1. Področje shranjevanja energije: rešitev za tekoče hlajenje postane glavni trend
Temperatura vpliva na zmogljivost, varnost, življenjsko dobo in drugo učinkovitost elektrokemičnih sistemov za shranjevanje energije, zato je toplotno upravljanje sistemov za shranjevanje energije potrebno. Sistem za shranjevanje energije je kompleksen sistem, sestavljen iz velikega števila baterij, PCS, BMS, EMS, nadzora temperature, požarne zaščite in drugih podsistemov, med katerimi je baterija osrednja komponenta sistema.
Vpliv temperature na sistem za shranjevanje energije se kaže v dveh vidikih:
(1) Temperatura vpliva na delovanje posamezne celice baterije. Previsoka ali prenizka temperatura bo vplivala na normalno uporabo baterijske celice;
(2) Temperatura vpliva na delovanje akumulatorskega sistema. Temperaturna razlika med več baterijami bo vplivala na skladnost sistema. Problem skladnosti bo vplival na varnost, učinkovitost in življenjsko dobo sistema.
Vpliv temperature na delovanje baterijskih celic se odraža v:
(1) Kapaciteta: visoka temperatura bo povečala notranji upor baterije in povzročila izgubo aktivnih litijevih ionov. Če je baterija dlje časa pri visoki temperaturi, bo njena kapaciteta močno odstopala od nazivne. Višja kot je temperatura, hitreje upada zmogljivost litij-ionske baterije. V okolju z nizko temperaturo se zmogljivost prenosa elektrolita močno zmanjša, kar bo povzročilo tudi zmanjšanje zmogljivosti litijeve baterije. Stopnja zadrževanja zmogljivosti litij-železo-fosfatnih baterij je 60 % do 70 % pri 0 °C in se zmanjša na 20 % do 40 % pri –20 °C.
(2) Življenjska doba: temperaturne spremembe povzročijo spremembe v notranjem uporu in napetosti baterije, kar vpliva na življenjsko dobo baterije. Študije so pokazale, da se za vsak dvig temperature za 1 °C življenjska doba baterije skrajša za približno 60 dni.
(3) Toplotna stabilnost: Visoka temperatura bo povzročila reakcije razgradnje v notranjih materialih baterije, kar bo vplivalo na varno in stabilno delovanje baterije. V okolju z visoko temperaturo lahko film SEI razpade, kar bo povzročilo okluzijo litijevega ionskega kanala, kratek stik pozitivnih in negativnih elektrod ter ustvarjanje velike količine toplote. Hkrati se bo ustvarila velika količina plina, kar bo povzročilo pojav toplotnega uhajanja, kot sta izbočenje in zlom baterije. V okoljih z nizko temperaturo se lahko litijevi dendriti pojavijo na negativni elektrodi baterije in celo predrejo film SEI, kar vpliva na varnost baterije.
Na splošno velja, da je optimalno delovno temperaturno območje za litijeve baterije 10-35 ℃.
Temperaturno območje delovanja litijeve baterije
Vpliv temperature na baterijski sistem se odraža v konsistenci baterijskih celic. Med delovanjem baterije bodo razlike v stanju napolnjenosti in praznjenja vsake celice baterije, razlike v notranjem uporu, tokovnih nihanjih in drugi dejavniki povzročili razlike v stanju staranja posamezne baterije po več ciklih, kar posledično povzroči razlike v zmogljivosti med posameznimi baterijami. baterije. Študije so pokazale, da temperaturni gradient med moduli zmanjšuje zmogljivost in življenjsko dobo celotnega paketa baterij, zato je treba vzdrževati enakomerno temperaturo med vsako posamezno baterijo v paketu baterij. Da bi ohranili konsistenco posamezne baterije v bateriji, temperaturna razlika med baterijskimi celicami ne sme presegati 5 °C.
Porazdelitev temperature paketa baterij v zračno hlajenem sistemu pri stopnji praznjenja 1.5 C
Obstajajo štiri rešitve za upravljanje toplote za sisteme za shranjevanje energije: zračno hlajenje, tekočinsko hlajenje, hlajenje s toplotnimi cevmi in hlajenje s faznim menjavanjem. Trenutno sta samo zračno hlajenje in hlajenje s tekočino vstopila v velike aplikacije, medtem ko sta hlajenje s toplotnimi cevmi in hlajenje s faznim menjavanjem še vedno v laboratorijski fazi.
