздуха. Вы можете переместить то же количество тепловой энергии при значительно меньшем массовом расходе. Холодные пластины соприкасаются непосредственно с поверхностями модуля, устраняя потери из-за конвекции в пограничном слое, которые ограничивают конструкции с воздушным-охлаждением. Все, что касается жидкостного охлаждения, термодинамически превосходно.
Так почему же не все шкафы имеют жидкостное-охлаждение?
Стоимость, очевидно. Жидкостная система управления температурным режимом-охладитель, насосы, охлаждающие пластины, водопровод, гликолевая заливка, расширительный бак, система обнаружения утечек-добавляет к стоимости шкафа от 8000 до 15 000 долларов США в зависимости от мощности. Для системы мощностью 100 кВтч с общей стоимостью установки около 80 000 долларов США это значительное процентное увеличение.
Но настоящие колебания возникают из-за оперативной тревоги. Жидкость вблизи электроники постоянного-высокого напряжения заставляет людей нервничать, и не без причины. Утечка гликоля внутри шкафа под напряжением приводит к отказам, которых просто нет в воздушном охлаждении. В лучших конструкциях с жидкостным-охлаждением используются диэлектрические жидкости или физически изолируется контур охлаждения от электрических отсеков, но я рассмотрел системы, в которых коллекторы с холодными пластинами проходят непосредственно над платами BMS. Одна достойная неудача, и вам предстоит расследование крупного инцидента.
Нагрузка на техническое обслуживание также увеличивается. Насосы выходят из строя. Гликоль разлагается и требует периодической замены. В чиллерах есть компрессоры, которые изнашиваются. Воздушные фильтры на змеевиках конденсатора забиваются пылью, и никто их не проверяет, потому что система стоит на огороженном дворе, куда два раза в год приезжают специалисты по техническому обслуживанию. Система жидкостного охлаждения, которая не обслуживается активно, перестанет работать в течение 18 месяцев и выйдет из строя в течение 36 месяцев.
Теплообменники: средний путь, которого нет
Теплообменники воздух---воздух постоянно фигурируют в спецификациях и обычно позиционируются как "более надежная" альтернатива охлаждению на основе хладагента-. Идея звучит примерно так: никакого компрессора, никакой заправки хладагентом, никакого сложного управления системой отопления, вентиляции и кондиционирования-только тепловая трубка или термосифон, который пассивно передает тепло из шкафа в окружающий воздух.
Есть одна маленькая проблема. Теплообменники могут отводить тепло только тогда, когда температура окружающей среды ниже целевой температуры шкафа. Если вы хотите поддерживать температуру внутри шкафа 25 градусов, а снаружи 35 градусов, ваш теплообменник теперь работает как дорогостоящий тепловой мост в неправильном направлении.
Это кажется очевидным, если изложить это прямо, но я видел проекты на юго-западе Америки, в которых теплообменник-обменник-только охлаждал, потому что инженер по продажам показывал график "среднегодовых температур", который удобно сглаживал дневные пики в 45 градусов до очень управляемых-выглядящих средних значений в 28 градусов. Система работала нормально с октября по апрель. С мая по сентябрь большую часть дневного времени батареи проводили в условиях термического снижения мощности.
Использование теплообменников имеет смысл в определенных климатических условиях-Скандинавии, северной Германии, северо-западной части Тихого океана и везде, где температура окружающей среды стабильно остается ниже заданного значения. В сочетании с небольшим дополнительным блоком переменного тока на несколько жарких дней они могут сократить годовое потребление энергии на охлаждение на 60% и более. Но они не являются универсальным решением, и поставщики, которые представляют их таковыми, оказывают своим клиентам медвежью услугу.
Паразитарная нагрузка, на которую никто не рассчитывает
Кабинетные системы отопления, вентиляции и кондиционирования потребляют электроэнергию. Это не новость. Что является новостью-для многих разработчиков проектов, по-видимому,-так это то, сколько электроэнергии они потребляют и насколько существенно это потребление влияет на экономическое обоснование.
