1. Bidang penyimpanan energi: Solusi pendinginan cair menjadi tren utama
Suhu memengaruhi kapasitas, keamanan, masa pakai, dan kinerja lain dari sistem penyimpanan energi elektrokimia, sehingga diperlukan manajemen termal sistem penyimpanan energi. Sistem penyimpanan energi adalah sistem kompleks yang terdiri dari sejumlah besar baterai, PCS, BMS, EMS, kontrol suhu, proteksi kebakaran, dan subsistem lainnya, di antaranya baterai merupakan komponen inti sistem.
Dampak suhu pada sistem penyimpanan energi tercermin dalam dua aspek:
(1) Suhu mempengaruhi kinerja sel baterai tunggal. Suhu yang terlalu tinggi atau terlalu rendah akan mempengaruhi penggunaan normal sel baterai;
(2) Suhu mempengaruhi kinerja sistem baterai. Perbedaan suhu antara beberapa baterai akan mempengaruhi konsistensi sistem. Masalah konsistensi akan mempengaruhi keamanan, efisiensi, dan masa pakai sistem.
Dampak suhu pada kinerja sel baterai tercermin dalam:
(1) Kapasitas: Suhu tinggi akan meningkatkan resistansi internal baterai dan menyebabkan hilangnya ion litium aktif. Jika baterai disimpan pada suhu tinggi untuk waktu yang lama, kapasitasnya akan menyimpang secara signifikan dari kapasitas nominal. Semakin tinggi suhu, semakin cepat kapasitas baterai ion litium menurun. Dalam lingkungan suhu rendah, kinerja transmisi elektrolit sangat berkurang, yang juga akan menyebabkan penurunan kapasitas baterai litium. Tingkat retensi kapasitas baterai litium besi fosfat adalah 60% hingga 70% pada suhu 0°C, dan berkurang menjadi 20% hingga 40% pada suhu −20°C.
(2) Daya Tahan: Perubahan suhu menyebabkan perubahan resistansi internal dan tegangan baterai, yang memengaruhi daya tahan baterai. Penelitian menunjukkan bahwa untuk setiap kenaikan suhu 1°C, daya tahan baterai berkurang sekitar 60 hari.
(3) Stabilitas termal: Suhu tinggi akan menyebabkan reaksi dekomposisi pada material internal baterai, yang memengaruhi pengoperasian baterai yang aman dan stabil. Dalam lingkungan bersuhu tinggi, lapisan SEI dapat terurai, yang akan menyebabkan penyumbatan saluran ion litium, korsleting pada elektroda positif dan negatif, serta menghasilkan sejumlah besar panas. Pada saat yang sama, sejumlah besar gas akan dihasilkan, yang menyebabkan fenomena thermal runaway seperti baterai menggelembung dan pecah. Dalam lingkungan bersuhu rendah, dendrit litium dapat muncul di elektroda negatif baterai dan bahkan menembus lapisan SEI, yang memengaruhi keamanan baterai.
Secara umum diyakini bahwa kisaran suhu operasi optimal untuk baterai lithium adalah 10-35℃.
Kisaran suhu pengoperasian baterai litium
Dampak suhu pada sistem baterai tercermin dalam konsistensi sel baterai. Selama pengoperasian baterai, perbedaan dalam status pengisian dan pengosongan daya setiap sel baterai, perbedaan resistansi internal, fluktuasi arus, dan faktor-faktor lain akan menyebabkan perbedaan dalam status penuaan baterai tunggal setelah beberapa siklus, yang pada gilirannya menyebabkan perbedaan kinerja antara baterai tunggal. Penelitian telah menunjukkan bahwa gradien suhu antara modul mengurangi kapasitas dan masa pakai seluruh paket baterai, sehingga perlu untuk menjaga keseragaman suhu antara setiap baterai tunggal dalam paket baterai. Untuk menjaga konsistensi baterai tunggal dalam baterai, perbedaan suhu antara sel baterai harus tidak melebihi 5°C.
Distribusi suhu baterai dalam sistem berpendingin udara pada laju pelepasan 1.5C
Ada empat solusi manajemen termal untuk sistem penyimpanan energi: pendinginan udara, pendinginan cair, pendinginan pipa kalor, dan pendinginan perubahan fasa. Saat ini, hanya pendinginan udara dan pendinginan cair yang telah memasuki aplikasi skala besar, sementara pendinginan pipa kalor dan pendinginan perubahan fasa masih dalam tahap laboratorium.
