La industria de gestión térmica abre amplias perspectivas con grandes oportunidades en segmentos específicos
El tamaño del mercado podría crecer de forma sostenida, y se prevé que la penetración de la refrigeración líquida siga en aumento. La política de doble carbono de China se está acelerando actualmente, y la nueva vía energética tiene un amplio potencial. Gracias a la vigorosa promoción de esta política, el control de temperatura del almacenamiento de energía doméstica, la gestión térmica de vehículos de nueva energía y otros escenarios de aplicación de equipos de control de temperatura en China han mantenido un rápido crecimiento. Además, con el desarrollo de internet, el big data, la computación en la nube y la informatización, la demanda de equipos de control de temperatura en centros de datos y escenarios de aplicación de estaciones base 5G también es relativamente alta. Guanyan Tianxia afirmó que se puede prever un crecimiento sostenido del tamaño del mercado de equipos de control de temperatura de China en el futuro.
En términos de trayectoria técnica, el inventario de equipos de control de temperatura de China seguirá estando dominado por la refrigeración por aire en el futuro, pero se prevé que la penetración de la refrigeración líquida siga en aumento. El sistema de refrigeración líquida incluye principalmente placas de refrigeración por agua, tuberías de refrigeración por agua, sistemas de refrigeración por agua, ventiladores de intercambio de calor, etc.; y la estructura del sistema de refrigeración por aire es relativamente simple. En comparación con ambos, el sistema de refrigeración líquida presenta mayor complejidad de diseño y mayor coste, pero su eficiencia y velocidad de disipación de calor son altas, su amplia gama de aplicaciones y su menor ocupación de espacio.
Actualmente, SmartPropel Energy está promocionando Gabinete de almacenamiento de batería de energía solar industrial y comercial de 200KW/372KWh refrigerado por líquido para exterioresSus principales ventajas son la proximidad a fuentes de calor, la temperatura uniforme y el bajo consumo energético. Además, son más adecuados para exteriores que la refrigeración por aire. Al mismo tiempo, fabricantes como Sungrow Power y BYD también están lanzando activamente sistemas de gabinetes para baterías de fosfato de hierro y litio de alto voltaje con refrigeración líquida para sistemas de almacenamiento de energía en exteriores. Los gabinetes eléctricos exteriores con refrigeración líquida se utilizan ampliamente en el almacenamiento de energía fotovoltaica, eólica, de red, comercial y otros escenarios de almacenamiento de energía. Se prevé que la tasa de penetración de productos con tecnología de refrigeración líquida para equipos de control de temperatura en China siga aumentando.
Refrigeración por aire y líquido en aplicaciones a gran escala; las tecnologías emergentes incluyen refrigeración por tubos de calor y por cambio de fase
Tres rangos de temperatura de las baterías de iones de litio
En la actualidad, existen cuatro tecnologías principales de control de temperatura que se pueden utilizar en sistemas de almacenamiento de energía de baterías de iones de litio de gran capacidad, que son adecuados para escenarios de aplicación con diferentes tasas de generación de calor y temperaturas ambiente:
Aire acondicionadoAl utilizar aire como medio de intercambio de calor, ofrece las ventajas de una estructura simple, peso ligero, alta fiabilidad, larga vida útil y bajo coste. Sin embargo, debido a la baja capacidad calorífica específica y conductividad térmica del aire, la velocidad de disipación de calor y la eficiencia del sistema de refrigeración por aire no son altas, por lo que la refrigeración por aire es más adecuada para situaciones con baja tasa de generación de calor de la batería.
Refrigeración líquida: El líquido como medio de intercambio de calor presenta un alto coeficiente de transferencia térmica, una gran capacidad calorífica específica y una rápida velocidad de enfriamiento, lo que permite reducir eficazmente la temperatura máxima de la batería y mejorar la uniformidad de la distribución de la temperatura. El sistema de refrigeración líquida tiene una estructura compleja y un alto coste, pero ofrece una alta velocidad de disipación de calor y una alta eficiencia. Actualmente, la mayoría de los vehículos eléctricos utilizan sistemas de refrigeración líquida.
Refrigeración por tubería de calor: al depender del cambio de fase del medio de enfriamiento en la tubería para lograr el intercambio de calor, tiene una mayor velocidad y eficiencia de disipación de calor que el sistema de enfriamiento líquido, y tiene un menor riesgo de fuga del medio de enfriamiento, pero el costo es mayor; es adecuado para sistemas de baterías de litio que a menudo funcionan en condiciones de alta velocidad;
Enfriamiento por cambio de fase: Absorbe calor a través de materiales de cambio de fase y combina enfriamiento por aire, enfriamiento líquido y sistemas de aire acondicionado para exportar calor, tiene las ventajas de una estructura compacta, baja resistencia térmica de contacto y buen efecto de enfriamiento, pero los materiales de cambio de fase ocupan espacio y son costosos; a menudo se utiliza en combinación con otras tecnologías de gestión térmica para lograr una distribución uniforme de la temperatura de la batería, reducir la resistencia térmica de contacto y aumentar la velocidad de disipación del calor.
