Managementul termic insisteme de stocare a energiei cu baterii de tip dulap exterior-reprezintă una dintre acele discipline de inginerie în care decalajul dintre teoria manualelor și realitatea de teren este suficient de mare pentru a înghiți bugete întregi ale proiectelor. Comportamentul electrochimic al celulelor cu fosfat de fier litiu-acum chimia dominantă în aplicațiile de stocare staționară-este guvernat de dependențele de temperatură pe care majoritatea echipelor de achiziții le tratează ca note de subsol, mai degrabă decât ca constrângeri primare de proiectare. Plicuri de operare de 15 grade până la 35 de grade sună generos pe hârtie până când puneți în funcțiune un dulap de 215 kWh în Phoenix în luna iulie, urmărindu-vă că BMS-ul vă reduce bunul strălucitor la 40% din capacitate, deoarece cineva a subdimensionat HVAC-ul cu 2 kW.
Problema temperaturii pe care nimeni nu vrea să o discute
Iată adevărul inconfortabil pe care industria îl ignoră: bateriilor LFP nu le pasă de previziunile tale de venituri. Le pasă să rămână între 20 și 30 de grade. Ieși în afara acelei benzi și începi să plătești dobândă compusă pentru degradare.
Cifrele sunt brutale. Pentru fiecare 10 grade peste 25 de grade, ciclul de viață scade cu aproximativ jumătate. Un dulap care rulează constant la 45 de grade -ceea ce se întâmplă mai des decât admite oricine în instalațiile din deșert-va atinge pragurile de reducere a capacității în trei ani în loc de opt. Nu este o eroare de rotunjire. Acesta este un activ blocat.
Și se înrăutățește la extreme. Chimia LFP începe să prezinte o rezistență internă crescută măsurabil sub 0 grade, ceea ce înseamnă că curbele de descărcare de dimineață de iarnă nu seamănă deloc cu curbele de după-amiază de vară. Încărcarea sub îngheț riscă placarea cu litiu pe anod-daune permanente, ireversibile, pe care nicio recondiționare nu le va repara. BMS ar trebui să prevină acest lucru, dar am văzut unități livrate cu limite de temperatură joase-setate la -10 grade atunci când fișa de date a producătorului celulei a specificat în mod clar 0 grade . Nimeni nu l-a prins până în a treia iarnă.
Răcirea cu aer: valoarea implicită care nu ar trebui să fie implicită
Majoritatea sistemelor de dulapuri C&I sunt livrate cu management termic-forțat, deoarece este ieftin. Un aparat de aer condiționat ambalat de 3 kW până la 5 kW fixat pe acoperișul dulapului, niște conducte, poate un filtru pe care nimeni nu îl va schimba vreodată-. Costul total al BOM pentru sistemul HVAC: poate 2.500 USD.
Aparatul de aer condiționat stă deasupra din motive practice. Căldura crește, așa că te lupți cu termodinamica dacă încerci să te răcești de jos. Mai important, accesul la filtru și porturile de service pentru agent frigorific trebuie să fie accesibile de către tehnicieni care preferă să nu efectueze acțiuni de contorsionare. Am vizitat odată un site unde dulapul AC era montat la nivelul genunchilor pe panoul din spate. Tehnicia de service mi-a arătat facturile sale - taxe de muncă cu 30% mai mari pentru fiecare apel din cauza dificultății de acces.
Funcționează răcirea cu aer. Nu asta e problema. Problema este că funcționează până când nu funcționează, iar atunci când eșuează, eșuează în moduri care trec prin economia operațională.
Gradienții de temperatură sunt ucigașul ascuns. Într-un cabinet răcit cu aer-obișnuit, veți vedea delte de la 8 la 12 grade între modulele bateriei-de admisie și modulele laterale-de evacuare. Celulele din apropierea prizei de curent alternativ ar putea fi așezate la o temperatură confortabilă de 22 de grade, în timp ce cele de la capătul îndepărtat al căii de aer se coace la 34 de grade. Același cabinet, același moment în timp, rate de îmbătrânire radical diferite. După cinci ani, ai unele module la 85% SOH și altele la 65% SOH. Noroc să explici asta echipei O&M atunci când modulele degradate încep să limiteze capacitatea întregului-sistem.
