1. 에너지 저장 분야: 액체 냉각 솔루션이 주류 트렌드로 부상
온도는 전기화학적 에너지 저장 시스템의 용량, 안전성, 수명 및 기타 성능에 영향을 미치므로 에너지 저장 시스템의 열 관리가 필요합니다. 에너지 저장 시스템은 다수의 배터리, PCS, BMS, EMS, 온도 제어, 방화 및 기타 하위 시스템으로 구성된 복잡한 시스템이며, 그 중 배터리는 시스템의 핵심 구성 요소입니다.
온도가 에너지 저장 시스템에 미치는 영향은 두 가지 측면에서 나타납니다.
(1) 온도는 단일 배터리 셀의 성능에 영향을 미칩니다. 너무 높거나 너무 낮은 온도는 배터리 셀의 정상적인 사용에 영향을 미칩니다.
(2) 온도는 배터리 시스템의 성능에 영향을 미칩니다. 여러 배터리 간의 온도 차이는 시스템의 일관성에 영향을 미칩니다. 일관성 문제는 시스템의 안전성, 효율성 및 수명에 영향을 미칩니다.
배터리 셀 성능에 대한 온도의 영향은 다음에 반영됩니다.
(1) 용량: 고온은 배터리의 내부 저항을 증가시키고 활성 리튬 이온의 손실을 초래합니다. 배터리를 장시간 고온에 보관하면 용량이 공칭 용량에서 크게 벗어납니다. 온도가 높을수록 리튬 이온 배터리의 용량이 더 빨리 감소합니다. 저온 환경에서는 전해액의 전달 성능이 크게 저하되어 리튬 배터리의 용량이 감소합니다. 리튬 철인산 배터리의 용량 유지율은 60°C에서 70%~0%이고, -20°C에서는 40%~20%로 감소합니다.
(2) 수명: 온도 변화는 배터리의 내부 저항과 전압을 변화시켜 배터리 수명에 영향을 미칩니다. 연구에 따르면 온도가 1°C 상승할 때마다 배터리 수명은 약 60일 단축됩니다.
(3) 열 안정성: 고온은 배터리 내부 재료에서 분해 반응을 일으켜 배터리의 안전하고 안정적인 작동에 영향을 미칩니다. 고온 환경에서는 SEI 필름이 분해되어 리튬 이온 채널이 막히고 양극과 음극이 단락되고 많은 양의 열이 발생합니다. 동시에 많은 양의 가스가 발생하여 배터리 팽창 및 파열과 같은 열 폭주 현상이 발생합니다. 저온 환경에서는 배터리의 음극에 리튬 수지가 나타나 SEI 필름을 뚫고 배터리 안전에 영향을 미칠 수 있습니다.
일반적으로 리튬 배터리의 최적 작동 온도 범위는 10~35℃라고 알려져 있습니다.
리튬 배터리 작동 온도 범위
배터리 시스템에 대한 온도의 영향은 배터리 셀의 일관성에 반영됩니다. 배터리 작동 중 각 배터리 셀의 충전 및 방전 상태의 차이, 내부 저항의 차이, 전류 변동 및 기타 요인으로 인해 여러 사이클 후 단일 배터리의 노화 상태에 차이가 발생하여 단일 배터리 간의 성능 차이가 발생합니다. 연구에 따르면 모듈 간의 온도 구배가 전체 배터리 팩의 용량과 수명을 감소시키므로 배터리 팩의 각 단일 배터리 간의 온도 균일성을 유지하는 것이 필요합니다. 배터리의 단일 배터리 일관성을 유지하려면 배터리 셀 간의 온도 차이가 5°C를 초과하지 않아야 합니다.
1.5C 방전율에서 공랭식 시스템에서 배터리 팩의 온도 분포
에너지 저장 시스템을 위한 열 관리 솔루션은 공기 냉각, 액체 냉각, 열 파이프 냉각 및 상변화 냉각의 네 가지가 있습니다. 현재 공기 냉각과 액체 냉각만이 대규모 응용 분야에 들어갔고 열 파이프 냉각과 상변화 냉각은 아직 실험실 단계에 있습니다.
(1) 공기 냉각: 공기는 매체로 사용되며 구조가 간단하고 유지 관리가 쉽다는 특징이 있습니다. 그러나 공기는 비열 용량이 낮고 열 전도도가 낮아 냉각 효율 요구 사항이 낮은 시나리오에 적합합니다.
