Toplotno upravljanje vzunanji sistemi za shranjevanje energije v omarici-predstavlja eno tistih inženirskih disciplin, kjer je vrzel med učbeniško teorijo in področno realnostjo dovolj velika, da pogoltne celotne projektne proračune. Elektrokemično obnašanje litij-železo-fosfatnih celic-ki je zdaj prevladujoča kemija v stacionarnih aplikacijah za shranjevanje-odvisno od temperatur, ki jih večina skupin za nabavo obravnava kot opombe in ne kot primarne omejitve načrtovanja. Obratovalne ovojnice od 15 stopinj do 35 stopinj se na papirju slišijo velikodušno, dokler julija v Phoenixu ne naročite omarice s 215 kWh in opazujete, kako BMS duši vaše sijoče novo sredstvo na 40 % zmogljivosti, ker je nekdo HVAC podmeril za 2 kW.
Težava s temperaturo, o kateri nihče ne želi razpravljati
Tukaj je neprijetna resnica, ki jo industrija zamolči: LFP baterijam ni mar za vaše projekcije prihodkov. Zanima jih, da ostanejo med 20 in 30 stopinjami. Zaidete izven tega pasu in začnete plačevati obrestne obresti na degradacijo.
Številke so brutalne. Za vsakih 10 stopinj nad 25 stopinj se življenjska doba skrajša za približno polovico. Omarica, ki stalno deluje pri 45 stopinjah -kar se v puščavskih napravah zgodi pogosteje, kot si kdorkoli prizna-bo dosegla mejne vrednosti zmanjšanja zmogljivosti v treh letih namesto v osmih. To ni napaka pri zaokroževanju. To je nasedlo premoženje.
In v ekstremih se poslabša. Kemija LFP začne kazati merljivo povečan notranji upor pod 0 stopinjami, kar pomeni, da vaše zimske jutranje krivulje praznjenja niso nič podobne vašim poletnim popoldanskim krivuljam. Polnjenje pod lediščem tvega nastanek litijeve prevleke na anodi-trajno, nepopravljivo poškodbo, ki je ne more popraviti nobeno obnavljanje. BMS bi moral to preprečiti, vendar sem videl, da so bile enote poslane z mejnimi vrednostmi nizke-temperature, nastavljenimi na -10 stopinj, medtem ko je podatkovni list proizvajalca celice jasno določal 0 stopinj. Nihče ga ni ujel do tretje zime.
Zračno hlajenje: privzeta vrednost, ki ne bi smela biti privzeta
Večina sistemov omaric C&I je dobavljenih s toplotnim upravljanjem-prisilnega zraka, ker je poceni. Paketna klimatska naprava z močjo od 3 kW do 5 kW, privita na streho omarice, nekaj kanalov, morda filter, ki ga nihče ne bo nikoli zamenjal-končano. Skupni stroški BOM za sistem HVAC: morda 2.500 USD.
Klimatska naprava je iz praktičnih razlogov nameščena na vrhu. Toplota se dvigne, zato se borite s termodinamiko, če poskušate hladiti od spodaj. Še pomembneje je, da morajo biti dostop do filtra in servisne odprtine za hladilno sredstvo dosegljivi tehnikom, ki raje ne bi izvajali prekrivnih dejanj. Nekoč sem obiskal mesto, kjer je bila klimatska naprava nameščena na ravni kolen na zadnji plošči. Serviser mi je pokazal svoje račune - 30% višje stroške dela za vsak klic zaradi težav pri dostopu.
Zračno hlajenje deluje. To ni problem. Težava je v tem, da deluje, dokler ne deluje, in ko odpove, odpove na načine, ki se prelivajo skozi vašo operativno ekonomijo.
Temperaturni gradienti so skriti morilec. V tipični zračno-hlajeni omarici boste videli delte od 8 stopinj do 12 stopinj med baterijskimi moduli na-strani dovoda in moduli na strani-izpušne strani. Celice blizu dovoda izmeničnega toka imajo lahko udobnih 22 stopinj, medtem ko se tiste na skrajnem koncu poti pretoka zraka pečejo pri 34 stopinjah. Ista omara, isti trenutek v času, radikalno različne stopnje staranja. Po petih letih imate nekatere module s 85 % SOH in druge s 65 % SOH. Vso srečo pri razlagi tega vaši ekipi za O&M, ko bodo degradirani moduli začeli omejevati celotno-zmogljivost sistema.