(1) pendingin udara: Udara digunakan sebagai media, dengan karakteristik struktur sederhana dan perawatan mudah. Namun, udara memiliki kapasitas panas spesifik rendah dan konduktivitas termal rendah, yang cocok untuk skenario dengan persyaratan efisiensi pendinginan rendah.
(2) Pendinginan cair: Cairan digunakan sebagai media pendingin. Media pendingin cair yang umum digunakan meliputi air, larutan air etilen glikol, etilen glikol murni, refrigeran AC, dan minyak silikon. Media pendingin memiliki koefisien perpindahan panas yang tinggi, kapasitas panas spesifik yang besar, kecepatan pendinginan yang cepat, efek pendinginan yang baik, dan struktur yang kompak.
(3) Pendinginan pipa panas: Elemen penukar panas yang efisien yang mengandalkan perubahan fase fluida kerja dalam cangkang dan tabung tertutup untuk mencapai pertukaran panas. Pipa panas memiliki keunggulan konduktivitas termal yang tinggi, arah aliran panas isotermal dan reversibel, kerapatan fluks panas variabel, dan suhu konstan.
(4) Pendinginan perubahan fase: Panas diserap dengan menggunakan material pengubah fase. Pemilihan material dengan kapasitas panas spesifik yang besar dan koefisien perpindahan panas yang tinggi akan menghasilkan efek pendinginan yang baik. Akan tetapi, material pengubah fase sendiri tidak memiliki kemampuan untuk menghilangkan panas dan perlu dikombinasikan dengan metode pembuangan panas lainnya.
Solusi Manajemen Termal Penyimpanan Energi
Karakteristik teknologi manajemen termal penyimpanan energi yang umum
| Barang | pendingin udara | Pendinginan cair | Pendinginan pipa panas | Pendinginan perubahan fase | |
| Pasif | Aktif | Pendinginan udara ujung dingin | Pendinginan cairan ujung dingin | Bahan perubahan fase + bahan konduktif termal | |
| Efisiensi pendinginan | Medium | Tertinggi | Tertinggi | High | High |
| Kecepatan pendinginan | Medium | High | High | High | Tertinggi |
| Penurunan suhu | Medium | Tertinggi | Tertinggi | High | High |
| Perbedaan suhu | Tertinggi | Rendah | Rendah | Rendah | Rendah |
| Kompleksitas | Medium | Medium | Medium | Tertinggi | Medium |
| Jangka hidup | Panjang | Panjang | Panjang | Panjang | Panjang |
| Biaya | Rendah | Tertinggi | Tertinggi | High | Tertinggi |
Pendinginan cair solusinya secara bertahap berkembang menjadi solusi utama dalam skenario penyimpanan energi tambahan.
Dari sisi pasokan, solusi pendinginan cair memiliki keunggulan kematangan teknis yang tinggi, efek pendinginan yang baik, dan dampak positif pada kinerja sistem.
(1) Keamanan: Solusi pendingin cair memiliki efisiensi pembuangan panas yang tinggi dan tingkat perlindungan yang tinggi. Solusi ini dapat mengatasi lingkungan kerja yang lebih kompleks, mengurangi kemungkinan terjadinya thermal runaway, dan meningkatkan keamanan pengoperasian sistem. Data menunjukkan bahwa kapasitas pembuangan panas cairan adalah 3,000 kali lebih besar dari volume udara yang sama, dan konduktivitas termalnya 25 kali lebih besar dari udara. Selain itu, sistem pendingin cair memiliki tingkat perlindungan yang lebih tinggi dan dapat mengatasi lingkungan pengoperasian yang lebih berat.
(2) Efisiensi ekonomi: Untuk mencapai efek kontrol yang sama, solusi pendingin cair memiliki konsumsi energi yang lebih rendah, yang dapat mengurangi investasi operasional dan meningkatkan ekonomi dari seluruh siklus hidup. Untuk mencapai suhu baterai rata-rata yang sama, pendinginan udara memerlukan konsumsi energi 2-3 kali lebih banyak daripada pendinginan cair. Pada konsumsi daya yang sama, suhu maksimum paket baterai adalah 3-5 derajat Celsius lebih tinggi untuk pendinginan udara daripada untuk pendinginan cair. Sistem pendingin cair dapat menghemat energi hingga sekitar 50% dibandingkan dengan sistem pendingin udara.
