1. Campo de almacenamiento de energía: la solución de refrigeración líquida se convierte en la tendencia dominante
La temperatura afecta la capacidad, la seguridad, la vida útil y otros aspectos del rendimiento de los sistemas de almacenamiento de energía electroquímica, por lo que es necesario gestionarlos térmicamente. El sistema de almacenamiento de energía es un sistema complejo compuesto por una gran cantidad de baterías, PCS, BMS, EMS, control de temperatura, protección contra incendios y otros subsistemas, entre los que la batería es el componente principal del sistema.
El impacto de la temperatura en el sistema de almacenamiento de energía se refleja en dos aspectos:
(1) La temperatura afecta el rendimiento de una sola celda de la batería. Una temperatura demasiado alta o demasiado baja afectará el uso normal de la celda de la batería;
(2) La temperatura afecta el rendimiento del sistema de baterías. La diferencia de temperatura entre varias baterías afectará la consistencia del sistema. El problema de la consistencia afectará la seguridad, la eficiencia y la vida útil del sistema.
El impacto de la temperatura en el rendimiento de las celdas de la batería se refleja en:
(1) Capacidad: Las altas temperaturas aumentarán la resistencia interna de la batería y provocarán la pérdida de iones de litio activos. Si la batería se mantiene a altas temperaturas durante mucho tiempo, la capacidad se desviará significativamente de la capacidad nominal. Cuanto mayor sea la temperatura, más rápido se deteriorará la capacidad de la batería de iones de litio. En un entorno de baja temperatura, el rendimiento de transmisión del electrolito se reduce en gran medida, lo que también provocará una disminución de la capacidad de la batería de litio. La tasa de retención de capacidad de las baterías de fosfato de hierro y litio es del 60 % al 70 % a 0 °C y se reduce del 20 % al 40 % a -20 °C.
(2) Duración: Los cambios de temperatura provocan cambios en la resistencia interna y el voltaje de la batería, lo que afecta la vida útil de la misma. Los estudios han demostrado que por cada aumento de 1 °C en la temperatura, la vida útil de la batería se reduce en aproximadamente 60 días.
(3) Estabilidad térmica: Las altas temperaturas provocarán reacciones de descomposición en los materiales internos de la batería, lo que afectará el funcionamiento seguro y estable de la batería. En un entorno de alta temperatura, la película SEI puede descomponerse, lo que provocará la oclusión del canal de iones de litio, cortocircuito de los electrodos positivo y negativo y generación de una gran cantidad de calor. Al mismo tiempo, se generará una gran cantidad de gas, lo que provocará fenómenos de descontrol térmico, como abultamiento y rotura de la batería. En entornos de baja temperatura, pueden aparecer dendritas de litio en el electrodo negativo de la batería e incluso perforar la película SEI, lo que afectará la seguridad de la batería.
En general, se cree que el rango de temperatura de funcionamiento óptimo para las baterías de litio es de 10 a 35 ℃.
Rango de temperatura de funcionamiento de la batería de litio
El impacto de la temperatura en el sistema de baterías se refleja en la uniformidad de las celdas de la batería. Durante el funcionamiento de la batería, las diferencias en los estados de carga y descarga de cada celda de la batería, las diferencias en la resistencia interna, las fluctuaciones de corriente y otros factores provocarán diferencias en el estado de envejecimiento de la batería individual después de varios ciclos, lo que a su vez provoca diferencias en el rendimiento entre baterías individuales. Los estudios han demostrado que el gradiente de temperatura entre módulos reduce la capacidad y la vida útil de todo el paquete de baterías, por lo que es necesario mantener la uniformidad de temperatura entre cada batería individual del paquete de baterías. Para mantener la uniformidad de la batería individual en la batería, se requiere que la diferencia de temperatura entre las celdas de la batería no supere los 5 °C.
Distribución de temperatura del paquete de baterías en un sistema refrigerado por aire a una tasa de descarga de 1.5 °C
Existen cuatro soluciones de gestión térmica para los sistemas de almacenamiento de energía: refrigeración por aire, refrigeración por líquido, refrigeración por tubo de calor y refrigeración por cambio de fase. Actualmente, solo la refrigeración por aire y la refrigeración por líquido han entrado en aplicaciones a gran escala, mientras que la refrigeración por tubo de calor y la refrigeración por cambio de fase todavía se encuentran en la etapa de laboratorio.