Ventajas de la refrigeración líquida: métodos de contacto directo e indirecto
Componentes principales de un sistema de refrigeración líquida
Disposición de la tubería de refrigeración líquida
Refrigeración líquida: Se utiliza líquido como medio de enfriamiento para eliminar el calor generado por la batería a través de la transferencia de calor por convección.
Componentes principales: placa de enfriamiento de líquido, unidad de enfriamiento de líquido (calentador opcional), tubería de enfriamiento de líquido (incluye sensor de temperatura, válvula), arnés de cableado de alta y baja presión; refrigerante (solución acuosa de etilenglicol), etc.
Hay dos modos de contacto entre el líquido y la batería: uno es el contacto directo, la celda o módulo de la batería se sumerge en líquido (como aceite de silicona aislante eléctrico), lo que permite que el líquido enfríe directamente la batería; el otro es establecer un canal de enfriamiento o placa fría entre las baterías, lo que permite que el líquido enfríe indirectamente la batería.
Existen ciertas barreras técnicas para las soluciones de refrigeración líquida. La aplicación de la refrigeración líquida por contacto directo aún está en fase incipiente. El tipo de contacto indirecto debe personalizarse según la aplicación real, como el número de canales de flujo, el caudal, etc. Las soluciones de gestión térmica varían considerablemente según los proyectos de los distintos integradores de almacenamiento de energía. Para los proveedores de sistemas de refrigeración líquida, sus principales factores competitivos residen en la capacidad de personalización y la amplia experiencia acumulada en soluciones de disipación térmica.
La placa de refrigeración líquida es un componente clave para la gestión térmica del sistema de refrigeración líquida. Antes de la fabricación, suele ser necesario desarrollar y diseñar conjuntamente con el cliente, confirmar la selección y adaptarla a la batería. Actualmente, la placa de refrigeración líquida para baterías aún se encuentra en una situación de competencia oligopólica. A menudo, es necesario integrarla con el sistema de baterías. La línea de producción no es estándar y el producto está altamente personalizado. Cambiar entre diferentes procesos no es fácil. Los clientes finales priorizarán a los fabricantes con capacidad de diseño de placas de refrigeración líquida.
Tendencias tecnológicas: la refrigeración por aire domina actualmente, y se espera que la cuota de refrigeración líquida aumente a medio plazo
Comparación de la inversión de capital entre sistemas de refrigeración por aire y refrigeración por líquido
Comparación del consumo energético operativo entre refrigeración por aire y refrigeración líquida
El control de temperatura del almacenamiento de energía se basa principalmente en la refrigeración por aire y por líquido. Comparamos principalmente estos dos aspectos: temperatura del paquete de baterías, consumo energético operativo, riesgo de desbordamiento térmico de las baterías e inversión en activos fijos.
Temperatura del paquete de baterías: bajo la misma temperatura de entrada y velocidad y caudal del viento extremos, la temperatura del paquete de baterías refrigerado por líquido es de 30 a 40 grados Celsius, mientras que la temperatura del paquete de baterías refrigerado por aire es de 37 a 45 grados Celsius; el enfriamiento líquido tiene una mejor uniformidad de temperatura.
Consumo de energía de funcionamiento: según una investigación experimental, para lograr la misma temperatura promedio de la batería, el enfriamiento por aire requiere de 2 a 3 veces más consumo de energía que el enfriamiento por líquido; la temperatura máxima de la batería con el mismo consumo de energía, el enfriamiento por aire es de 3 a 5 grados Celsius más alto que el enfriamiento por líquido; el enfriamiento por líquido tiene un menor consumo de energía.
Riesgo de fuga térmica de la batería: debido a factores como la capacidad calorífica específica del aire y el pequeño coeficiente de transferencia de calor por convección, la eficiencia de transferencia de calor de la tecnología de enfriamiento de aire de la batería es baja, la generación de calor de la batería aumenta, lo que hará que la temperatura de la batería sea demasiado alta y exista un riesgo de fuga térmica; el sistema de enfriamiento líquido puede reducir en gran medida el riesgo de fuga térmica de la batería.
Inversión en activos fijos: Según datos del NREL, el costo actual de la inversión en baterías para un sistema de almacenamiento de energía de 4 horas es de 1,900 RMB (300 USD) por kilovatio-hora. Se estima que el sistema de gestión térmica representa entre el 2 % y el 4 % del costo de la batería. El sistema de refrigeración líquida facilita el funcionamiento de la batería a una temperatura confortable. En comparación con el sistema de refrigeración por aire, puede prolongar la vida útil de la batería en más de un 20 %. En términos de ciclo de vida total, la inversión en refrigeración líquida es menor.