(3) Integrasi tinggi: Karena efek pendinginan yang lebih baik dari solusi pendingin cair, integrasi sistem penyimpanan energi dalam kontainer lebih tinggi. Mengambil contoh sistem penyimpanan energi berpendingin cair SmartPropel Energy, kapasitas kontainer 40 kaki berpendingin udara tradisional adalah 3.44MWh, sedangkan kapasitas solusi berpendingin cair untuk kontainer 40 kaki yang sama dapat mencapai 6.88MWh. Untuk pembangkit listrik penyimpanan energi dengan kapasitas yang sama, penggunaan sistem baterai berpendingin cair menghemat lebih dari 40% ruang lantai.
Dari sisi permintaan, arah pengembangan sistem penyimpanan energi dengan kapasitas lebih besar dan lebih banyak skenario memiliki persyaratan yang semakin tinggi untuk manajemen termal, dan kinerja solusi pendingin cair lebih sesuai dengan ini.
(1) Skala pembangkit listrik penyimpanan energi semakin membesar. Seiring dengan meningkatnya proporsi energi baru dalam sistem tenaga listrik, permintaan sumber daya pencukur beban puncak seperti penyimpanan energi menjadi semakin menonjol, dan kinerja pengiriman pembangkit listrik penyimpanan energi berkapasitas besar lebih baik daripada pembangkit listrik berkapasitas kecil. Oleh karena itu, pembangkit listrik penyimpanan energi skala besar menunjukkan tren kapasitas besar. Saat ini, skala proyek penyimpanan energi independen dengan cepat menembus 100 MWh dan bergerak menuju GWh.
Pada tahun 2023, empat pembangkit listrik tunggal berkapasitas 200MW/400MWh akan mulai beroperasi. Hingga September 2023, sudah ada 30 proyek penyimpanan energi dengan skala lebih dari 500MWh yang telah direncanakan dan diluncurkan, dengan skala total 12.2GW/33GWh. Pembangkit listrik berkapasitas besar biasanya menggunakan sel baterai berkapasitas besar. Seiring dengan peningkatan ukuran dan kapasitas sel baterai, kinerja pembuangan panas sel baterai itu sendiri akan menurun, sehingga persyaratan untuk kemampuan manajemen termal sistem akan semakin tinggi.
(2) Skenario aplikasi pembangkit listrik penyimpanan energi lebih beragam. Menurut persyaratan durasi penyimpanan energi yang berbeda, skenario aplikasi penyimpanan energi dapat dibagi menjadi empat kategori: jenis kapasitas (≥4 jam), jenis energi (sekitar 1~2 jam), jenis daya (≤30 menit) dan jenis cadangan (≥15 menit). Dalam skenario jenis kapasitas dan jenis energi, penyimpanan energi digunakan untuk fungsi-fungsi seperti pencukuran puncak dan pengisian lembah, penyimpanan energi di luar jaringan, dan cadangan darurat, yang menunjukkan tren kapasitas yang besar. Pembangkitan panas dari satu proyek meningkat, dan persyaratan untuk manajemen termal meningkat. Dalam skenario jenis daya, sistem penyimpanan energi diperlukan untuk menyerap atau melepaskan energi secara instan dan memberikan dukungan daya yang cepat. Pengisian dan pengosongan yang cepat memerlukan pengaturan suhu baterai yang lebih tinggi, dan pentingnya manajemen termal disorot.
2. Pendinginan cairan penyimpanan energi: Tingkat penetrasi diperkirakan mencapai sekitar 45% pada tahun 2025
Produsen arus utama domestik telah meluncurkan solusi pendinginan cair, yang membuktikan popularitas pendinginan cair. Di antara proyek penyimpanan energi yang ada, solusi pendinginan udara memiliki proporsi yang lebih tinggi, terutama karena pendinginan udara memiliki desain yang sederhana dan biaya yang rendah. Namun, seiring dengan meningkatnya skala dan kepadatan energi sistem penyimpanan energi, keunggulan teknologi pendinginan cair menjadi lebih menonjol.