(2) 액체 냉각: 액체는 냉각 매체로 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 액체 냉각 매체에는 물, 에틸렌 글리콜 수용액, 순수 에틸렌 글리콜, 에어컨 냉매 및 실리콘 오일이 포함됩니다. 냉각 매체는 높은 열전달 계수, 큰 비열 용량, 빠른 냉각 속도, 좋은 냉각 효과 및 컴팩트한 구조를 가지고 있습니다.
(3) 히트파이프 냉각: 닫힌 쉘과 튜브에서 작동 유체의 상변화에 의존하여 열 교환을 달성하는 효율적인 열 교환 요소입니다. 히트 파이프는 높은 열 전도도, 등온, 가역적 열 흐름 방향, 가변적 열 플럭스 밀도 및 일정한 온도의 장점이 있습니다.
(4) 상변화 냉각: 상변화 재료의 상변화를 이용하여 열을 흡수합니다. 비열용량이 크고 열전달 계수가 높은 재료를 선택하면 좋은 냉각 효과를 얻을 수 있습니다. 그러나 상변화 재료 자체는 열을 발산할 수 있는 능력이 없으므로 다른 열 발산 방법과 결합해야 합니다.
에너지 저장 열 관리 솔루션
대표적인 에너지 저장 열 관리 기술의 특징
| 항목 | 공기 냉각 | 액체 냉각 | 히트파이프 냉각 | 상변화 냉각 | |
| 수동 | 최근활동 | 콜드 엔드 에어 쿨링 | 콜드엔드 액체냉각 | 상변화물질 + 열전도성물질 | |
| 냉각 효율 | 중급 | 더 높은 | 더 높은 | 높음 | 높음 |
| 냉각 속도 | 중급 | 높음 | 높음 | 높음 | 더 높은 |
| 온도 강하 | 중급 | 더 높은 | 더 높은 | 높음 | 높음 |
| 온도차 | 더 높은 | 높음 | 높음 | 높음 | 높음 |
| 복잡성 | 중급 | 중급 | 중급 | 더 높은 | 중급 |
| 수명 | 긴 | 긴 | 긴 | 긴 | 긴 |
| 비용 | 높음 | 더 높은 | 더 높은 | 높음 | 더 높은 |
액체 냉각 솔루션은 점진적으로 증분형 에너지 저장 시나리오에서 주류 솔루션으로 발전해 왔습니다.
공급 측면에서, 액체 냉각 솔루션은 기술적 성숙도가 높고, 냉각 효과가 좋으며, 시스템 성능에 긍정적인 영향을 미친다는 장점이 있습니다.
(1) 안전성: 액체 냉각 솔루션은 방열 효율이 높고 보호 수준이 높습니다. 더 복잡한 작업 환경에 대처하고 열 폭주 가능성을 줄이며 시스템 작동 안전성을 향상시킬 수 있습니다. 데이터에 따르면 액체의 방열 용량은 같은 부피의 공기의 3,000배이고 열전도도는 공기의 25배입니다. 또한 액체 냉각 시스템은 보호 수준이 더 높고 더 심각한 작동 환경에 대처할 수 있습니다.
(2) 경제적 효율성: 동일한 제어 효과를 달성하기 위해 액체 냉각 솔루션은 에너지 소비가 낮아 운영 투자를 줄이고 전체 수명 주기의 경제성을 개선할 수 있습니다. 동일한 평균 배터리 온도를 달성하기 위해 공랭은 액체 냉각보다 2~3배 더 많은 에너지 소비가 필요합니다. 동일한 전력 소비에서 배터리 팩의 최대 온도는 공랭이 액체 냉각보다 3~5도 섭씨 더 높습니다. 액체 냉각 시스템은 공랭 시스템에 비해 최대 약 50%까지 에너지를 절약할 수 있습니다.