En la actualidad, el control de la temperatura del almacenamiento de energía se realiza principalmente mediante refrigeración por aire, principalmente debido a las siguientes razones:
1) Los actuales proyectos de almacenamiento de energía tienen requisitos relativamente bajos en cuanto a eficiencia de enfriamiento: los proyectos con una densidad de potencia relativamente pequeña y una densidad de potencia como las estaciones base de comunicaciones y las pequeñas centrales eléctricas terrestres representan una proporción relativamente alta de la capacidad instalada en la industria, y la eficiencia de enfriamiento de la solución de enfriamiento de aire puede cumplir con los estándares de seguridad del proyecto;
2) El costo de los equipos de refrigeración por aire es menor que el de la refrigeración líquida, y los proyectos actuales de almacenamiento de energía son más sensibles a los costos: el valor de la refrigeración por aire y la refrigeración líquida por GWh ronda los 30 y 90 millones de RMB, de los cuales el valor del sistema de refrigeración líquida es de aproximadamente 50 millones de RMB. Dado que los proyectos actuales de almacenamiento de energía no son rentables en algunos escenarios de aplicación, sumado al aumento actual de los costos de las baterías, la demanda posterior es muy sensible a los costos de instalación, por lo que tienden a optar por soluciones de refrigeración por aire más económicas.
Se prevé que la proporción de refrigeración líquida seguirá aumentando a medio plazo, principalmente porque la generación de calor de los proyectos de almacenamiento de energía seguirá aumentando y la eficiencia de refrigeración de la refrigeración por aire podría no satisfacer las necesidades de disipación de calor de algunos proyectos. A medio plazo, aumentará la capacidad instalada de proyectos de almacenamiento de energía con mayor capacidad de batería y mayor densidad de potencia del sistema, como las nuevas centrales eléctricas y el almacenamiento de energía fuera de la red, y aumentarán los requisitos de rendimiento de regulación de pico y frecuencia del almacenamiento de energía, lo que impulsará el aumento de la generación de calor promedio de los proyectos de almacenamiento de energía. En ese momento, se espera que aumente la demanda de refrigeración líquida con mayor eficiencia de refrigeración.
Además, la elección de la dirección técnica está relacionada con el entorno y la generación de calor del proyecto. Por ejemplo, la refrigeración por aire en zonas con temperaturas extremadamente altas afectará el efecto de refrigeración, mientras que la refrigeración por líquido en zonas con temperaturas extremadamente bajas conllevará el riesgo de formación de hielo. La refrigeración por aire es suficiente para satisfacer las necesidades de proyectos con menor generación de calor, mientras que la refrigeración por líquido es necesaria para proyectos con mayor generación de calor. Por lo tanto, a medio plazo, aunque la proporción de refrigeración por líquido aumentará, ambas tecnologías seguirán teniendo sus propios escenarios de aplicación. Es probable que los nuevos proyectos de almacenamiento de energía opten por soluciones de refrigeración por aire:
1) Ubicados en zonas de temperaturas extremadamente bajas y escasez de agua;
2) Pequeñas centrales eléctricas terrestres, proyectos domésticos y estaciones base de comunicaciones con baja generación de calor; es probable que se elijan soluciones de refrigeración líquida: ubicadas en áreas de temperaturas extremadamente altas.
El rápido crecimiento de la demanda de almacenamiento de energía y la adopción de refrigeración líquida expanden el mercado de gestión térmica
Los escenarios de aplicación del almacenamiento de energía abarcan diversos escenarios energéticos, como el lado del suministro eléctrico, el lado de la red eléctrica, el lado del usuario y las microrredes distribuidas. La diversidad de escenarios de aplicación determina la diversificación de la tecnología de almacenamiento de energía. Entre ellas, las tecnologías de almacenamiento de energía electroquímica, representadas por baterías de iones de litio, baterías de iones de sodioLas baterías de flujo han experimentado un rápido desarrollo tanto a nivel nacional como internacional en los últimos años, y su escala de aplicación ha evolucionado desde aplicaciones de demostración de megavatios hasta aplicaciones a gran escala de gigavatios. Se prevé que la capacidad instalada global de almacenamiento de energía electroquímica sea de aproximadamente 65 GWh, pudiendo alcanzar los 1160 GWh para 2030, de los cuales el 70 % proviene de la generación de energía, la principal fuente de energía para las instalaciones de almacenamiento de energía electroquímica.
Se espera que el mercado de control de temperatura de almacenamiento de energía alcance los 16.5 millones de RMB en 2025: según datos divulgados en 2020, el valor del control de temperatura de almacenamiento de energía representa alrededor del 3%-5% del valor de todo el sistema de almacenamiento de energía. De acuerdo con las políticas nacionales para reducir el costo de los sistemas de almacenamiento de energía, se promoverán fuertemente los sistemas de almacenamiento de energía diversificados, y se espera que el valor del control de temperatura de almacenamiento de energía continúe aumentando. Según las estadísticas de GGII, el volumen de envío de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica en 2021 fue de 29 GWh, un aumento interanual del 341%. El alto crecimiento de los sistemas de almacenamiento de energía electroquímica está impulsando el rápido desarrollo del control de temperatura de almacenamiento de energía. Según estimaciones de GGII, la escala del mercado de control de temperatura de almacenamiento de energía de China aumentará de 4.66 millones de yuanes a 16.46 millones de yuanes entre 2022 y 2025, con una CAGR del 52.3%. La refrigeración líquida, como solución técnica a medio y largo plazo, podría aumentar gradualmente su penetración en el mercado. GGII predice que la cuota de mercado de la refrigeración líquida alcanzará aproximadamente el 45 % en 2025.