Datele NREL despre asta sunt destul de blestemate. Celulele cu ioni de litiu-care funcționează la 30 de grade își pierd aproximativ 20% din durata de viață, comparativ cu celulele menținute la 20 de grade . La 40 de grade, te uiți la o reducere a duratei de viață de 40%. La 45 de grade -ceea ce este absolut realizabil într-un dulap răcit cu aer-prost proiectat în timpul unui ciclu de bărbierit de vârf-după-amiază de vară-ai redus durata de viață a bateriei la jumătate. Acestea nu sunt numere teoretice. Sunt derivate din studii de îmbătrânire accelerată și validate pe baza datelor de teren.
Răcire cu lichid: performanță mai bună, dureri de cap diferite
Pivotul industriei către sisteme de dulapuri cu răcire cu lichid-a fost rapid și în mare măsură justificat. Amestecurile de apă-glicol care trec prin plăcile reci atașate la modulele bateriei pot atinge uniformitatea temperaturii în intervalul de ±2 grade până la ±3 grade pe întregul pachet. Aceasta este o îmbunătățire transformatoare față de ±6 grade până la ±8 grade a răcirii cu aer (și adesea mai rău).
Fizica este simplă: capacitatea de căldură specifică a apei este de aproximativ patru ori mai mare decât cea a aerului. Puteți muta aceeași cantitate de energie termică cu un flux de masă dramatic mai mic. Plăcile reci interacționează direct cu suprafețele modulelor, eliminând pierderile convective ale stratului limită care limitează design-urile răcite cu aer-. Totul despre răcirea cu lichid este superior termodinamic.
Așadar, de ce nu este răcit fiecare lichid-de dulap?
Cost, evident. Un sistem de management termic al lichidului-unitate de răcire, pompe, plăci reci, instalații sanitare, umplere cu glicol, rezervor de expansiune, detectarea scurgerilor-adaugă 8.000 USD până la 15.000 USD la costul dulapului, în funcție de capacitate. Pentru un sistem de 100 kWh cu un cost total instalat de poate 80.000 USD, aceasta este o creștere semnificativă procentuală.
Dar adevărata ezitare vine din anxietatea operațională. Lichidul în apropierea electronicelor de curent continuu de-înaltă tensiune îi face pe oameni nervoși și nu fără motiv. O scurgere de glicol în interiorul unui dulap alimentat prezintă moduri de defecțiune pe care pur și simplu nu le are răcirea cu aer. Cele mai bune modele de răcire cu lichid-utiliză fluide dielectrice sau izolează fizic bucla de răcire de compartimentele electrice, dar am trecut în revistă sistemele în care colectoarele cu plăci reci rulează direct deasupra plăcilor BMS. Un eșec potrivit și te uiți la o investigație de incident major.
De asemenea, sarcina de întreținere crește. Pompele eșuează. Glicolul se degradează și necesită înlocuire periodică. Chillerele au compresoare care se uzează. Filtrele de aer de pe serpentinele condensatorului se înfundă de praf și nimeni nu le verifică deoarece sistemul se află într-o curte împrejmuită pe care o vizitează de întreținere poate de două ori pe an. Un sistem de răcire cu lichid care nu este întreținut activ va avea performanțe slabe în 18 luni și va eșua în 36 de luni.
Schimbătoare de căldură: calea de mijloc care nu este
Schimbătoarele de căldură aer-{-aer apar în mod constant în specificații, de obicei poziționate ca o alternativă „mai fiabilă” la răcirea pe bază de agent frigorific-. Prezentarea sună cam așa: fără compresor, fără încărcătură de agent frigorific, fără controale HVAC complexe-doar o conductă de căldură sau un termosifon care mută pasiv căldura dulapului în aerul ambiant.
Există o mică problemă. Schimbătoarele de căldură pot respinge căldură numai atunci când temperatura ambiantă este sub temperatura țintă a cabinetului. Dacă doriți să mențineți 25 de grade în interiorul dulapului și 35 de grade în exterior, schimbătorul dvs. de căldură funcționează acum ca o punte termică scumpă în direcția greșită.
Acest lucru pare evident atunci când este spus clar, dar am văzut proiecte din sud-vestul Americii prevăzute doar cu răcire-schimbător-de căldură, deoarece inginerul de vânzări a arătat un grafic al „temperaturi medii anuale” care a netezit în mod convenabil vârfurile de după-amiază de 45 de grade într-un aspect foarte ușor de gestionat{{3}28}grade. Sistemul a funcționat bine din octombrie până în aprilie. Mai până în septembrie, bateriile au petrecut majoritatea orelor de zi cu scăderea termică.