(3) 높은 통합성: 액체 냉각 솔루션의 더 나은 냉각 효과로 인해 컨테이너 내 에너지 저장 시스템의 통합성이 더 높습니다. SmartPropel Energy 액체 냉각 에너지 저장 시스템을 예로 들면, 기존의 공랭식 40피트 컨테이너의 용량은 3.44MWh인 반면, 동일한 40피트 컨테이너에 대한 액체 냉각 솔루션의 용량은 6.88MWh에 도달할 수 있습니다. 동일한 용량의 에너지 저장 발전소의 경우 액체 냉각 배터리 시스템을 사용하면 바닥 공간을 40% 이상 절약할 수 있습니다.
수요 측면에서 볼 때, 대용량, 다양한 시나리오를 갖춘 에너지 저장 시스템의 개발 방향은 열 관리에 대한 요구 사항이 점점 높아지고 있으며, 액체 냉각 솔루션의 성능은 이에 더욱 적합합니다.
(1) 에너지 저장 발전소의 규모가 점점 더 커지고 있습니다. 전력 시스템에서 신에너지 비중이 증가함에 따라 에너지 저장과 같은 피크 쉐이빙 자원에 대한 수요가 점점 더 두드러지고 있으며 대용량 에너지 저장 발전소의 급전 성능이 소용량 발전소보다 우수합니다. 따라서 대규모 에너지 저장 발전소는 대용량 추세를 보입니다. 현재 독립형 에너지 저장 프로젝트 규모는 100MWh를 빠르게 돌파하고 GWh로 이동하고 있습니다.
2023년에는 200개의 400MW/2023MWh 단일 발전소가 가동될 예정입니다. 30년 500월 현재 이미 12.2MWh 이상 규모의 에너지 저장 프로젝트가 33개 기획 및 착수되었으며, 총 규모는 XNUMXGW/XNUMXGWh입니다. 대용량 발전소는 일반적으로 대용량 배터리 셀을 사용합니다. 배터리 셀의 크기와 용량이 증가함에 따라 배터리 셀 자체의 방열 성능이 저하되므로 시스템의 열 관리 기능에 대한 요구 사항이 점점 더 높아질 것입니다.
(2) 에너지 저장 발전소의 적용 시나리오는 더욱 다양합니다. 다양한 에너지 저장 기간의 요구 사항에 따라 에너지 저장의 적용 시나리오는 용량형(≥4시간), 에너지형(약 1~2시간), 전력형(≤30분), 백업형(≥15분)의 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 용량형 및 에너지형 시나리오에서 에너지 저장은 피크 쉐이빙 및 밸리 필링, 오프그리드 에너지 저장, 비상 백업과 같은 기능에 사용되어 대용량 추세를 보입니다. 단일 프로젝트의 열 발생이 증가하고 열 관리에 대한 요구 사항이 증가합니다. 전력형 시나리오에서 에너지 저장 시스템은 에너지를 즉시 흡수하거나 방출하고 빠른 전력 지원을 제공해야 합니다. 빠른 충전 및 방전에는 배터리의 더 높은 온도 조절이 필요하며 열 관리의 중요성이 강조됩니다.
2. 에너지 저장 액체 냉각: 보급률은 45년 약 2025%에 도달할 것으로 예상
국내 주류 제조업체는 액체 냉각 솔루션을 출시하여 액체 냉각의 인기를 증명했습니다. 기존 에너지 저장 프로젝트 중에서 공기 냉각 솔루션은 더 높은 비중을 차지하는데, 주로 공기 냉각은 설계가 간단하고 비용이 저렴하기 때문입니다. 그러나 에너지 저장 시스템의 규모와 에너지 밀도가 증가함에 따라 액체 냉각 기술의 이점이 더욱 두드러집니다.
현재 CATL, BYD, Envision Group, SUNGROW, HyperStrong, Zhengtai New Energy 등의 회사가 있습니다. 스마트프로펠 에너지 액체 냉각 제품을 출시했습니다.