(1) Aire acondicionado:Se utiliza aire como medio, con características de estructura simple y fácil mantenimiento. Sin embargo, el aire tiene una capacidad calorífica específica baja y una conductividad térmica baja, lo que lo hace adecuado para escenarios con requisitos de baja eficiencia de enfriamiento.
(2) Enfriamiento líquido:Se utiliza líquido como medio de enfriamiento. Los medios de enfriamiento líquidos más utilizados incluyen agua, solución acuosa de etilenglicol, etilenglicol puro, refrigerante de aire acondicionado y aceite de silicona. El medio de enfriamiento tiene un alto coeficiente de transferencia de calor, gran capacidad calorífica específica, velocidad de enfriamiento rápida, buen efecto de enfriamiento y estructura compacta.
(3) Refrigeración por tubo de calor:Un elemento de intercambio de calor eficiente que se basa en el cambio de fase del fluido de trabajo en una carcasa y un tubo cerrados para lograr el intercambio de calor. Los tubos de calor tienen las ventajas de una alta conductividad térmica, son isotérmicos, tienen una dirección de flujo de calor reversible, una densidad de flujo de calor variable y una temperatura constante.
(4) Enfriamiento por cambio de fase:El calor se absorbe mediante el uso de materiales de cambio de fase. La selección de materiales con una gran capacidad calorífica específica y un alto coeficiente de transferencia de calor logrará un buen efecto de enfriamiento. Sin embargo, los materiales de cambio de fase por sí mismos no tienen la capacidad de disipar el calor y deben combinarse con otros métodos de disipación de calor.
Soluciones de gestión térmica del almacenamiento de energía
Características de las tecnologías típicas de gestión térmica del almacenamiento de energía
| Asunto | Aire acondicionado | Enfriamiento líquido | Refrigeración por tubo de calor | Enfriamiento por cambio de fase | |
| Pasiva | Activo(s) | Refrigeración por aire en el extremo frío | Refrigeración líquida en el extremo frío | Material de cambio de fase + material conductor térmico | |
| Eficiencia de enfriamiento | Media | Más alto | Más alto | Alta | Alta |
| Velocidad de enfriamiento | Media | Alta | Alta | Alta | Más alto |
| Caída de temperatura | Media | Más alto | Más alto | Alta | Alta |
| Diferencia de temperatura | Más alto | Baja | Baja | Baja | Baja |
| Complejidad: | Media | Media | Media | Más alto | Media |
| Vida útil | Largo | Largo | Largo | Largo | Largo |
| Costo | Baja | Más alto | Más alto | Alta | Más alto |
Enfriamiento líquido Las soluciones se han convertido gradualmente en la solución principal en escenarios de almacenamiento de energía incremental.
Desde el lado del suministro, la solución de refrigeración líquida tiene las ventajas de una alta madurez técnica, un buen efecto de enfriamiento y un impacto positivo en el rendimiento del sistema.
(1) Seguridad: La solución de refrigeración líquida tiene una alta eficiencia de disipación de calor y un alto nivel de protección. Puede hacer frente a entornos de trabajo más complejos, reducir la posibilidad de fugas térmicas y mejorar la seguridad de funcionamiento del sistema. Los datos muestran que la capacidad de disipación de calor del líquido es 3,000 veces mayor que la del mismo volumen de aire, y la conductividad térmica es 25 veces mayor que la del aire. Además, el sistema de refrigeración líquida tiene un mayor nivel de protección y puede hacer frente a entornos de funcionamiento más severos.
(2) Eficiencia económica: Para lograr el mismo efecto de control, la solución de refrigeración líquida tiene un menor consumo de energía, lo que puede reducir la inversión operativa y mejorar la economía de todo el ciclo de vida. Para lograr la misma temperatura promedio de la batería, la refrigeración por aire requiere un consumo de energía de 2 a 3 veces más que la refrigeración por líquido. Con el mismo consumo de energía, la temperatura máxima del paquete de baterías es de 3 a 5 grados Celsius más alta para la refrigeración por aire que para la refrigeración por líquido. El sistema de refrigeración por líquido puede ahorrar energía hasta aproximadamente un 50% en comparación con el sistema de refrigeración por aire.