Полевые данные, полученные при установке в нескольких климатических зонах, показывают, что паразитные нагрузки по управлению температурой варьируются от 8% от общей пропускной способности батареи в мягком климате до 34% в экстремальных условиях. Позвольте этому осознаться. В субарктической установке с высокими требованиями к отоплению зимой более трети энергии, запасенной в батареях, уходит на поддержание приемлемой температуры тех же самых батарей.
Стандартное предположение в большинстве финансовых моделей составляет от 2% до 3% вспомогательной нагрузки. Это предположение ошибочно, часто на порядок в сложных ситуациях.
Лето на самом деле является более легким сезоном с точки зрения паразитной нагрузки в большинстве мест. Да, вы постоянно используете кондиционер, но вы отбрасываете тепло в воздух, температура которого всего на 10–20 градусов выше заданного значения. Зимой в холодном климате вещи становятся дороже. Вы используете нагреватели сопротивления, и нет никакого термодинамического трюка, который мог бы сделать нагрев электрическим сопротивлением более эффективным. Каждый ватт тепла, который вам нужен, обходится вам ровно в один ватт электроэнергии-плюс неэффективность любого преобразования энергии, происходящего между батареей и обогревателем.
PCS генерирует отходящее тепло, а умные конструкции шкафов улавливают его для управления температурным режимом в зимнее время. Когда PCS находится внутри тепловой оболочки, ее потери на преобразование от 3% до 5% становятся «бесплатным» обогревом в холодные месяцы. При внешнем монтаже-часто это случается в сплит--системах, где аккумуляторный шкаф и шкаф силовой электроники представляют собой отдельные блоки,-вы выбрасываете полезную тепловую энергию и теперь вынуждены заменять ее резистивным нагревом-с питанием от батареи.
Тепловой побег: страх, который формирует все
LFP не имеет характеристик термического выхода из-под контроля, свойственных химическим веществам NMC или NCA. Это верно. Катодная структура из фосфата железа не выделяет кислород при нагревании, поэтому не происходит каскадного экзотермического разложения, которое делает химические вещества на основе кобальта-такими опасными.
Но «безопаснее» не значит «безопаснее», и растущая самоуспокоенность отрасли по поводу теплового поведения LFP начинает проявляться в отчетах об инцидентах.
Термический разгон LFP начинается примерно при 270 градусах, -что намного превышает пороговое значение от 150 до 200 градусов для NMC. Скорость повышения температуры во время выхода из-под контроля составляет около 1,5 градусов в минуту по сравнению с сотнями градусов в минуту для химических соединений кобальта. Это дает вам больше времени на ответ и делает распространение сигнала между ячейками гораздо менее вероятным.
При обсуждении безопасности часто упускают из виду, что элементы LFP по-прежнему выделяют горючие и токсичные газы во время отказа. В смеси отходящих газов присутствуют водород, окись углерода, углеводороды и фторид водорода. Количества ниже, чем у NMC, и выброс происходит медленнее, но шкаф, полный вентилируемых ячеек LFP в замкнутом пространстве, по-прежнему представляет собой серьезную опасность.
Недавнее исследование, проведенное в Университете Шеффилда, показало, что батареи LFP в некоторых случаях фактически представляют большую опасность воспламенения, поскольку отходящая-газовая смесь-хотя и менее объемная,-имеет более низкий порог самовоспламенения-. В полной версии статьи много нюансов, и в ней не делается вывод о том, что LFP в целом более опасен, но он опровергает все более распространенное маркетинговое утверждение о том, что LFP «не может загореться».