| 다양한 회사에서 출시한 액체 냉각 제품 | ||
| 회사 | 제품 모델 | 이용 가능 여부 (Availability) |
| CATL | 에너원 | 2020 |
| BYD | BYD 큐브 | 2020.8 |
| SVOLT 에너지 | JU-통합 액체 냉각 에너지 저장 시스템 | 2021.4 |
| 하이퍼스트롱 | 하이퍼스트롱 | 2021.4 |
| 클루전자 | E30 | 2021.5 |
| 친트 그룹 | TELOGY 1500V 액체 냉각 에너지 저장 시스템 | 2021.6 |
| 엔비전그룹 | 스마트 액체 냉각 에너지 저장 제품 | 2021.1 |
| 케화테크놀로지 | Kehua S3 액체 냉각 에너지 저장 시스템 | 2022.5 |
| 선그로우 | 파워타이탄파워스택 | 2022.5 |
| 스마트프로펠 에너지 | 372KWh+200KW 액체 냉각 에너지 저장 시스템 | 2023.9 |
| 클루전자 | Aqua Series 액체 냉각 제품 | 2023.4 |
| 중천기술 | 뮤즈1.0 | 2022.6 |
| JD에너지 | 분산 모듈형 액체 냉각 에너지 저장 캐비닛 통합 | 2022.9 |
| 나라다 파워 사워 | CenterL 액체 냉각 에너지 저장 시스템 | 2022.9 |
에너지 저장 액체 냉각 시스템의 기본 구성 요소는 다음과 같습니다. 액체 냉각판, 액체 냉각 장치(히터 옵션), 액체 냉각 파이프라인(온도 센서, 밸브 포함), 고/저 전압 배선 하네스, 냉각수(에틸렌 글리콜 수용액) 등입니다. 냉각수와 배터리 사이의 접촉 방식에 따라 두 가지 방식이 있습니다. 하나는 직접 접촉으로, 배터리 셀 또는 모듈을 액체(예: 전기 절연 실리콘 오일)에 담가 액체가 배터리를 직접 냉각하도록 하는 방식입니다. 다른 하나는 배터리 사이에 냉각 채널 또는 냉각판을 설치하여 액체가 배터리를 간접적으로 냉각하도록 하는 방식입니다.
에너지 저장 액체 냉각 시스템은 안전하고 효율적이며 유연합니다. SmartPropel Energy “372KWh+200KW 액체 냉각 에너지 저장 시스템” 예로서:
(1) 안전성: 시스템은 IP55 보호 + 응축 방지 + 구조적 지진 + XNUMX차원 한계 설계를 채택합니다. 각 팩에는 퍼플루오로헥사논 유연 파이프 + 화재 피드백 감지가 내장되어 있습니다. 시스템 레벨은 XNUMX단계 방폭 + XNUMX단계 화재 보호의 설계 개념을 채택하여 XNUMX중 절연 모니터링 및 보호를 달성합니다.
(2) 효율성: 클러스터 수준 컨트롤러는 액체 냉각 에너지 저장 시스템에 사용됩니다. 클러스터 수준 관리자의 지능형 전류 제어를 통해 배터리 클러스터 유닛의 능동 밸런싱, 지능형 스위칭 및 밀리초 수준 알람 응답이 달성됩니다. 실험 결과 클러스터 수준 컨트롤러의 밸런싱 효과 하에서 전체 수명 주기의 충전 및 방전 용량이 6% 이상 증가했습니다. 동시에 클러스터 수준 컨트롤러의 스위칭 기능 하에서 배터리 클러스터의 지능형 밸런싱 제어가 달성되고 시스템의 연간 가용성은 >99%입니다. 지능형 온도 제어 및 균형 제어 기술, 액체 냉각 팩 "통청"의 특허 설계, 시스템 방열 "이중 순환" 및 액체 냉각 파이프의 다단계 분배와 결합하여 컨테이너 시스템 내부의 온도 차이는 일정하고 5°C를 초과하지 않으며 모든 팩 간의 온도 차이는 3°C를 초과하지 않습니다. 지능형 온도 제어 및 균형 제어 기술을 통해 열 폭주 가능성이 효과적으로 억제되고 시스템 수명이 13% 증가합니다.
(3) 유연성: 액체 냉각 에너지 저장 시스템의 전력 밀도는 100% 증가하고 40피트의 용량은 372Kwh에 도달할 수 있습니다. 200KW/372KWh의 에너지 저장 시스템 레이아웃을 예로 들면, 액체 냉각 배터리 시스템을 사용하면 바닥 공간을 40% 이상 절약할 수 있습니다. 조립식 모듈식 설계를 사용하면 초기 투자 비용을 2% 이상 절감할 수 있습니다.
공랭 및 액랭 솔루션을 비교하면 액랭의 온도 제어 장비 비용은 0.09 RMB/wh이고, 공랭의 경우 0.025 RMB/wh입니다. 액랭의 전체 비용이 감소할 것으로 예상됩니다.