(3) Alta integración: debido al mejor efecto de enfriamiento de la solución de refrigeración líquida, la integración del sistema de almacenamiento de energía en el contenedor es mayor. Tomando como ejemplo el sistema de almacenamiento de energía refrigerado por líquido SmartPropel Energy, la capacidad de un contenedor tradicional de 40 pies refrigerado por aire es de 3.44 MWh, mientras que la capacidad de una solución refrigerada por líquido para el mismo contenedor de 40 pies puede alcanzar los 6.88 MWh. Para las centrales eléctricas de almacenamiento de energía de la misma capacidad, el uso de un sistema de batería refrigerado por líquido ahorra más del 40 % del espacio en el piso.
Desde el lado de la demanda, la dirección de desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía con mayor capacidad y más escenarios tiene requisitos cada vez más altos para la gestión térmica, y el rendimiento de las soluciones de refrigeración líquida es más compatible con esto.
(1) La escala de las centrales eléctricas de almacenamiento de energía es cada vez mayor. A medida que aumenta la proporción de nueva energía en el sistema eléctrico, la demanda de recursos para reducir los picos de demanda, como el almacenamiento de energía, se está volviendo cada vez más importante, y el rendimiento de despacho de las centrales eléctricas de almacenamiento de energía de gran capacidad es mejor que el de las centrales eléctricas de pequeña capacidad. Por lo tanto, las centrales eléctricas de almacenamiento de energía a gran escala muestran una tendencia de gran capacidad. En la actualidad, la escala de los proyectos de almacenamiento de energía independientes está superando rápidamente los 100 MWh y avanzando hacia los GWh.
En 2023, se pondrán en funcionamiento cuatro centrales eléctricas individuales de 200 MW/400 MWh. A fecha de septiembre de 2023, ya se han planificado y puesto en marcha 30 proyectos de almacenamiento de energía con una escala de más de 500 MWh, con una escala total de 12.2 GW/33 GWh. Las centrales eléctricas de gran capacidad suelen utilizar celdas de batería de gran capacidad. A medida que aumenta el tamaño y la capacidad de las celdas de batería, el rendimiento de disipación de calor de las propias celdas de batería se deteriora, por lo que los requisitos para las capacidades de gestión térmica del sistema serán cada vez mayores.
(2) Los escenarios de aplicación de las centrales eléctricas de almacenamiento de energía son más diversos. De acuerdo con los requisitos de diferentes duraciones de almacenamiento de energía, los escenarios de aplicación del almacenamiento de energía se pueden dividir en cuatro categorías: tipo de capacidad (≥4 horas), tipo de energía (aproximadamente 1~2 horas), tipo de potencia (≤30 minutos) y tipo de respaldo (≥15 minutos). En los escenarios de tipo de capacidad y tipo de energía, el almacenamiento de energía se utiliza para funciones como el recorte de picos y el llenado de valles, el almacenamiento de energía fuera de la red y el respaldo de emergencia, mostrando una gran tendencia de capacidad. La generación de calor de un solo proyecto aumenta y los requisitos de gestión térmica aumentan. En el escenario de tipo de potencia, se requiere que el sistema de almacenamiento de energía absorba o libere energía instantáneamente y proporcione un rápido soporte de energía. La carga y descarga rápidas requieren una mayor regulación de la temperatura de la batería, y se destaca la importancia de la gestión térmica.
2. Refrigeración líquida para almacenamiento de energía: se espera que la tasa de penetración alcance aproximadamente el 45 % en 2025
Los principales fabricantes nacionales han lanzado soluciones de refrigeración líquida, lo que demuestra la popularidad de la refrigeración líquida. Entre los proyectos de almacenamiento de energía existentes, las soluciones de refrigeración por aire representan una mayor proporción, principalmente porque la refrigeración por aire es de diseño simple y de bajo costo. Sin embargo, a medida que aumenta la escala y la densidad energética de los sistemas de almacenamiento de energía, las ventajas de la tecnología de refrigeración líquida se vuelven más prominentes.
