1. Obszar magazynowania energii: Rozwiązania chłodzenia cieczą stają się głównym trendem
Temperatura wpływa na pojemność, bezpieczeństwo, żywotność i inne parametry systemów elektrochemicznego magazynowania energii, dlatego wymagane jest zarządzanie termiczne systemów magazynowania energii. System magazynowania energii to złożony system składający się z dużej liczby baterii, PCS, BMS, EMS, kontroli temperatury, ochrony przeciwpożarowej i innych podsystemów, wśród których bateria jest podstawowym elementem systemu.
Wpływ temperatury na system magazynowania energii przejawia się w dwóch aspektach:
(1) Temperatura wpływa na wydajność pojedynczej celi baterii. Zbyt wysoka lub zbyt niska temperatura będzie miała wpływ na normalne użytkowanie celi baterii;
(2) Temperatura wpływa na wydajność systemu baterii. Różnica temperatur między wieloma bateriami wpłynie na spójność systemu. Problem spójności wpłynie na bezpieczeństwo, wydajność i żywotność systemu.
Wpływ temperatury na wydajność ogniw akumulatora przejawia się w:
(1) Pojemność: Wysoka temperatura zwiększy wewnętrzny opór akumulatora i spowoduje utratę aktywnych jonów litu. Jeśli akumulator będzie przechowywany w wysokiej temperaturze przez długi czas, pojemność znacznie odbiegać będzie od pojemności nominalnej. Im wyższa temperatura, tym szybciej pojemność akumulatora litowo-jonowego zanika. W środowisku o niskiej temperaturze wydajność transmisji elektrolitu ulega znacznemu zmniejszeniu, co również doprowadzi do zmniejszenia pojemności akumulatora litowego. Współczynnik retencji pojemności akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych wynosi od 60% do 70% w temperaturze 0°C i zmniejsza się do 20% do 40% w temperaturze −20°C.
(2) Żywotność: Zmiany temperatury powodują zmiany w wewnętrznej rezystancji i napięciu baterii, co wpływa na żywotność baterii. Badania wykazały, że każdy 1°C wzrostu temperatury skraca żywotność baterii o około 60 dni.
(3) Stabilność termiczna: Wysoka temperatura spowoduje reakcje rozkładu w materiałach wewnętrznych baterii, co wpłynie na bezpieczną i stabilną pracę baterii. W środowisku o wysokiej temperaturze powłoka SEI może się rozłożyć, co doprowadzi do zamknięcia kanału jonów litu, zwarcia elektrod dodatnich i ujemnych oraz wytworzenia dużej ilości ciepła. Jednocześnie powstanie duża ilość gazu, co doprowadzi do zjawisk niekontrolowanego wzrostu temperatury, takich jak wybrzuszenie i pęknięcie baterii. W środowiskach o niskiej temperaturze dendryty litowe mogą pojawić się na elektrodzie ujemnej baterii, a nawet przebić powłokę SEI, co wpłynie na bezpieczeństwo baterii.
Ogólnie przyjmuje się, że optymalny zakres temperatur pracy baterii litowych wynosi 10–35℃.
Zakres temperatur pracy baterii litowej
Wpływ temperatury na system baterii odzwierciedla się w spójności ogniw baterii. Podczas pracy baterii różnice w stanach ładowania i rozładowania każdej celi baterii, różnice w rezystancji wewnętrznej, wahania prądu i inne czynniki powodują różnice w stanie starzenia się pojedynczej baterii po wielu cyklach, co z kolei powoduje różnice w wydajności między pojedynczymi bateriami. Badania wykazały, że gradient temperatury między modułami zmniejsza pojemność i żywotność całego zestawu baterii, dlatego konieczne jest utrzymanie jednorodności temperatury między każdą pojedynczą baterią w zestawie baterii. Aby zachować spójność pojedynczej baterii w baterii, różnica temperatur między ogniwami baterii nie może przekraczać 5°C.