(1) Zračno hlajenje: Zrak se uporablja kot medij, z značilnostmi preproste strukture in enostavnega vzdrževanja. Vendar ima zrak nizko specifično toplotno kapaciteto in nizko toplotno prevodnost, kar je primerno za scenarije z nizkimi zahtevami glede učinkovitosti hlajenja.
(2) Tekoče hlajenje: Tekočina se uporablja kot hladilni medij. Običajno uporabljeni tekoči hladilni mediji vključujejo vodo, vodno raztopino etilenglikola, čisti etilenglikol, hladilno sredstvo za klimatsko napravo in silikonsko olje. Hladilni medij ima visok koeficient toplotnega prenosa, veliko specifično toplotno kapaciteto, hitro hlajenje, dober hladilni učinek in kompaktno strukturo.
(3) Hlajenje toplotne cevi: Učinkovit element za izmenjavo toplote, ki se opira na fazno spremembo delovne tekočine v zaprti lupini in cevi za doseganje izmenjave toplote. Prednosti toplotnih cevi so visoka toplotna prevodnost, izotermnost, reverzibilna smer toplotnega toka, spremenljiva gostota toplotnega toka in stalna temperatura.
(4) Hlajenje s spremembo faze: Toplota se absorbira z uporabo fazno spremenjenih materialov. Izbira materialov z veliko specifično toplotno kapaciteto in visokim koeficientom toplotnega prehoda bo dosegla dober hladilni učinek. Vendar materiali s fazno spremembo sami po sebi nimajo sposobnosti odvajanja toplote in jih je treba kombinirati z drugimi metodami odvajanja toplote.
Rešitve toplotnega upravljanja za shranjevanje energije
Značilnosti tipičnih tehnologij toplotnega upravljanja za shranjevanje energije
| Postavka | Zračno hlajenje | Tekoče hlajenje | Hlajenje toplotne cevi | Hlajenje s spremembo faze | |
| Pasivna | Aktivno | Zračno hlajenje hladnega konca | Tekočinsko hlajenje hladnega konca | Fazno spremenljivi material + toplotno prevodni material | |
| Učinkovitost hlajenja | srednje | Višje | Višje | visoka | visoka |
| Hitrost hlajenja | srednje | visoka | visoka | visoka | Višje |
| Padec temperature | srednje | Višje | Višje | visoka | visoka |
| Temperaturna razlika | Višje | nizka | nizka | nizka | nizka |
| kompleksnost | srednje | srednje | srednje | Višje | srednje |
| Življenska doba | Long | Long | Long | Long | Long |
| Strošek | nizka | Višje | Višje | visoka | Višje |
Tekoče hlajenje rešitve so se postopoma razvile v glavno rešitev v scenarijih postopnega shranjevanja energije.
S strani ponudbe ima rešitev za hlajenje s tekočino prednosti visoke tehnične zrelosti, dobrega hladilnega učinka in pozitivnega vpliva na delovanje sistema.
(1) Varnost: Raztopina za tekoče hlajenje ima visoko učinkovitost odvajanja toplote in visoko raven zaščite. Lahko se spoprime s kompleksnejšimi delovnimi okolji, zmanjša možnost toplotnega uhajanja in izboljša varnost delovanja sistema. Podatki kažejo, da je zmogljivost odvajanja toplote tekočine 3,000-krat večja od enake prostornine zraka, toplotna prevodnost pa 25-krat večja kot pri zraku. Poleg tega ima tekočinski hladilni sistem višjo stopnjo zaščite in se lahko spopade s težjimi delovnimi okolji.
(2) Ekonomska učinkovitost: Za doseganje enakega nadzornega učinka ima rešitev za hlajenje s tekočino manjšo porabo energije, kar lahko zmanjša operativne naložbe in izboljša ekonomičnost celotnega življenjskega cikla. Da bi dosegli enako povprečno temperaturo baterije, zračno hlajenje zahteva 2-3-krat večjo porabo energije kot hlajenje s tekočino. Pri enaki porabi energije je najvišja temperatura baterijskega paketa 3-5 stopinj Celzija višja pri zračnem hlajenju kot pri tekočinskem hlajenju. Sistem za hlajenje s tekočino lahko prihrani energijo do približno 50 % v primerjavi s sistemom za hlajenje z zrakom.