Schimbătoarele de căldură au sens în anumite climate-Scandinavia, nordul Germaniei, nord-vestul Pacificului, oriunde temperatura ambientală rămâne în mod fiabil sub valoarea de referință. Combinate cu o mică unitate de curent alternativ suplimentară pentru câteva zile caniculare, acestea pot reduce consumul anual de energie de răcire cu 60% sau mai mult. Dar nu sunt o soluție universală, iar vânzătorii care le prezintă ca atare le fac clienților un deserviciu.
Încărcătura parazită pentru care nimeni nu o bugetează
Sistemele HVAC din dulap consumă energie electrică. Aceasta nu este o știre. Ceea ce este o știre-pentru mulți dezvoltatori de proiecte, aparent-este cât de multă energie electrică consumă și cât de semnificativ afectează acest consum cazul de afaceri.
Datele de teren de la instalațiile din mai multe zone climatice arată sarcini de management termic parazit variind de la 8% din debitul total al bateriei în climă blândă până la 34% în medii extreme. Lasă-l să se cufunde. Într-o instalație subarctică cu cerințe mari de încălzire în timpul iernii, mai mult de o treime din energia stocată în baterii este destinată menținerii acelor baterii la o temperatură acceptabilă.
Ipoteza standard în majoritatea modelelor financiare este sarcina auxiliară de 2% până la 3%. Această presupunere este greșită, adesea de un ordin de mărime în implementările provocatoare.
Vara este de fapt sezonul mai ușor din perspectiva încărcării parazitare în majoritatea locațiilor. Da, rulați AC în mod continuu, dar respingeți căldura în aer care este doar cu 10 grade până la 20 de grade peste valoarea de referință. Iarna în climă rece este locul în care lucrurile se scumpesc. Utilizați încălzitoare cu rezistență și nu există niciun truc termodinamic pentru a face încălzirea cu rezistență electrică mai eficientă. Fiecare watt de căldură de care aveți nevoie vă costă exact un watt de energie electrică-plus ineficiența oricărei conversii de putere care se află între baterie și încălzitor.
PCS generează căldură reziduală, iar modelele de dulapuri inteligente o captează pentru managementul termic al iernii. Când PCS trăiește în interiorul anvelopei termice, pierderile sale de conversie de 3% până la 5% devin încălzire „liberă” în timpul lunilor reci. Atunci când este montat extern-deseori în cazul modelelor de sisteme divizate-în care dulapul bateriei și dulapul electronic de putere sunt unități separate-ați aruncat energie termică utilă și acum trebuie să o înlocuiți cu încălzire cu rezistență alimentată de baterie-.
Fuga termică: frica care modelează totul
LFP nu are caracteristicile de evaporare termică ale chimiilor NMC sau NCA. Asta este adevărat. Structura catodului de fosfat de fier nu eliberează oxigen atunci când este încălzită, astfel încât nu obțineți descompunerea exotermă în cascadă care face chimicalele pe bază de cobalt-atât de periculoase.
Dar „mai sigur” nu este „sigur”, iar mulțumirea crescândă a industriei față de comportamentul termic al LFP începe să se manifeste în rapoartele de incident.
Evadarea termică a LFP inițiază la aproximativ 270 de grade -mult mai mare decât pragul de 150 de grade până la 200 de grade pentru NMC. Rata de creștere a temperaturii în timpul unui eveniment de fuga este de aproximativ 1,5 grade pe minut, comparativ cu sute de grade pe minut pentru chimiile cobaltului. Acest lucru vă oferă mai mult timp pentru a răspunde și face mult mai puțin probabilă propagarea între celule.
Ceea ce este adesea omis din discuția despre siguranță este că celulele LFP încă mai eliberează gaze inflamabile și toxice în timpul defecțiunii. Hidrogenul, monoxidul de carbon, hidrocarburile și fluorura de hidrogen apar toate în amestecul de-gaz rezidual. Cantitățile sunt mai mici decât NMC, iar eliberarea este mai lentă, dar un dulap plin de celule LFP de aerisire într-un spațiu închis este încă un pericol grav.
Cercetări recente de la Universitatea din Sheffield au descoperit că bateriile LFP prezintă de fapt un pericol de inflamabilitate mai mare în unele scenarii, deoarece-amestecul de gaze reziduale-în timp ce este mai puțin voluminos-are un prag de auto-aprindere mai scăzut. Lucrarea completă este nuanțată și nu concluzionează că LFP este mai periculoasă în general, dar încalcă afirmația de marketing din ce în ce mai comună că LFP „nu poate lua foc”.