Rozkład temperatury akumulatora w układzie chłodzonym powietrzem przy szybkości rozładowania 1.5C
Istnieją cztery rozwiązania zarządzania termicznego dla systemów magazynowania energii: chłodzenie powietrzem, chłodzenie cieczą, chłodzenie rurą cieplną i chłodzenie z przemianą fazową. Obecnie tylko chłodzenie powietrzem i chłodzenie cieczą weszło do zastosowań na dużą skalę, podczas gdy chłodzenie rurą cieplną i chłodzenie z przemianą fazową są nadal w fazie laboratoryjnej.
(1) chłodzenie powietrzem: Jako medium stosuje się powietrze, charakteryzujące się prostą strukturą i łatwą konserwacją. Jednak powietrze ma niską pojemność cieplną i niską przewodność cieplną, co jest odpowiednie w scenariuszach o niskich wymaganiach dotyczących wydajności chłodzenia.
(2) Chłodzenie cieczy: Ciecz jest używana jako medium chłodzące. Powszechnie używane ciekłe media chłodzące obejmują wodę, wodny roztwór glikolu etylenowego, czysty glikol etylenowy, czynnik chłodniczy do klimatyzacji i olej silikonowy. Medium chłodzące ma wysoki współczynnik przenikania ciepła, dużą pojemność cieplną, szybką prędkość chłodzenia, dobry efekt chłodzenia i zwartą strukturę.
(3) Chłodzenie rurką cieplną: Efektywny element wymiany ciepła, który opiera się na zmianie fazy czynnika roboczego w zamkniętej powłoce i rurze, aby osiągnąć wymianę ciepła. Rury cieplne mają zalety wysokiej przewodności cieplnej, izotermii, odwracalnego kierunku przepływu ciepła, zmiennej gęstości strumienia ciepła i stałej temperatury.
(4) Chłodzenie ze zmianą fazy:Ciepło jest pochłaniane poprzez zmianę fazy materiałów o zmianie fazy. Wybór materiałów o dużej pojemności cieplnej i wysokim współczynniku przenikania ciepła zapewni dobry efekt chłodzenia. Jednak same materiały o zmianie fazy nie mają zdolności rozpraszania ciepła i muszą być łączone z innymi metodami rozpraszania ciepła.
Rozwiązania do zarządzania temperaturą w magazynowaniu energii
Charakterystyka typowych technologii zarządzania ciepłem w magazynowaniu energii
| Pozycja | chłodzenie powietrzem | Chłodzenie cieczy | Chłodzenie rurką cieplną | Chłodzenie ze zmianą fazy | |
| Pasywny | Aktywna | Chłodzenie powietrzem na zimnym końcu | Chłodzenie cieczą na zimno | Materiał zmieniający fazę + materiał przewodzący ciepło | |
| Wydajność chłodzenia | Średni | Wyższy | Wyższy | Wysoki | Wysoki |
| Prędkość chłodzenia | Średni | Wysoki | Wysoki | Wysoki | Wyższy |
| Spadek temperatury | Średni | Wyższy | Wyższy | Wysoki | Wysoki |
| Różnica temperatur | Wyższy | Niski | Niski | Niski | Niski |
| Złożoność | Średni | Średni | Średni | Wyższy | Średni |
| Żywotność | długo | długo | długo | długo | długo |
| Koszty: | Niski | Wyższy | Wyższy | Wysoki | Wyższy |
Chłodzenie cieczy Rozwiązania te stopniowo stały się rozwiązaniami dominującymi w scenariuszach przyrostowego magazynowania energii.
Od strony podaży, rozwiązanie chłodzenia cieczą ma zalety wysokiej dojrzałości technicznej, dobrego efektu chłodzenia i pozytywnego wpływu na wydajność systemu.