(3) Visoka integracija: Zaradi boljšega hladilnega učinka tekoče hladilne raztopine je integracija sistema za shranjevanje energije v posodi večja. Če za primer vzamemo tekočinsko hlajen sistem za shranjevanje energije SmartPropel Energy, je zmogljivost tradicionalnega zračno hlajenega 40-čeveljskega kontejnerja 3.44 MWh, medtem ko lahko zmogljivost tekočinsko hlajene rešitve za isti 40-čeveljski kontejner doseže 6.88 MWh . Pri elektrarnah za shranjevanje energije enake zmogljivosti uporaba tekočinsko hlajenega akumulatorskega sistema prihrani več kot 40 % površine.
S strani povpraševanja ima razvojna smer sistemov za shranjevanje energije z večjo zmogljivostjo in več scenariji vedno višje zahteve za toplotno upravljanje, zmogljivost rešitev za hlajenje s tekočino pa je bolj združljiva s tem.
(1) Obseg elektrarn za shranjevanje energije postaja vedno večji. Ker se delež nove energije v elektroenergetskem sistemu povečuje, postaja povpraševanje po virih za zmanjšanje konic, kot je shranjevanje energije, vse bolj pomembno, dispečirska zmogljivost elektrarn za shranjevanje energije z veliko zmogljivostjo pa je boljša kot pri elektrarnah z majhno zmogljivostjo. . Zato velike elektrarne za shranjevanje energije kažejo trend velike zmogljivosti. Trenutno obseg projektov neodvisnega shranjevanja energije hitro presega 100 MWh in se pomika proti GWh.
Leta 2023 bodo začele obratovati štiri elektrarne moči 200MW/400MWh. Od septembra 2023 je že 30 projektov za shranjevanje energije v obsegu več kot 500 MWh, ki so bili načrtovani in zagnani, v skupnem obsegu 12.2 GW/33 GWh. Elektrarne velike zmogljivosti običajno uporabljajo baterijske celice velike zmogljivosti. Ko se velikost in zmogljivost baterijskih celic povečata, se učinkovitost odvajanja toplote samih baterijskih celic poslabša, zato bodo zahteve glede zmogljivosti toplotnega upravljanja sistema vedno višje.
(2) Scenariji uporabe elektrarn za shranjevanje energije so bolj raznoliki. Glede na zahteve različnih dolžin shranjevanja energije lahko scenarije uporabe shranjevanja energije razdelimo v štiri kategorije: tip zmogljivosti (≥4 ure), tip energije (približno 1~2 uri), tip napajanja (≤30 minut) in rezervni vrsto (≥15 minut). V scenarijih vrste zmogljivosti in vrste energije se shranjevanje energije uporablja za funkcije, kot so zmanjšanje konic in polnjenje v dolini, shranjevanje energije zunaj omrežja in varnostno kopiranje v sili, kar kaže trend velike zmogljivosti. Proizvodnja toplote posameznega projekta se poveča, zahteve za toplotno upravljanje pa se povečajo. V scenariju tipa napajanja mora sistem za shranjevanje energije takoj absorbirati ali sprostiti energijo in zagotoviti hitro podporo za napajanje. Hitro polnjenje in praznjenje zahteva višjo regulacijo temperature baterije, pri čemer je poudarjen pomen toplotnega upravljanja.
2. Tekočinsko hlajenje za shranjevanje energije: stopnja prodora naj bi leta 45 dosegla približno 2025 %
Domači glavni proizvajalci so lansirali rešitve za tekoče hlajenje, kar dokazuje priljubljenost tekočega hlajenja. Med obstoječimi projekti shranjevanja energije predstavljajo rešitve zračnega hlajenja večji delež, predvsem zato, ker je zračno hlajenje preprosto zasnovano in poceni. Ko pa se obseg in gostota energije sistemov za shranjevanje energije povečujeta, postajajo prednosti tehnologije tekočega hlajenja bolj izrazite.
Trenutno podjetja, kot so CATL, BYD, Envision Group, SUNGROW, HyperStrong, Zhengtai New Energy in SmartPropel Energy so lansirali izdelke za tekoče hlajenje.