Podatki NREL o tem so precej obsojajoči. Litij-ionske celice, ki delujejo pri 30 stopinjah, izgubijo približno 20 % svoje življenjske dobe v primerjavi s celicami, ki jih hranijo pri 20 stopinjah. Pri 40 stopinjah pričakujete 40-odstotno zmanjšanje življenjske dobe. Pri 45 stopinjah, -kar je povsem mogoče doseči v slabo oblikovani zračno-ohišju med konico poletnega popoldneva-britja-ste prepolovili življenjsko dobo baterije. To niso teoretične številke. Izhajajo iz študij pospešenega staranja in potrjeni s terenskimi podatki.
Tekočinsko hlajenje: boljše delovanje, različni glavoboli
Preobrat industrije k-tekočinsko hlajenim sistemom omaric je bil hiter in v veliki meri upravičen. Mešanice vode-glikola, ki tečejo skozi hladne plošče, pritrjene na baterijske module, lahko dosežejo enakomernost temperature v območju od ±2 do ±3 stopinje po celotnem paketu. To je transformativna izboljšava v primerjavi z zračnim hlajenjem od ±6 stopinj do ±8 stopinj (in pogosto slabše).
Fizika je preprosta: specifična toplotna kapaciteta vode je približno štirikrat večja od zraka. Enako količino toplotne energije lahko premaknete z bistveno manjšim masnim pretokom. Hladne plošče se povezujejo neposredno s površinami modulov in odpravljajo izgube konvektivne mejne plasti, ki omejujejo zračno{2}}hlajene modele. Vse o tekočinskem hlajenju je termodinamično vrhunsko.
Zakaj torej ni vsaka omara tekočinsko-hlajena?
Stroški, očitno. Sistem za upravljanje toplote s tekočino-hladilna enota, črpalke, hladilne plošče, napeljava, polnilo z glikolom, ekspanzijska posoda, zaznavanje puščanja-dodajo od 8000 do 15.000 USD k stroškom omare, odvisno od zmogljivosti. Za sistem s 100 kWh s skupnimi inštaliranimi stroški morda 80.000 USD je to pomembno odstotno povečanje.
Toda pravo obotavljanje izvira iz operativne tesnobe. Tekočina blizu visoke-napetostne enosmerne elektronike spravlja ljudi ob živce in ne brez razloga. Puščanje glikola v ohišju pod napetostjo predstavlja načine okvare, ki jih zračno hlajenje preprosto nima. Najboljše tekočinsko{4}}hlajene izvedbe uporabljajo dielektrične tekočine ali fizično izolirajo hladilno zanko od električnih predelkov, vendar sem pregledal sisteme, pri katerih razdelilniki s hladno ploščo potekajo neposredno nad ploščami BMS. Ena primerna napaka in pred vami je preiskava velikega incidenta.
Poveča se tudi breme vzdrževanja. Črpalke odpovedo. Glikol se razgradi in ga je treba občasno zamenjati. Hladilniki imajo kompresorje, ki se obrabijo. Zračni filtri na kondenzatorskih tuljavah se zamašijo s prahom in nihče jih ne preverja, ker je sistem v ograjenem dvorišču, ki ga vzdrževalci obiščejo morda dvakrat letno. Tekočinski hladilni sistem, ki ni aktivno vzdrževan, bo deloval premalo v 18 mesecih in odpovedal v 36 mesecih.
Toplotni izmenjevalniki: srednja pot, ki to ni
Toplotni izmenjevalniki zrak--zrak se nenehno pojavljajo v specifikacijah in so običajno postavljeni kot "zanesljivejša" alternativa hlajenju-na osnovi hladilnega sredstva. Zasnova gre nekako takole: brez kompresorja, brez polnjenja s hladilnim sredstvom, brez zapletenih krmilnikov HVAC-samo toplotna cev ali termosifon, ki pasivno prenaša toploto omarice na zunanji zrak.
Obstaja en majhen problem. Toplotni izmenjevalniki lahko zavrnejo toploto le, če je temperatura okolja pod ciljno temperaturo v omarici. Če želite vzdrževati 25 stopinj znotraj omare, zunaj pa je 35 stopinj, vaš toplotni izmenjevalnik zdaj deluje kot drag toplotni most v napačno smer.
To se zdi očitno, če je jasno navedeno, vendar sem videl projekte na ameriškem jugozahodu, opremljene s-izmenjevalnikom-toplote-samo za hlajenje, ker je prodajni inženir pokazal graf "letnih povprečnih temperatur", ki je prikladno izravnal popoldanske konice 45 stopinj v zelo obvladljivo-povprečje 28 stopinj. Sistem je dobro deloval od oktobra do aprila. Od maja do septembra so baterije preživele večino dnevnih ur termično izčrpane.