(1) Bezpieczeństwo: Rozwiązanie chłodzenia cieczą ma wysoką wydajność odprowadzania ciepła i wysoki poziom ochrony. Może poradzić sobie z bardziej złożonymi środowiskami pracy, zmniejszyć możliwość niekontrolowanego wzrostu temperatury i poprawić bezpieczeństwo działania systemu. Dane pokazują, że zdolność odprowadzania ciepła cieczy jest 3,000 razy większa niż tej samej objętości powietrza, a przewodność cieplna jest 25 razy większa niż powietrza. Ponadto system chłodzenia cieczą ma wyższy poziom ochrony i może poradzić sobie z trudniejszymi środowiskami pracy.
(2) Efektywność ekonomiczna: Aby osiągnąć ten sam efekt kontroli, rozwiązanie chłodzenia cieczą ma niższe zużycie energii, co może zmniejszyć inwestycje operacyjne i poprawić ekonomię całego cyklu życia. Aby osiągnąć tę samą średnią temperaturę akumulatora, chłodzenie powietrzem wymaga 2-3 razy większego zużycia energii niż chłodzenie cieczą. Przy tym samym zużyciu energii maksymalna temperatura akumulatora jest o 3-5 stopni Celsjusza wyższa w przypadku chłodzenia powietrzem niż w przypadku chłodzenia cieczą. System chłodzenia cieczą może zaoszczędzić energię nawet o około 50% w porównaniu z systemem chłodzenia powietrzem.
(3) Wysoka integracja: Ze względu na lepszy efekt chłodzenia rozwiązania chłodzenia cieczą, integracja systemu magazynowania energii w kontenerze jest wyższa. Biorąc za przykład system magazynowania energii chłodzony cieczą SmartPropel Energy, pojemność tradycyjnego chłodzonego powietrzem 40-stopowego kontenera wynosi 3.44 MWh, podczas gdy pojemność rozwiązania chłodzonego cieczą dla tego samego 40-stopowego kontenera może osiągnąć 6.88 MWh. W przypadku elektrowni magazynujących energię o tej samej pojemności, zastosowanie chłodzonego cieczą systemu akumulatorów pozwala zaoszczędzić ponad 40% powierzchni podłogi.
Od strony popytu, kierunek rozwoju systemów magazynowania energii o większej pojemności i większej liczbie scenariuszy wiąże się ze wzrastającymi wymaganiami w zakresie zarządzania temperaturą, a wydajność rozwiązań chłodzenia cieczą jest z tym coraz bardziej zgodna.
(1) Skala elektrowni magazynujących energię staje się coraz większa. Wraz ze wzrostem udziału nowej energii w systemie energetycznym, zapotrzebowanie na zasoby do ograniczania szczytowego zapotrzebowania, takie jak magazynowanie energii, staje się coraz bardziej widoczne, a wydajność dyspozytorska elektrowni magazynujących energię o dużej pojemności jest lepsza niż elektrowni o małej pojemności. Dlatego elektrownie magazynujące energię na dużą skalę wykazują tendencję do dużej pojemności. Obecnie skala niezależnych projektów magazynowania energii szybko przekracza 100 MWh i zmierza w kierunku GWh.
W 2023 roku zostaną uruchomione cztery pojedyncze elektrownie o mocy 200 MW/400 MWh. We wrześniu 2023 roku zaplanowano i uruchomiono już 30 projektów magazynowania energii o skali ponad 500 MWh, o łącznej skali 12.2 GW/33 GWh. Elektrownie dużej mocy zwykle wykorzystują ogniwa akumulatorowe o dużej pojemności. Wraz ze wzrostem rozmiaru i pojemności ogniw akumulatorowych pogarsza się wydajność odprowadzania ciepła samych ogniw akumulatorowych, więc wymagania dotyczące możliwości zarządzania temperaturą systemu będą coraz wyższe.
