우리는 공랭식-및 액체{1}}냉각식 BESS를 모두 구축합니다. 즉, 각 접근 방식이 적합한 경우와 그렇지 않은 경우에 대해 명확한 의견을 가질 수 있을 만큼 충분한 시운전 전화, 보증 논의 및 열 모델링 검토를 거쳤음을 의미합니다. 이 기사에서는 우리가 배운 내용, 게시된 데이터가 뒷받침하는 내용, 냉각 결정이 일반적으로 잘못되는 부분을 설명합니다.
배터리 에너지 저장 시스템에 대해 선택하는 냉각 방법은 배터리 지속 시간, 배터리 사이클 강도, 시스템이 더운 날씨에도 정격 용량을 유지하는지 여부에 영향을 미칩니다. 공기 냉각은 더 작고 부드럽게 순환되는 시스템에 적합합니다. 액체 냉각은 대부분의 상업용 및 유틸리티{2}} 규모의 프로젝트가 진행되는 곳입니다. 둘 사이의 격차는 작지 않다.
대부분의 구매자가 인식하는 것보다 냉각이 더 중요한 이유
리튬-이온 배터리는 열을 좋아하지 않습니다. 이는 논란의 여지가 없습니다. - 모든 셀 제조업체는 일반적으로 15도에서 35도 사이, 화학 및 사이클링 프로필에 따라 최대 40도까지 권장 작동 범위를 게시합니다. NREL의 스토리지 미래 연구 및 연간 기술 기준선은 둘 다 셀을 적당하고 안정적인 온도 범위 내로 유지하는 것이 사양 시트에 인쇄된 주기 수명을 달성하는 데 가장 중요한 요소 중 하나임을 강조합니다.
덜 분명한 것은 해당 범위를 벗어나면 페널티가 얼마나 가파르게 누적되는지입니다. 널리 인용되는 Pfannenberg의 NREL-참조 분석에서는 대략적인 수치를 제시합니다. 30도에서 지속적인 작동은 20도에 비해 수명이 약 20% 단축될 수 있습니다. 40도에서는 손실이 40%에 가까워집니다. 45도에서는 사용 수명이 절반으로 줄어들 수 있습니다. 이러한 백분율은 셀 화학, 팩 설계 및 시스템 순환 -에 따라 달라지지만 방향은 변하지 않습니다. 열로 인해 배터리가 노화됩니다. 더 많은 열이 더 빨리 노화됩니다.
이제 피닉스나 리야드의 콘크리트 패드 위에 놓인 20-피트 강철 컨테이너를 상상해 보세요. 그늘도 없고 온도 조절도 안 됩니다. 여름 오후 실내 기온은 50도를 넘을 수 있습니다. 이는 가설이 아닙니다. 이는 활성 열 관리가 없는 모든 실외 BESS의 기본 조건입니다. 따라서 문제는 시스템에 냉각이 필요한지 여부가 아니라 어떤 종류의 냉각이 필요한지입니다.
추운 날씨는 소수의 구매자가 생각하는 다른 문제를 가져옵니다. 0도 미만에서는 리튬{2}}이온 셀이 충전에 저항합니다. 차가운 셀에 전류를 흐르게 하면 양극에 리튬 도금 - 금속 침전물이 형성되어 용량이 영구적으로 감소하고 내부 단락 위험이 증가-됩니다. NREL은 특정 성능 저하 메커니즘으로 저온-충전을 표시했습니다. 귀하의 현장에서 혹독한 겨울을 맞이한다면 열 관리 시스템에는 냉각뿐만 아니라 난방 기능도 필요합니다.
종종 간과되는 또 하나의 사실은 배터리 팩 내의 온도 균일성이 거의 절대 온도만큼 중요하다는 것입니다. 랙에서 가장 뜨거운 셀과 가장 차가운 셀이 5도 이상 차이가 나면 해당 셀은 서로 다른 속도로 노화되고, 서로 다른 속도로 충전되며, 서로 다른 시간에 전압 한계에 도달합니다. 가장 약한 셀이 전체 문자열의 상한선을 설정합니다. 수천 개의 셀이 포함된 다중{4}}MWh 컨테이너형 시스템에서 고르지 못한 열 분포로 인해 비용을 지불했지만 안전하게 액세스할 수 없는 용량이 발생하게 됩니다.