| Izdelki za tekoče hlajenje, ki so jih lansirala različna podjetja | ||
| Podjetje | Model izdelka | Na voljo |
| CATL | EnerOne | 2020 |
| BYD | BYD kocka | 2020.8 |
| Energija SVOLT | JU-Integrirani tekočinsko hlajeni sistem za shranjevanje energije | 2021.4 |
| HyperStrong | HyperStrong | 2021.4 |
| Clou Electronics | E30 | 2021.5 |
| Skupina Chint | TELOGY 1500V Tekočinsko hlajen sistem za shranjevanje energije | 2021.6 |
| Skupina Envision | Pametni izdelki za shranjevanje energije s tekočinskim hlajenjem | 2021.1 |
| Tehnologija Kehua | Kehua S3 Tekočinsko hlajen sistem za shranjevanje energije | 2022.5 |
| Sungrow | PowerTitanlPowerStack | 2022.5 |
| SmartPropel Energy | 372KWh+200KW sistem za shranjevanje energije s tekočinskim hlajenjem | 2023.9 |
| Clou Electronics | Izdelki za tekoče hlajenje serije Aqua | 2023.4 |
| Zhongtian tehnologija | MUSE1.0 | 2022.6 |
| JD Energija | Vgrajena porazdeljena modularna omara za shranjevanje energije s tekočinskim hlajenjem | 2022.9 |
| Narada Power Sour | Sistem za shranjevanje energije s tekočinskim hlajenjem CenterL | 2022.9 |
Osnovne komponente sistema za hlajenje s tekočino za shranjevanje energije vključujejo: ploščo za hlajenje s tekočino, enoto za hlajenje s tekočino (izbirni grelnik), cevovod za hlajenje s tekočino (vključno s temperaturnim senzorjem, ventilom), visoko in nizkonapetostni kabelski snop; hladilna tekočina (vodna raztopina etilen glikola) itd. Glede na način stika med hladilno tekočino in baterijo obstajata dve shemi: ena je neposreden stik, baterijska celica ali modul je potopljen v tekočino (kot je električno izolacijsko silikonsko olje), omogočanje tekočini, da neposredno ohladi baterijo; drugi je nastavitev hladilnega kanala ali hladne plošče med baterijama, kar omogoča, da tekočina posredno hladi baterijo.
Tekočinski hladilni sistem za shranjevanje energije je varen, učinkovit in prilagodljiv. Vzemi SmartPropel Energy »372KWh+200KW sistem za shranjevanje energije s tekočinskim hlajenjem« kot primer:
(1) Varnost: sistem ima zaščito IP55 + protikondenzacijsko + strukturno potresno + šestdimenzionalno mejno zasnovo. Vsako pakiranje ima vgrajeno perfluoroheksanonsko fleksibilno cev + zaznavanje požarne povratne informacije. Sistemska raven sprejme koncept zasnove tristopenjske protieksplozijsko zaščitene + tristopenjske požarne zaščite za doseganje trojnega nadzora in zaščite izolacije.
(2) Učinkovitost: Krmilniki na ravni gruče se uporabljajo v sistemih za shranjevanje energije s tekočim hlajenjem. Z inteligentnim nadzorom toka s strani upravljalnika na ravni gruče se doseže aktivno uravnoteženje, inteligentno preklapljanje in odziv na alarm na ravni milisekunde enot baterijske gruče. Eksperimenti so pokazali, da se pod izravnalnim učinkom krmilnika na ravni gruče zmogljivost polnjenja in praznjenja celotnega življenjskega cikla poveča za več kot 6 %. Hkrati je pod preklopno funkcijo krmilnika na ravni gruče dosežen inteligenten nadzor uravnoteženja baterijskega grozda, letna razpoložljivost sistema pa je >99 %. V kombinaciji z inteligentnim nadzorom temperature in tehnologijo uravnoteženega nadzora, patentirano zasnovo paketa za hlajenje s tekočino "Tongcheng", sistemskim odvajanjem toplote "dvojno cirkulacijo" in večnivojsko porazdelitvijo cevi za hlajenje s tekočino je temperaturna razlika znotraj sistema posode dosledna. in ne presega 5°C, temperaturna razlika med katerim koli pakiranjem pa ne presega 3°C. V skladu s tehnologijo inteligentnega nadzora temperature in uravnotežene regulacije je verjetnost toplotnega uhajanja učinkovito zatrta, življenjska doba sistema pa se poveča za 13 %.
(3) Prilagodljivost: Gostota moči sistema za shranjevanje energije tekočega hlajenja se poveča za 100 %, zmogljivost 40 čevljev pa lahko doseže 372 Kwh. Če za primer vzamemo postavitev sistema za shranjevanje energije z 200KW/372KWh, uporaba sistema baterij za hlajenje s tekočino prihrani več kot 40 % talne površine. Uporaba montažne modularne zasnove zniža začetne investicijske stroške za več kot 2 %.