(2) Scenariusze zastosowań elektrowni magazynujących energię są bardziej zróżnicowane. Zgodnie z wymaganiami różnych okresów magazynowania energii, scenariusze zastosowań magazynowania energii można podzielić na cztery kategorie: typ pojemności (≥4 godziny), typ energii (około 1~2 godzin), typ mocy (≤30 minut) i typ zapasowy (≥15 minut). W scenariuszach typu pojemności i typu energii magazynowanie energii jest wykorzystywane do takich funkcji, jak ścinanie szczytów i wypełnianie dolin, magazynowanie energii poza siecią i awaryjne tworzenie kopii zapasowych, wykazując duży trend pojemnościowy. Generowanie ciepła pojedynczego projektu wzrasta, a wymagania dotyczące zarządzania termicznego rosną. W scenariuszu typu mocy system magazynowania energii musi natychmiast absorbować lub uwalniać energię i zapewniać szybkie wsparcie mocy. Szybkie ładowanie i rozładowywanie wymaga wyższej regulacji temperatury akumulatora, a znaczenie zarządzania termicznego jest podkreślane.
2. Chłodzenie cieczą magazynującą energię: Oczekuje się, że wskaźnik penetracji osiągnie około 45% w 2025 r.
Krajowi producenci głównego nurtu wprowadzili rozwiązania chłodzenia cieczą, co dowodzi popularności chłodzenia cieczą. Wśród istniejących projektów magazynowania energii rozwiązania chłodzenia powietrzem stanowią większą część, głównie dlatego, że chłodzenie powietrzem jest proste w konstrukcji i tanie. Jednak wraz ze wzrostem skali i gęstości energii systemów magazynowania energii zalety technologii chłodzenia cieczą stają się bardziej widoczne.
Obecnie firmy takie jak CATL, BYD, Envision Group, SUNGROW, HyperStrong, Zhengtai New Energy i Energia SmartPropel wprowadziły na rynek produkty do chłodzenia cieczą.
| Produkty do chłodzenia cieczą wprowadzane na rynek przez różne firmy | ||
| Firma | Modele wyrobów | Dostępność: |
| KATL | EnerOne | 2020 |
| BYD | Kostka BYD | 2020.8 |
| Energia SVOLT | JU-Zintegrowany system magazynowania energii chłodzony cieczą | 2021.4 |
| Hipermocny | Hipermocny | 2021.4 |
| Elektronika Chmura | E30 | 2021.5 |
| Grupa Chint | TELOGY 1500V System magazynowania energii chłodzony cieczą | 2021.6 |
| Grupa wizji | Inteligentne produkty do magazynowania energii chłodzone cieczą | 2021.1 |
| Technologia Kehua | Kehua S3 System magazynowania energii chłodzony cieczą | 2022.5 |
| Słońce | PowerTitanlPowerStack | 2022.5 |
| Energia SmartPropel | 372KWh+200KW System magazynowania energii chłodzenia cieczą | 2023.9 |
| Elektronika Chmura | Produkty do chłodzenia cieczą Aqua Series | 2023.4 |
| Technologia Zhongtian | MUZA1.0 | 2022.6 |
| Energia JD | Rozproszona modułowa szafa do magazynowania energii chłodzenia cieczą zintegrowana | 2022.9 |
| Narada Power Sour | System magazynowania energii chłodzenia cieczą CenterL | 2022.9 |
Podstawowe elementy układu chłodzenia cieczą magazynującą energię obejmują: płytę chłodzącą cieczą, jednostkę chłodzącą cieczą (opcjonalnie grzałka), rurociąg chłodzący cieczą (w tym czujnik temperatury, zawór), wiązkę przewodów wysokiego i niskiego napięcia; środek chłodzący (wodny roztwór glikolu etylenowego) itp. W zależności od sposobu kontaktu między środkiem chłodzącym a akumulatorem istnieją dwa schematy: jeden to kontakt bezpośredni, ogniwo lub moduł akumulatora zanurza się w cieczy (takiej jak izolujący olej silikonowy), co pozwala cieczy bezpośrednio chłodzić akumulator; drugi to ustawienie kanału chłodzącego lub zimnej płyty między akumulatorami, co pozwala cieczy pośrednio chłodzić akumulator.