위에 참조된 출처: NREL Storage Futures Study 및 연간 기술 기준(온도 지침, 성능 저하 모델링); UL 9540(ESS 장비 안전 표준); UL 9540A(열폭주 화재 전파 테스트 방법, NFPA 855 참조); LFP 및 NMC 화학 전반에 걸쳐 노화 연구를 발표했습니다.
공기 냉각 - 작동하는 곳과 그렇지 않은 곳
공기 냉각은 팬을 사용하여 주변 공기 또는 조절된 공기를 배터리 모듈 전체로 이동시킵니다. 간단하고 저렴하며 파손될 일이 적습니다. 우리는 그것을 우리의야외 캐비닛 BESS바로 이러한 이유 때문에 - 하루에 한 번 적당한 속도로 순환하는 60~120kWh 상업용 캐비닛에서 공기 냉각은 액체 루프의 복잡한 배관 없이도 열 부하를 억제합니다.
정직한 한계: 공기는 열을 잘 전달하지 않습니다. 고밀도 컨테이너형 형식에서는 에너지 밀도를 저하시키는 공기 흐름을 유지하기 위해 배터리 랙 사이에 넓은 공기 채널이 필요합니다. 공기 흐름 설계가 양호하더라도 셀-대-셀 온도는 5~8도 범위로 확산되는 것이 일반적입니다. 이러한 확산은 고르지 못한 노화를 유발하고 더운 기후나 공격적인 사이클링 -에서 가장 열심히 작업하기 위해 냉각이 필요한 조건에서 더욱 악화됩니다.
우리는 고객에게 비용상의 이유로 공랭식 사양을 적용한 후 여름철 성수기 면도 기간 동안 열 조절을 경험했습니다-. BMS는 핫 셀을 감지하고 방전 전력을 끌어와 이를 보호하며, 시스템은 일년 중 가장 더운 날에 정격 출력보다 낮은 출력을 제공합니다. 그것은 결함이 아닙니다. - BMS가 제 역할을 하고 있는 것입니다. 그러나 귀하의 비즈니스 사례가 최대-일 성능에 달려 있는 경우 뜨거운 실외 설치의 공랭식은 불일치합니다.
주거용 시스템, 약 500kWh 미만의 소규모 상업용 설치 및 온도 조절이 가능한 환경에서 온도가 조절되고 순환이 완만하게 이루어지는 모든 시스템의 경우 공랭식을 사용하는 것이 적합합니다. 그 외에도 우리는 고객을 액체 쪽으로 유도합니다.
액체 냉각 - 대부분의 상업용 프로젝트가 여기서 끝나는 이유
액체 냉각은 배터리 셀에 밀착된 금속판을 통해 수-글리콜 냉각수를 순환시킵니다. 냉각수는 열을 흡수하여 외부 냉각기로 운반한 다음 다시 차가워집니다. 더 비싸고 - 공기 냉각에 비해 비용 프리미엄은 시스템 크기 및 열 아키텍처에 따라 15~25% 범위에 있으며 - 유지 관리가 필요한 배관, 펌프 및 냉각기가 추가됩니다.
그렇다면 왜 대부분의 C&I 및 유틸리티{0}}규모 프로젝트에서 이를 선택할까요?
물리학적 격차가 크기 때문입니다. 물-글리콜은 공기보다 열용량과 열전도율이 극적으로 높기 때문에 액체{2}}냉각 시스템은 셀-간-온도 변화를 2~3도 내에서 유지할 수 있습니다. 이러한 균일성은 보다 균일한 셀 노화, 시스템 보증 기간 동안 보다 일관적인 사용 가능 용량, 셀이 갈라지기 시작할 때 5년차에 발생할 수 있는 문제의 감소로 직접적으로 이어집니다.