Toplotni izmenjevalniki so smiselni v posebnih podnebjih-Skandinavija, severna Nemčija, pacifiški severozahod, povsod, kjer temperatura okolja zanesljivo ostaja pod vašo nastavljeno vrednostjo. V kombinaciji z majhno dodatno AC enoto za nekaj vročih dni lahko zmanjšajo letno porabo energije za hlajenje za 60 % ali več. Vendar niso univerzalna rešitev in prodajalci, ki jih predstavljajo kot take, svojim strankam delajo medvedjo uslugo.
Parazitska obremenitev, za katero nihče ne vračuna proračuna
Sistemi HVAC v omarah porabljajo elektriko. To ni novica. Novica-za številne razvijalce projektov je očitno-to, koliko električne energije porabijo in kako pomembno ta poraba vpliva na poslovni primer.
Podatki s terena iz naprav v več podnebnih območjih kažejo parazitske toplotne obremenitve upravljanja, ki segajo od 8 % skupne zmogljivosti akumulatorja v blagih podnebjih do 34 % v ekstremnih okoljih. Naj se to ujame. V subarktični napravi z visokimi zahtevami po ogrevanju pozimi gre več kot tretjina energije, shranjene v baterijah, za vzdrževanje teh istih baterij na sprejemljivi temperaturi.
Standardna predpostavka v večini finančnih modelov je 2 % do 3 % pomožne obremenitve. Ta predpostavka je napačna, pogosto za red velikosti pri zahtevnih uvajanjih.
Poletje je na večini lokacij dejansko lažja sezona z vidika parazitske obremenitve. Da, klimatsko napravo uporabljate neprekinjeno, vendar zavračate toploto v zrak, ki je le 10 do 20 stopinj nad vašo nastavljeno točko. Pozimi v mrzlih podnebjih stvari postanejo drage. Uporabljate uporovne grelnike in ni nobenega termodinamičnega trika, ki bi ogrevanje z električnim uporom naredil učinkovitejše. Vsak vat toplote, ki ga potrebujete, vas stane natanko en vat elektrike-in neučinkovitost kakršne koli pretvorbe energije med baterijo in grelnikom.
PCS ustvarja odpadno toploto, pametne zasnove omaric pa jo zajemajo za upravljanje toplote pozimi. Ko PCS živi v toplotnem ovoju, njegove izgube pri pretvorbi od 3 % do 5 % postanejo "brezplačno" ogrevanje v hladnih mesecih. Ko je nameščen zunaj-pogosto v zasnovah deljenih-sistemov, kjer sta baterijska omarica in omarica močnostne elektronike ločeni enoti-ste zavrgli uporabno toplotno energijo in jo morate zdaj nadomestiti z baterijskim-uporovnim ogrevanjem.
Thermal Runaway: Strah, ki oblikuje vse
LFP nima lastnosti toplotnega uhajanja kot kemije NMC ali NCA. To je res. Katodna struktura železovega fosfata pri segrevanju ne sprošča kisika, zato ne pride do kaskadne eksotermne razgradnje, zaradi katere so kemije na osnovi -kobalta tako nevarne.
Toda "varnejše" ni "varno" in vse večja samozadovoljnost industrije glede toplotnega obnašanja LFP se začenja odražati v poročilih o incidentih.
Toplotni odmik LFP se začne pri približno 270 stopinjah -precej višje od praga od 150 do 200 stopinj za NMC. Hitrost dviga temperature med ubežnim dogodkom je približno 1,5 stopinje na minuto, v primerjavi s stotinami stopinj na minuto za kemikalije kobalta. To vam daje več časa za odziv in zmanjša verjetnost širjenja med celicami.
Kar se pogosto izpusti iz razprave o varnosti, je, da celice LFP še vedno sproščajo vnetljive in strupene pline med odpovedjo. Vodik, ogljikov monoksid, ogljikovodiki in vodikov fluorid se pojavljajo v mešanici iz-plina. Količine so nižje od NMC in sproščanje je počasnejše, vendar je omara, polna odzračevalnih celic LFP v zaprtem prostoru, še vedno resna nevarnost.
Nedavna raziskava Univerze v Sheffieldu je pokazala, da baterije LFP dejansko kažejo večjo nevarnost vnetljivosti v nekaterih scenarijih, ker ima mešanica iz-plinov-čeprav je manj voluminozna-nižji prag samodejnega-vžiga. Celoten dokument je niansiran in ne sklepa, da je LFP bolj nevaren na splošno, vendar prebija vse pogostejšo marketinško trditev, da se LFP "ne more vneti".