System chłodzenia cieczą magazynowania energii jest bezpieczny, wydajny i elastyczny. Weź SmartPropel Energy „System magazynowania energii chłodzenia cieczą o mocy 372 kWh i 200 kW” jako przykład:
(1) Bezpieczeństwo: System przyjmuje ochronę IP55 + antykondensacyjną + sejsmiczną konstrukcję strukturalną + sześciowymiarową konstrukcję graniczną. Każdy pakiet ma wbudowaną elastyczną rurę perfluoroheksanonową + wykrywanie sprzężenia zwrotnego ognia. Poziom systemu przyjmuje koncepcję projektową trójpoziomowej ochrony przeciwwybuchowej + trójpoziomowej ochrony przeciwpożarowej w celu uzyskania potrójnego monitorowania izolacji i ochrony.
(2) Wydajność: Kontrolery na poziomie klastra są używane w systemach magazynowania energii chłodzenia cieczą. Poprzez inteligentne sterowanie prądem przez menedżera na poziomie klastra, aktywne równoważenie, inteligentne przełączanie i odpowiedź alarmową na poziomie milisekund jednostek klastra baterii są osiągane. Eksperymenty wykazały, że pod wpływem równoważenia kontrolera na poziomie klastra, pojemność ładowania i rozładowywania całego cyklu życia jest zwiększona o ponad 6%. Jednocześnie, pod funkcją przełączania kontrolera na poziomie klastra, osiągana jest inteligentna kontrola równoważenia klastra baterii, a roczna dostępność systemu wynosi >99%. W połączeniu z inteligentną kontrolą temperatury i technologią zrównoważonego sterowania, opatentowaną konstrukcją pakietu chłodzenia cieczą „Tongcheng”, rozpraszaniem ciepła w systemie „podwójnej cyrkulacji” i wielopoziomowym rozmieszczeniem rur chłodzenia cieczą, różnica temperatur wewnątrz systemu kontenera jest stała i nie przekracza 5°C, a różnica temperatur między dowolnymi pakietami nie przekracza 3°C. Dzięki inteligentnej kontroli temperatury i technologii zrównoważonego sterowania prawdopodobieństwo niekontrolowanego wzrostu temperatury zostało skutecznie ograniczone, a żywotność systemu została zwiększona o 13%.
(3) Elastyczność: Gęstość mocy systemu magazynowania energii chłodzenia cieczą jest zwiększona o 100%, a pojemność 40 stóp może osiągnąć 372 kWh. Biorąc za przykład układ systemu magazynowania energii o mocy 200 kW/372 kWh, zastosowanie systemu akumulatorów chłodzenia cieczą pozwala zaoszczędzić ponad 40% powierzchni podłogi. Zastosowanie prefabrykowanej konstrukcji modułowej zmniejsza początkowy koszt inwestycji o ponad 2%.
Porównując rozwiązania chłodzenia powietrzem i chłodzeniem cieczą, koszt sprzętu do kontroli temperatury dla chłodzenia cieczą wynosi 0.09 RMB/wh, a dla chłodzenia powietrzem 0.025 RMB/wh. Oczekuje się, że całkowity koszt chłodzenia cieczą zostanie obniżony.
(1) Chłodzenie powietrzem: Tradycyjny 40-stopowy kontener magazynujący energię o pojemności 3.5 MWh zazwyczaj wykorzystuje cztery 12.5-kilowatowe systemy klimatyzacyjne. Cena pojedynczego systemu klimatyzacyjnego wynosi około 22,000 88,000 RMB, a cena kontroli temperatury systemu kontenerowego jest obliczana na 0.025 25 RMB, co odpowiada cenie jednostkowej XNUMX RMB/wh i wartości XNUMX milionów RMB za GWh.