Saat ini, perusahaan seperti CATL, BYD, Envision Group, SUNGROW, HyperStrong, Zhengtai New Energy, dan Energi SmartPropel telah meluncurkan produk pendingin cair.
| Produk pendingin cair diluncurkan oleh berbagai perusahaan | ||
| Perusahaan | Model produk | Ketersediaan |
| CATL | EnergiSatu | 2020 |
| BYD | Kubus BYD | 2020.8 |
| Energi SVOLT | Sistem Penyimpanan Energi Berpendingin Cairan Terintegrasi JU | 2021.4 |
| Sangat Kuat | Sangat Kuat | 2021.4 |
| Elektronik Clou | E30 | 2021.5 |
| Grup Chint | Sistem Penyimpanan Energi Berpendingin Cairan TELOGY 1500V | 2021.6 |
| Grup Impian | Produk Penyimpanan Energi Berpendingin Cairan Cerdas | 2021.1 |
| Teknologi Kehua | Sistem Penyimpanan Energi Berpendingin Cairan Kehua S3 | 2022.5 |
| Bunga matahari | PowerTitan dan PowerStack | 2022.5 |
| Energi SmartPropel | Sistem Penyimpanan Energi Pendingin Cair 372KWh+200KW | 2023.9 |
| Elektronik Clou | Produk Pendingin Cair Seri Aqua | 2023.4 |
| Teknologi Zhongtian | INSPIRASI1.0 | 2022.6 |
| JD Energi | Kabinet Penyimpanan Energi Pendingin Cair Modular Terdistribusi Terintegrasi | 2022.9 |
| Narada Kekuatan Asam | Sistem Penyimpanan Energi Pendingin Cair CenterL | 2022.9 |
Komponen dasar dari sistem pendingin cair penyimpanan energi meliputi: pelat pendingin cair, unit pendingin cair (pemanas opsional), jalur pipa pendingin cair (termasuk sensor suhu, katup), rangkaian kabel tegangan tinggi dan rendah; cairan pendingin (larutan air etilen glikol), dll. Menurut metode kontak antara cairan pendingin dan baterai, terdapat dua skema: satu adalah kontak langsung, sel atau modul baterai direndam dalam cairan (seperti minyak silikon isolasi listrik), yang memungkinkan cairan mendinginkan baterai secara langsung; yang lainnya adalah mengatur saluran pendingin atau pelat dingin di antara baterai, yang memungkinkan cairan mendinginkan baterai secara tidak langsung.
Sistem pendingin cairan penyimpanan energi aman, efisien, dan fleksibel. Ambil SmartPropel Energy “Sistem Penyimpanan Energi Pendingin Cair 372KWh+200KW” sebagai contoh:
(1) Keamanan: Sistem ini mengadopsi desain perlindungan IP55 + anti-kondensasi + seismik struktural + batas enam dimensi. Setiap paket memiliki pipa fleksibel perfluorohexanone bawaan + deteksi umpan balik kebakaran. Tingkat sistem mengadopsi konsep desain anti-ledakan tiga tingkat + perlindungan kebakaran tiga tingkat untuk mencapai pemantauan dan perlindungan isolasi tiga kali lipat.
(2) Efisiensi: Pengontrol tingkat kluster digunakan dalam sistem penyimpanan energi pendingin cair. Melalui kontrol arus cerdas oleh manajer tingkat kluster, penyeimbangan aktif, pengalihan cerdas, dan respons alarm tingkat milidetik dari unit kluster baterai tercapai. Eksperimen telah menunjukkan bahwa di bawah efek penyeimbangan pengontrol tingkat kluster, kapasitas pengisian dan pengosongan daya dari seluruh siklus hidup meningkat lebih dari 6%. Pada saat yang sama, di bawah fungsi pengalihan pengontrol tingkat kluster, kontrol penyeimbangan cerdas dari kluster baterai tercapai, dan ketersediaan tahunan sistem >99%. Dikombinasikan dengan kontrol suhu cerdas dan teknologi kontrol seimbang, desain paket pendingin cair "Tongcheng" yang dipatenkan, pembuangan panas sistem "sirkulasi ganda", dan distribusi multi-level pipa pendingin cair, perbedaan suhu di dalam sistem wadah konsisten dan tidak melebihi 5°C, dan perbedaan suhu antara paket apa pun tidak melebihi 3°C. Di bawah kendali suhu cerdas dan teknologi kendali seimbang, kemungkinan pelarian termal ditekan secara efektif, dan masa pakai sistem meningkat sebesar 13%.
(3) Fleksibilitas: Kepadatan daya sistem penyimpanan energi pendingin cair meningkat hingga 100%, dan kapasitas 40 kaki dapat mencapai 372Kwh. Mengambil tata letak sistem penyimpanan energi dengan 200KW/372KWh sebagai contoh, penggunaan sistem baterai pendingin cair menghemat lebih dari 40% ruang lantai. Penggunaan desain modular prefabrikasi mengurangi biaya investasi awal lebih dari 2%.