En la actualidad, empresas como CATL, BYD, Envision Group, SUNGROW, HyperStrong, Zhengtai New Energy y Energía SmartPropel Han lanzado productos de refrigeración líquida.
| Productos de refrigeración líquida lanzados por varias empresas | ||
| Empresa | Modelo del Producto | Disponibilidad |
| CATL | EnerOne | 2020 |
| BYD | Cubo BYD | 2020.8 |
| Energía SVOLT | JU-Sistema integrado de almacenamiento de energía refrigerado por líquido | 2021.4 |
| Hiperfuerte | Hiperfuerte | 2021.4 |
| Clou Electrónica | E30 | 2021.5 |
| Grupo Chint | Sistema de almacenamiento de energía refrigerado por líquido TELOGY 1500V | 2021.6 |
| Grupo de visión | Productos inteligentes de almacenamiento de energía refrigerados por líquido | 2021.1 |
| Tecnología Kehua | Sistema de almacenamiento de energía refrigerado por líquido Kehua S3 | 2022.5 |
| bronceado | PowerTitan y PowerStack | 2022.5 |
| Energía SmartPropel | Sistema de almacenamiento de energía con refrigeración líquida de 372 KWh + 200 KW | 2023.9 |
| Clou Electrónica | Productos de refrigeración líquida de la serie Aqua | 2023.4 |
| Tecnología Zhongtiana | MUSE1.0 | 2022.6 |
| Energía JD | Gabinete de almacenamiento de energía con refrigeración líquida modular distribuida e integrado | 2022.9 |
| Narada Power Sour | Sistema de almacenamiento de energía con refrigeración líquida CenterL | 2022.9 |
Los componentes básicos del sistema de refrigeración líquida de almacenamiento de energía incluyen: placa de refrigeración líquida, unidad de refrigeración líquida (calentador opcional), tubería de refrigeración líquida (incluido sensor de temperatura, válvula), arnés de cableado de alto y bajo voltaje; refrigerante (solución acuosa de etilenglicol), etc. De acuerdo con el método de contacto entre el refrigerante y la batería, existen dos esquemas: uno es contacto directo, la celda o módulo de la batería se sumerge en líquido (como aceite de silicona aislante eléctricamente), 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.
El sistema de refrigeración líquida con almacenamiento de energía es seguro, eficiente y flexible. Sistema de almacenamiento de energía con refrigeración líquida de 372 KWh+200 KW de SmartPropel Energy como ejemplo:
(1) Seguridad: El sistema adopta un diseño de protección IP55 + anticondensación + antisísmico estructural + límite de seis dimensiones. Cada paquete tiene un tubo flexible de perfluorohexanona incorporado + detección de retroalimentación de incendios. El nivel del sistema adopta el concepto de diseño de protección contra explosiones de tres niveles + protección contra incendios de tres niveles para lograr un control y protección de triple aislamiento.
(2) Eficiencia: Los controladores a nivel de clúster se utilizan en sistemas de almacenamiento de energía de refrigeración líquida. A través del control inteligente de la corriente por parte del administrador a nivel de clúster, se logra el equilibrio activo, la conmutación inteligente y la respuesta de alarma a nivel de milisegundos de las unidades del clúster de baterías. Los experimentos han demostrado que bajo el efecto de equilibrio del controlador a nivel de clúster, la capacidad de carga y descarga de todo el ciclo de vida aumenta en más del 6%. Al mismo tiempo, bajo la función de conmutación del controlador a nivel de clúster, se logra el control de equilibrio inteligente del clúster de baterías y la disponibilidad anual del sistema es >99%. Combinado con el control de temperatura inteligente y la tecnología de control equilibrado, el diseño patentado del paquete de refrigeración líquida "Tongcheng", la disipación de calor del sistema "doble circulación" y la distribución de múltiples niveles de las tuberías de refrigeración líquida, la diferencia de temperatura dentro del sistema de contenedores es constante y no supera los 5 °C, y la diferencia de temperatura entre los paquetes no supera los 3 °C. Bajo el control de temperatura inteligente y la tecnología de control equilibrado, la probabilidad de fuga térmica se suprime de manera efectiva y la vida útil del sistema aumenta en un 13%.
(3) Flexibilidad: La densidad de potencia del sistema de almacenamiento de energía de refrigeración líquida aumenta en un 100% y la capacidad de 40 pies puede alcanzar los 372 Kwh. Si tomamos como ejemplo el diseño del sistema de almacenamiento de energía con 200 KW/372 KWh, el uso del sistema de batería de refrigeración líquida ahorra más del 40% del espacio del piso. El uso del diseño modular prefabricado reduce el costo de inversión inicial en más del 2%.