Все это возвращает нас к терморегулированию. Лучший способ предотвратить термические явления – это предотвратить условия, которые к ним приводят. Ячейки, температура которых никогда не превышает 45 градусов, которые никогда не испытывают хронических температурных градиентов, которые никогда не заряжаются ниже 0 градусов, -эти клетки будут стареть нормально, вести себя предсказуемо и представлять минимальный риск для безопасности. Система терморегулирования — это ваша первая линия защиты, а не система пожаротушения.
Воздушный поток в шкафу: деталь, которую все понимают неправильно
Даже при правильном подборе систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха однородность температуры зависит от распределения воздушного потока. Именно здесь я видел больше катастроф в области оптимизации стоимости, чем могу сосчитать.
Путь наименьшего сопротивления имеет значение. Холодный воздух попадает в шкаф и хочет сразу попасть в обратный канал. Если аккумуляторные модули расположены так, что некоторые из них находятся на пути основного потока, а другие — в мертвых зонах, вы получаете температурную стратификацию независимо от того, сколько киловатт охлаждения вы установили.
Дефлекторы помогают. Конструкция пленума помогает. Больше всего помогает использование CFD на этапе проектирования-, которое требует денег и времени и поэтому не применяется в большинстве проектов C&I. Инженерный подход обычно такой: «Это маленький шкаф, насколько сложным может быть воздушный поток?» Ответ: достаточно сложный, чтобы создать градиент в 10 градусов между соседними модулями.
Контейнерные системы BESS во многом решили эту проблему посредством стандартизации. Крупнейшие интеграторы запустили CFD, построили прототипы, проверили проекты и зафиксировали тепловую архитектуру. Шкафные системы, особенно от мелких производителей, часто не проходят через этот процесс. Вы покупаете первое или второе поколение конструкции, которая, возможно, не прошла термическую проверку, за исключением того, что «кондиционер может снизить внутреннюю температуру в 35-градусный день».
Что на самом деле важно для закупок
Если вы выбираете уличный шкаф BESS, вот что вам следует потребовать:
Спецификация однородности температуры. Не «в шкафу есть кондиционер», а фактическое число: максимальная разница температур между всеми аккумуляторными модулями при номинальной зарядке/разрядке при максимальной температуре окружающей среды. Если поставщик не может ответить на этот вопрос, значит, он не занимался теплотехникой.
Оценка паразитной нагрузки в-специфичных условиях сайта. Это не стандартная цифра в 2 % из рекламного материала-, а фактический расчет с использованием данных о погоде TMY для вашего места установки. Если паразитная нагрузка превышает 10 % от номинальной пропускной способности в год, это должно быть отражено в вашей финансовой модели.
Защита от зарядки при низкой-температуре. Убедитесь, что температура отсечки соответствует рекомендациям производителя элемента, а не какому-то компромиссному значению, которое может позволить заряжать при температурах, вызывающих образование литиевого покрытия. Проверьте это в конфигурации BMS, а не только в спецификации.
Выбор системы управления температурным режимом -воздух или жидкость-значит меньше, чем то, насколько хорошо эта система внедрена и обслуживается. Хорошо спроектированный шкаф с воздушным-охлаждением и правильным воздушным потоком превосходит систему с жидкостным-охлаждением с неисправным насосом или засоренным конденсатором. Лучшая система управления температурным режимом – это та, которой уделяется необходимое внимание на протяжении всего срока службы актива.
Заключительные наблюдения
Управление температурным режимом не делает интересных пресс-релизов. На следующей конференции RE+ никто не собирается объявлять о прорыве в регулировании воздушного потока в шкафах. Но это разница между 15-летним активом и 8-летним активом, между системой, которая обеспечивает номинальную мощность в жаркие летние дни, и системой, которая снижает мощность до 60% именно тогда, когда она вам больше всего нужна.
Самая дорогая ошибка в управлении температурным режимом — это предположение, что проблему решил кто-то другой. Второй по стоимости вариант — предположение, что то, что работает в Мюнхене, будет работать и в Дубае.
Сначала разработайте тепловой расчет. Все остальное следует оттуда.