(2) Chłodzenie cieczą: 40-stopowy kontener o pojemności 5-6 MWh wymaga dwóch 40-kilowatowych systemów chłodzenia cieczą. Cena pojedynczego systemu wynosi około 270,000 540,000 RMB, a cena kontroli temperatury kontenera wynosi 0.09 90 RMB, co odpowiada cenie jednostkowej XNUMX RMB/wh i wartości XNUMX milionów RMB za GWh. Jednak biorąc pod uwagę wysoką gęstość integracji systemu chłodzenia cieczą, ta sama pojemność zajmuje mniejszą powierzchnię, koszty budowy są niższe, ta sama pojemność wykorzystuje mniej materiałów pomocniczych, takich jak złącza, a całkowity koszt systemu jest niższy.
Według szacunków GGII wartość branży kontroli temperatury magazynowania energii wyniesie około 2.4 miliarda RMB w 2021 r. (wliczając eksport zagraniczny) i oczekuje się, że w 16.5 r. osiągnie prawie 2025 miliarda RMB. Spośród nich rynek chłodzenia cieczą będzie stanowił około 45% w 2025 r.
Dostawcy rozwiązań do kontroli temperatury chłodzenia cieczą do magazynowania energii pochodzą głównie od producentów kontroli temperatury w centrach danych, przemysłowej kontroli temperatury i kontroli temperatury w samochodach. Kluczem do konkurencji jest zdolność projektowania niestandardowych produktów, ponieważ różni integratorzy magazynów energii mają różne rozwiązania projektowe produktów. Kontrola temperatury chłodzenia cieczą musi być wspólnie opracowywana z układem akumulatorów, projektem rurociągu chłodzenia cieczą itp. i zintegrowana z akumulatorami, dlatego wymagany jest wysoce dostosowany projekt.
| Główny dostawca systemów chłodzenia cieczą do magazynowania energii i kontroli temperatury | ||
| Oryginalny przemysł | Firma | Główni klienci |
| Kontrola temperatury w centrum danych | Ochładzacz | CATL, BYD, Narada Power Sour, Clou Electronics, SmartPropel Energy, Sungrow, HyperStrong i powiązani z nimi czołowi integratorzy systemów i producenci akumulatorów za granicą. |
| henling Środowisko | Siatka stanowa itp. | |
| Kontrola temperatury przemysłowej | Sanhe Tongfei | Firma rozpoczęła wdrażanie rozwiązań do kontroli temperatury magazynowania energii w 2020 r., poszerzając grono klientów takich jak Sungrow, Clou Electronics, Narada Power Sour, Trina Solar itp. |
| Energia Goaland | Głównymi klientami są producenci zintegrowanych kontenerów na baterie oraz producenci baterii. Obecnie firma współpracuje z CATL i innymi firmami. | |
| Zarządzanie temperaturą w motoryzacji | Tłumaczenie polskie: | CATL, SmartPropel Energy i inne. |
| Jiangsu Kingfield | Spółka zależna Air Conditioning International Energy Storage rozpoczęła dostawy produktów dla CATL i innych przedsiębiorstw w 2020 r. | |
Spółka energetyczna SmartPropel
SmartPropel Energy nadal inwestuje w badania i rozwój technologii zarządzania temperaturą akumulatorów magazynujących energię. Obecnie posiada techniczne rezerwy i rozwiązania dla produktów chłodzenia cieczą do magazynowania energii w pojedynczej szafie na bazie baterii litowych, systemów chłodzenia cieczą do dużych elektrowni magazynujących energię oraz prefabrykowanych produktów chłodzenia cieczą do magazynowania energii w kabinach. Firma posiada wszystkie możliwości rozwoju systemów chłodzenia cieczą, od jednowymiarowego i trójwymiarowego projektowania symulacji po rozwój pojedynczej płyty, a ostatecznie ma zdolność dostarczania kompleksowych rozwiązań systemów chłodzenia cieczą.