Jika dibandingkan dengan solusi pendinginan udara dan pendinginan cair, biaya peralatan kontrol suhu untuk pendinginan cair adalah 0.09 RMB/wh, dan untuk pendinginan udara adalah 0.025 RMB/wh. Biaya keseluruhan pendinginan cair diharapkan dapat dikurangi.
(1) Pendinginan udara: Kontainer penyimpanan energi tradisional berukuran 40 kaki dengan kapasitas 3.5 MWh umumnya menggunakan empat sistem pendingin udara 12.5 kw. Harga satu sistem pendingin udara sekitar 22,000 RMB, dan harga kontrol suhu sistem kontainer dihitung sebesar 88,000 RMB, yang setara dengan harga satuan 0.025 RMB/wh, dan nilai 25 juta RMB per GWh.
(2) Pendinginan cair: Kontainer 40 kaki dengan kapasitas 5-6 MWh memerlukan dua sistem pendingin cair 40 kw. Harga satu sistem sekitar 270,000 RMB, dan harga kontrol suhu kontainer adalah 540,000 RMB, yang setara dengan harga satuan 0.09 RMB/wh, dan nilai 90 juta RMB per GWh. Namun, mengingat kepadatan integrasi sistem pendingin cair yang tinggi, kapasitas yang sama menempati lahan yang lebih kecil, biaya konstruksi sipil berkurang, kapasitas yang sama menggunakan lebih sedikit bahan pembantu seperti konektor, dan biaya sistem keseluruhan berkurang.
Menurut estimasi GGII, nilai industri pengendalian suhu penyimpanan energi akan mencapai sekitar RMB 2.4 miliar pada tahun 2021 (termasuk ekspor luar negeri), dan diperkirakan akan mencapai hampir RMB 16.5 miliar pada tahun 2025. Di antaranya, pasar pendingin cair akan mencapai sekitar 45% pada tahun 2025.
Pemasok solusi kontrol suhu pendingin cair penyimpanan energi terutama berasal dari produsen kontrol suhu pusat data, kontrol suhu industri, dan kontrol suhu otomotif. Kunci persaingan terletak pada kemampuan desain produk nonstandar, karena integrator penyimpanan energi yang berbeda memiliki solusi desain produk yang berbeda. Kontrol suhu pendingin cair perlu dikembangkan bersama dengan tata letak paket baterai, desain jalur pipa pendingin cair, dll., dan diintegrasikan dengan baterai, sehingga diperlukan desain yang sangat disesuaikan.
| Pemasok utama kontrol suhu pendingin cairan penyimpanan energi | ||
| Industri asli | Perusahaan | Pelanggan utama |
| Kontrol suhu pusat data | Envicool | CATL, BYD, Narada Power Sour, Clou Electronics, SmartPropel Energy, Sungrow, HyperStrong dan integrator sistem utama serta produsen baterai terkait di luar negeri. |
| henling Lingkungan | State Grid, dll. | |
| Kontrol suhu industri | Sanhe Tongfei | Perusahaan mulai menerapkan bisnis kontrol suhu penyimpanan energi pada tahun 2020, memperluas pelanggan seperti Sungrow, Clou Electronics, Narada Power Sour, Trina Solar, dll. |
| Energi Goaland | Pelanggan utamanya adalah produsen integrasi wadah baterai terdistribusi dan produsen baterai, dan saat ini telah bekerja sama dengan CATL dan lainnya. | |
| Manajemen termal otomotif | Jialeng Songzhi | CATL, SmartPropel Energy, dll. |
| Lapangan Raja Jiangsu | Anak perusahaan Air Conditioning International Energy Storage mulai memasok produk ke CATL, dll. pada tahun 2020. | |
Perusahaan Energi SmartPropel
SmartPropel Energy terus berinvestasi dalam penelitian dan pengembangan teknologi manajemen termal baterai penyimpanan energi. Saat ini, perusahaan memiliki cadangan teknis dan solusi untuk produk pendingin cair penyimpanan energi kabinet tunggal berdasarkan baterai litium, sistem pendingin cair pembangkit listrik penyimpanan energi skala besar, dan produk pendingin cair penyimpanan energi kabin prefabrikasi. Perusahaan memiliki semua kemampuan pengembangan sistem pendingin cair, mulai dari desain simulasi satu dimensi dan tiga dimensi hingga pengembangan papan tunggal, dan pada akhirnya memiliki kemampuan untuk menyediakan solusi sistem pendingin cair satu atap.