Vse to nas pripelje nazaj k upravljanju toplote. Najboljši način za preprečevanje termičnih dogodkov je preprečitev pogojev, ki vodijo do njih. Celice, ki nikoli ne presežejo 45 stopinj, ki nikoli ne doživljajo kroničnih temperaturnih gradientov, ki se nikoli ne napolnijo pod 0 stopinj -te celice se bodo normalno starale, obnašale predvidljivo in predstavljale minimalno varnostno tveganje. Sistem za upravljanje toplote je vaša prva obrambna linija, ne sistem za gašenje požara.
Pretok zraka v kabinetu: podrobnost, ki se jo vsi zmotijo
Celo pri pravilno dimenzioniranem HVAC je enakomernost toplote odvisna od porazdelitve zračnega toka. Tukaj sem videl več nesreč inženiringa vrednosti, kot jih lahko preštejem.
Pomembna je pot najmanjšega odpora. Hladen zrak vstopi v omarico in želi naravnost v povratni kanal. Če so baterijski moduli razporejeni tako, da so nekateri v glavni pretočni poti, drugi pa v mrtvih conah, dobite temperaturno razslojevanje ne glede na to, koliko kilovatov hlajenja ste namestili.
Pregrade pomagajo. Plenumski modeli so v pomoč. Najbolj pomaga dejansko izvajanje CFD med fazo načrtovanja-, kar stane denar in čas, zato se ne zgodi pri večini projektov C&I. Inženirski odnos je običajno "to je majhna omara, kako zapleten je lahko pretok zraka?" Odgovor je: dovolj zapleten, da ustvari 10-stopinjske gradiente med sosednjimi moduli.
Kontejnerski sistemi BESS so v veliki meri rešili ta problem s standardizacijo. Glavni integratorji so zagnali CFD, izdelali prototipe, validirali načrte in zaklenili toplotno arhitekturo. Sistemi omar, zlasti manjših prodajalcev, pogosto niso šli skozi ta postopek. Kupujete prvo ali drugo generacijo zasnove, ki morda ni bila termično potrjena poleg tega, da "AC lahko zniža notranjo temperaturo na dan 35 stopinj."
Kaj je dejansko pomembno za nabavo
Če navajate zunanjo omarico BESS, morate zahtevati naslednje:
Specifikacija enakomernosti temperature. Ne "omara ima klimatsko napravo", ampak dejansko število: največja temperaturna delta v vseh baterijskih modulih med nazivnim polnjenjem/praznjenjem pri najvišji temperaturi okolja. Če prodajalec ne zna odgovoriti na to vprašanje, ni opravil toplotnega inženiringa.
Ocena parazitske obremenitve v-posebnih razmerah. Ne generična številka 2 % iz prodajnega kompleta-dejanski izračun z uporabo vremenskih podatkov TMY za vašo lokacijo namestitve. Če parazitska obremenitev presega 10 % nazivnega pretoka letno, se mora to prikazati v vašem finančnem modelu.
Zaščita pred-nizkimi temperaturami polnjenja. Potrdite, da se mejna temperatura ujema s priporočilom proizvajalca celice in ne z neko kompromisno vrednostjo, ki bi lahko omogočila polnjenje pri temperaturah, ki povzročajo litijsko prevleko. To preverite v konfiguraciji BMS, ne samo v specifikacijskem listu.
Izbira sistema za upravljanje toplote-zrak v primerjavi s tekočino-je manj pomembna od tega, kako dobro je ta sistem implementiran in vzdrževan. Dobro-zasnovano zračno{4}}hlajeno ohišje z ustreznim inženiringom pretoka zraka bo prekašalo tekočinski-sistem z okvarjeno črpalko ali zamašenim kondenzatorjem. Najboljši sistem za upravljanje toplote je tisti, ki dobi potrebno pozornost skozi celotno življenjsko dobo sredstva.
Končna opažanja
Toplotno upravljanje ne daje razburljivih sporočil za javnost. Na naslednji konferenci RE+ nihče ne bo napovedal preboja na področju pretoka zraka v kabinetu. Vendar je razlika med 15-letnim in 8-letnim sredstvom, med sistemom, ki zagotavlja nazivno zmogljivost v vročih poletnih popoldnevih, in sistemom, ki duši na 60 % ravno takrat, ko to najbolj potrebujete.
Najdražja napaka pri toplotnem upravljanju je domneva, da je nekdo drug rešil težavo. Drugi najdražji je ob predpostavki, da bo tisto, kar deluje v Münchnu, delovalo v Dubaju.
Najprej poskrbite za toplotno zasnovo. Vse ostalo sledi od tam.