(1) 공기 냉각: 용량이 40MWh인 기존 3.5피트 에너지 저장 컨테이너는 일반적으로 12.5kw 에어컨 시스템 22,000개를 사용합니다. 단일 에어컨 시스템 가격은 약 88,000위안이고 컨테이너 시스템의 온도 제어 가격은 0.025위안으로 계산되며, 이는 단가 25위안/wh에 해당하며 GWh당 XNUMX만 위안의 가치가 있습니다.
(2) 액체 냉각: 용량이 40-5MWh인 6피트 컨테이너는 40kw 액체 냉각 시스템 두 개가 필요합니다. 단일 시스템 가격은 약 270,000위안이고 컨테이너의 온도 제어 가격은 540,000위안으로 단위 가격은 0.09위안/wh에 해당하며 GWh당 90만 위안의 가치가 있습니다. 그러나 액체 냉각 시스템의 높은 집적 밀도를 고려할 때 동일한 용량은 더 작은 면적을 차지하고 토목 공사 비용이 감소하며 동일한 용량에서 커넥터와 같은 보조 자재가 적게 사용되며 전체 시스템 비용이 감소합니다.
GGII 추산에 따르면 에너지 저장 온도 제어 산업의 가치는 2.4년에 약 2021억 위안(해외 수출 포함)이 될 것이며, 16.5년에는 약 2025억 위안에 도달할 것으로 예상됩니다. 이 중 액체 냉각 시장은 45년에 약 2025%를 차지할 것입니다.
에너지 저장 액체 냉각 온도 제어 솔루션 공급업체는 주로 데이터 센터 온도 제어, 산업용 온도 제어 및 자동차 온도 제어 제조업체에서 나옵니다. 경쟁의 핵심은 비표준 제품의 설계 능력에 있습니다. 왜냐하면 다양한 에너지 저장 통합업체가 서로 다른 제품 설계 솔루션을 가지고 있기 때문입니다. 액체 냉각 온도 제어는 배터리 팩 레이아웃, 액체 냉각 파이프라인 설계 등과 공동으로 개발되어야 하며 배터리와 통합되어야 하므로 고도로 맞춤화된 설계가 필요합니다.
| 에너지 저장 액체 냉각 온도 제어의 주요 공급업체 | ||
| 원래 산업 | 회사 | 주요 고객 |
| 데이터 센터 온도 제어 | 엔비쿨 | CATL, BYD, Narada Power Sour, Clou Electronics, SmartPropel Energy, Sungrow, HyperStrong 및 관련 주요 시스템 통합자와 해외 배터리 제조업체. |
| 헨링 엔비른 | 스테이트 그리드 등 | |
| 산업용 온도 조절 | 산허 통페이 | 회사는 2020년부터 에너지 저장 온도 제어 사업을 시작하여 Sungrow, Clou Electronics, Narada Power Sour, Trina Solar 등 고객사를 확대했습니다. |
| 골랜드 에너지 | 주요 고객은 분산형 배터리 컨테이너 통합 제조업체, 배터리 제조업체이며, 현재 CATL 등과 협력하고 있습니다. | |
| 자동차 열 관리 | 지알렝 송지 | CATL, SmartPropel Energy 등 |
| 장쑤 킹필드 | 자회사인 Air Conditioning International Energy Storage에서는 2020년부터 CATL 등에 관련 제품 공급을 시작했습니다. | |
SmartPropel 에너지 회사
SmartPropel Energy는 에너지 저장 배터리 열 관리 기술의 연구 개발에 계속 투자하고 있습니다. 현재 리튬 배터리 기반 단일 캐비닛 에너지 저장 액체 냉각 제품, 대규모 에너지 저장 발전소 액체 냉각 시스템 및 조립식 캐빈 에너지 저장 액체 냉각 제품에 대한 기술적 매장량과 솔루션을 보유하고 있습니다. 이 회사는 1차원 및 3차원 시뮬레이션 설계에서 단일 보드 개발에 이르기까지 모든 액체 냉각 시스템 개발 역량을 보유하고 있으며 궁극적으로 원스톱 액체 냉각 시스템 솔루션을 제공할 수 있는 역량을 갖추고 있습니다.