Si comparamos las soluciones de refrigeración por aire y por líquido, el coste del equipo de control de temperatura para la refrigeración por líquido es de 0.09 RMB/wh, y para la refrigeración por aire es de 0.025 RMB/wh. Se espera que el coste total de la refrigeración por líquido se reduzca.
(1) Refrigeración por aire: Un contenedor de almacenamiento de energía tradicional de 40 pies con una capacidad de 3.5 MWh generalmente utiliza cuatro sistemas de aire acondicionado de 12.5 kW. El precio de un solo sistema de aire acondicionado es de aproximadamente 22,000 RMB, y el precio de control de temperatura de un sistema de contenedor se calcula en 88,000 RMB, lo que corresponde a un precio unitario de 0.025 RMB/wh y un valor de 25 millones de RMB por GWh.
(2) Refrigeración líquida: Un contenedor de 40 pies con una capacidad de 5-6 MWh requiere dos sistemas de refrigeración líquida de 40 kW. El precio de un solo sistema es de unos 270,000 RMB, y el precio del control de temperatura de un contenedor es de 540,000 RMB, lo que corresponde a un precio unitario de 0.09 RMB/wh y un valor de 90 millones de RMB por GWh. Sin embargo, considerando la alta densidad de integración del sistema de refrigeración líquida, la misma capacidad ocupa una superficie de terreno menor, el coste de la construcción civil se reduce, la misma capacidad utiliza menos materiales auxiliares como conectores y el coste general del sistema se reduce.
Según las estimaciones de GGII, el valor de la industria de control de temperatura de almacenamiento de energía será de alrededor de 2.4 millones de RMB en 2021 (incluidas las exportaciones al extranjero), y se espera que alcance casi 16.5 millones de RMB en 2025. Entre ellos, el mercado de refrigeración líquida representará alrededor del 45% en 2025.
Los proveedores de soluciones de control de temperatura de refrigeración líquida para almacenamiento de energía provienen principalmente de fabricantes de control de temperatura de centros de datos, control de temperatura industrial y control de temperatura automotriz. La clave para la competencia radica en la capacidad de diseño de productos no estándar, porque los diferentes integradores de almacenamiento de energía tienen diferentes soluciones de diseño de productos. El control de temperatura de refrigeración líquida debe desarrollarse en conjunto con el diseño del paquete de baterías, el diseño de la tubería de refrigeración líquida, etc., e integrarse con las baterías, por lo que se requiere un diseño altamente personalizado.
| Proveedor principal de control de temperatura de refrigeración líquida para almacenamiento de energía | ||
| Industria original | Empresa | Clientes principales |
| Control de temperatura del centro de datos | Envicool | CATL, BYD, Narada Power Sour, Clou Electronics, SmartPropel Energy, Sungrow, HyperStrong y otros integradores de sistemas y fabricantes de baterías relacionados en el extranjero. |
| henling entorno | Red estatal, etc. | |
| Control de temperatura industrial | Sanhe Tongfei | La empresa comenzó a implementar el negocio de control de temperatura de almacenamiento de energía en 2020, ampliando clientes como Sungrow, Clou Electronics, Narada Power Sour, Trina Solar, etc. |
| Meta y energía | Los principales clientes son fabricantes de integración de contenedores de baterías distribuidas y fabricantes de baterías, y actualmente ha cooperado con CATL y otros. | |
| Gestión térmica del automóvil | Jialeng Songzhi | CATL, SmartPropel Energía, etc. |
| Campo de batalla de Jiangsu | La filial Air Conditioning International comenzó a suministrar productos relacionados con el almacenamiento de energía a CATL, etc. en 2020. | |
Compañía de energía SmartPropel
SmartPropel Energy continúa invirtiendo en la investigación y el desarrollo de tecnología de gestión térmica de baterías de almacenamiento de energía. Actualmente, cuenta con reservas técnicas y soluciones para productos de refrigeración líquida para almacenamiento de energía de un solo gabinete basados en baterías de litio, sistemas de refrigeración líquida para centrales eléctricas de almacenamiento de energía a gran escala y productos de refrigeración líquida para almacenamiento de energía de cabina prefabricada. La empresa cuenta con todas las capacidades de desarrollo de sistemas de refrigeración líquida, desde el diseño de simulación unidimensional y tridimensional hasta el desarrollo de una sola placa y, en última instancia, tiene la capacidad de proporcionar soluciones integrales de sistemas de refrigeración líquida.