Če primerjamo rešitve za zračno in tekoče hlajenje, je strošek opreme za nadzor temperature za tekoče hlajenje 0.09 RMB/wh, za zračno hlajenje pa 0.025 RMB/wh. Skupni stroški tekočinskega hlajenja naj bi se zmanjšali.
(1) Zračno hlajenje: tradicionalni 40-metrski zabojnik za shranjevanje energije s kapaciteto 3.5 MWh običajno uporablja štiri klimatske sisteme z močjo 12.5 kW. Cena enega samega klimatskega sistema je približno 22,000 RMB, cena nadzora temperature kontejnerskega sistema pa je izračunana na 88,000 RMB, kar ustreza ceni na enoto 0.025 RMB/wh in vrednosti 25 milijonov RMB na GWh.
(2) Tekočinsko hlajenje: 40-čeveljski kontejner s kapaciteto 5–6 MWh zahteva dva 40kw tekočinska hladilna sistema. Cena posameznega sistema je približno 270,000 RMB, cena nadzora temperature posode pa 540,000 RMB, kar ustreza ceni na enoto 0.09 RMB/wh in vrednosti 90 milijonov RMB na GWh. Vendar ob upoštevanju visoke gostote integracije sistema za hlajenje s tekočino enaka zmogljivost zavzema manjšo površino zemljišča, stroški civilne gradnje so nižji, enaka zmogljivost uporablja manj pomožnih materialov, kot so priključki, in skupni stroški sistema so nižji.
Po ocenah GGII bo vrednost industrije nadzora temperature za shranjevanje energije leta 2.4 okoli 2021 milijarde RMB (vključno s čezmorskim izvozom), leta 16.5 pa naj bi dosegla skoraj 2025 milijarde RMB. Med njimi bo trg tekočega hlajenja predstavljal približno 45 % leta 2025.
Dobavitelji rešitev za nadzor temperature hladilne tekočine za shranjevanje energije večinoma prihajajo iz proizvajalcev nadzora temperature podatkovnih centrov, industrijskega nadzora temperature in avtomobilskega nadzora temperature. Ključ do konkurence je v sposobnosti oblikovanja nestandardnih izdelkov, saj imajo različni integratorji za shranjevanje energije različne rešitve za oblikovanje izdelkov. Nadzor temperature tekočinskega hlajenja je treba razviti skupaj s postavitvijo baterijskega paketa, zasnovo cevovoda za tekočinsko hlajenje itd. in integrirati z baterijami, zato je potrebna zelo prilagojena zasnova.
| Glavni dobavitelj nadzora temperature hladilne tekočine za shranjevanje energije | ||
| Izvirna industrija | Podjetje | Glavne stranke |
| Nadzor temperature podatkovnega centra | Envicool | CATL, BYD, Narada Power Sour, Clou Electronics, SmartPropel Energy, Sungrow, HyperStrong in sorodni mainstream sistemski integratorji in proizvajalci baterij v tujini. |
| henling Envirn | Državno omrežje itd. | |
| Industrijski nadzor temperature | Sanhe Tongfei | Podjetje je leta 2020 začelo uvajati posel nadzora temperature za shranjevanje energije in razširilo stranke, kot so Sungrow, Clou Electronics, Narada Power Sour, Trina Solar itd. |
| Goaland Energy | Glavni kupci so proizvajalci integriranih vsebnikov za porazdeljene baterije in proizvajalci baterij, trenutno pa sodeluje s CATL in drugimi. | |
| Avtomobilsko toplotno upravljanje | Jialeng Songzhi | CATL, SmartPropel Energy itd. |
| Jiangsu Kingfield | Hčerinska družba Air Conditioning International Energy Storage povezane izdelke je leta 2020 začela dobavljati CATL itd. | |
Energetsko podjetje SmartPropel
SmartPropel Energy še naprej vlaga v raziskave in razvoj tehnologije termičnega upravljanja baterij za shranjevanje energije. Trenutno ima tehnične rezerve in rešitve za tekoče hladilne izdelke z eno omaro za shranjevanje energije na osnovi litijevih baterij, sisteme za tekoče hlajenje velikih elektrarn za shranjevanje energije in montažne tekoče hladilne izdelke za shranjevanje energije v kabini. Podjetje ima vse zmogljivosti za razvoj sistemov za hlajenje s tekočino, od enodimenzionalne in tridimenzionalne simulacijske zasnove do razvoja ene plošče, in na koncu lahko zagotovi rešitve sistema za hlajenje s tekočino na enem mestu.