Toate acestea ne readuc la managementul termic. Cea mai bună modalitate de a preveni evenimentele termice este prevenirea condițiilor care duc la acestea. Celulele care nu depășesc niciodată 45 de grade , care nu se confruntă niciodată cu gradiente cronice de temperatură, care nu se încarcă niciodată sub 0 grade -acele celule vor îmbătrâni normal, se vor comporta previzibil și vor prezenta un risc minim de siguranță. Sistemul de management termic este prima ta linie de apărare, nu sistemul tău de stingere a incendiilor.
Fluxul de aer al cabinetului: detaliul tuturor greșește
Chiar și cu HVAC dimensionat corect, uniformitatea termică depinde de distribuția fluxului de aer. Aici am văzut mai multe dezastre de inginerie de valoare decât pot număra.
Calea celei mai mici rezistențe contează. Aerul rece intră în dulap și vrea să meargă direct la conducta de retur. Dacă modulele bateriei sunt aranjate astfel încât unele să fie pe calea de curgere principală, iar altele să fie în zone moarte, veți obține stratificarea temperaturii, indiferent de câți kilowați de răcire ați instalat.
Deflectoarele ajută. Proiectele Plenum ajută. Ceea ce ajută cel mai mult este rularea CFD-ului în timpul fazei de proiectare-care costă bani și timp și, prin urmare, nu se întâmplă în majoritatea proiectelor C&I. Atitudinea inginerească este de obicei „este un dulap mic, cât de complicat poate fi fluxul de aer?” Răspunsul este: suficient de complicat pentru a crea gradienți de 10 grade între modulele adiacente.
Sistemele BESS containerizate au rezolvat în mare măsură această problemă prin standardizare. Principalii integratori au rulat CFD-ul, au construit prototipurile, au validat design-urile și au blocat arhitectura termică. Sistemele de dulapuri, în special de la furnizori mai mici, adesea nu au trecut prin acest proces. Cumpărați prima sau a doua generație a unui design care poate să nu fi fost validat termic dincolo de „AC-ul poate reduce temperatura interioară într-o zi de 35 de grade”.
Ce contează de fapt pentru achiziții
Dacă specificați un dulap exterior BESS, iată ce ar trebui să cereți:
Specificație de uniformitate a temperaturii. Nu „dulapul are un aparat de aer condiționat”, ci un număr real: delta maximă de temperatură între toate modulele bateriei în timpul încărcării/descărcării nominale la temperatura ambientală maximă. Dacă vânzătorul nu poate răspunde la această întrebare, înseamnă că nu a făcut ingineria termică.
Estimarea sarcinii parazitare în condiții specifice-site-ului. Nu cifra generică de 2% din pachetul de vânzări-un calcul real folosind datele meteo TMY pentru locația dvs. de instalare. Dacă sarcina parazită depășește 10% din debitul nominal anual, acest lucru trebuie să apară în modelul dvs. financiar.
Protecție la-încărcare la temperatură scăzută. Confirmați că temperatura de întrerupere se potrivește cu recomandarea producătorului celulei, nu cu o valoare de compromis care ar putea permite încărcarea la temperaturi care cauzează placarea cu litiu. Verificați acest lucru în configurația BMS, nu doar în fișa de specificații.
Selectarea sistemului de management termic-aer versus lichid-contează mai puțin decât cât de bine este implementat și întreținut acel sistem. Un dulap bine proiectat, răcit cu aer-, cu o inginerie adecvată a fluxului de aer, va depăși un sistem de răcire cu lichid-cu o pompă defectă sau un condensator înfundat. Cel mai bun sistem de management termic este cel care primește atenția de care are nevoie pe toată durata de viață a bunului.
Observații finale
Managementul termic nu face comunicate de presă interesante. Nimeni nu va anunța o descoperire în fluxul de aer din cabinet la următoarea conferință RE+. Dar este diferența dintre un activ de 15 ani și un activ de 8 ani, între un sistem care oferă capacitate nominală în după-amiezele fierbinți de vară și unul care se clasifică la 60% exact atunci când aveți cea mai mare nevoie.
Cea mai scumpă greșeală de management termic este să presupunem că altcineva a rezolvat problema. Al doilea cel mai scump este să presupunem că ceea ce funcționează în München va funcționa în Dubai.
Obțineți mai întâi designul termic corect. De acolo urmează orice altceva.