밀도는 또 다른 요소입니다. 랙 사이에 넓은 공기 채널이 없으면 동일한 컨테이너에 더 많은 저장 공간을 담을 수 있습니다. 일부 수냉식-20-피트 컨테이너는 이제 동일한 공간에서 일반적인 공냉식 구성보다 훨씬 더 많은 5MWh-를 초과합니다. 토지 비용이나 허가 제약으로 인해 물리적 크기가 제한되는 프로젝트의 경우 밀도 이점이 중요합니다.
수익에 대한 논쟁도 있습니다. 과열 없이 적극적으로 순환할 수 있는 시스템은 하루에 여러 주기가 필요한 더 높은-유료 그리드 서비스 - 주파수 조절, 수요 반응, 차익거래 전략을 사용할 수 있습니다. 액체 냉각이 제공하는 추가 사이클링 헤드룸은 연간 수익을 의미 있게 향상시킬 수 있지만 정확한 향상은 시장, 배송 전략 및 요율 구조에 따라 다릅니다.
차이점을 명확하게 보여주는 프로젝트 중 하나:호주에 배치한 2MWh 컨테이너형 ESS. 이 시스템은 액체 냉각을 사용하여 뜨거운 실외 환경({1}})에서 LFP 셀 전체의 열 부하를 관리합니다. 이는 정확히 공기 냉각으로 인해 BMS가 여름에 정기적으로 조절되는 장소와 같습니다. 액체 루프가 셀-간-균일성을 긴밀하게 유지하므로 시스템은 유사한 기후에서 사양이 부족한 열 설계를 괴롭히는 용량 감소 없이 피크 감소 및 재생 가능 통합을 위해 매일 순환합니다. 브로셔에 넣기는 어렵지만 12개월 간의 성과 데이터에서는 쉽게 확인할 수 있는 종류의 결과입니다.
500kWh를 초과하는 시스템, 하루에 한 번 이상 자전거를 타거나 더운 기후에 야외에 앉아 있는 경우 시작 구성으로 액체 냉각을 권장합니다. 선불 프리미엄은 실제적이지만 조기 배터리 교체 비용이나 열 조절로 인한 수익 손실에 비해 작습니다.
침수 냉각 - 관찰할 가치가 있지만 아직 표준은 아님
침지 냉각은 전지를 비전도성 유전체 유체에 완전히 담그는- 것입니다. 모든 표면은 냉각수와 직접 접촉합니다. - 플레이트, 열 인터페이스 재료, 에어 갭이 없습니다. 셀-간-셀 온도 변화는 거의 0으로 떨어지며 유체 자체가 방화벽 역할을 합니다.
일부 공급업체 테스트에서는 침수형-냉각식 배터리가 판형 냉각식 배터리보다 훨씬 더 오래 지속될 수 있지만-그리드 규모의 독립 현장 데이터는 여전히 부족하다고 제안합니다. 이 기술은 데이터 센터 백업 전력 및 극심한{3}}열 배포에 주목받고 있습니다. 비용은 감소하는 추세이지만 2026년 초 현재 침수 냉각은 여전히 고정식 저장소의 틈새 옵션입니다. - 우리가 주목하고 있는 사항이지만 아직 기본값으로 권장하는 것은 아닙니다.
예산 문제에 대한 솔직한 답변
우리는 거의 모든 상업 프로젝트의 냉각 비용-혜택에 대해 질문을 받습니다. 프레임을 구성하는 방법은 다음과 같습니다.
매일 1MWh LFP 시스템 사이클링을 수행하십시오. 25도에 가까운 액체 냉각 셀을 사용하면 해당 시스템은 보증 기간 동안 6,000~8,000사이클을 제공할 수 있습니다. - 정확한 숫자는 방전 깊이와 사이클링 프로필에 따라 다릅니다. 냉각 사양이 부족하여 동일한 시스템이 35도에서 일관되게 실행되면 주기 수명이 4,000 이하로 줄어들 수 있으며 보증 성능 저하가 발생합니다.{12}} 현재 LFP 셀 비용으로 보면 두 결과 사이의 교체 격차가 처음에 액체 냉각을 지정하는 비용을 쉽게 초과합니다.
자금 조달도 그 일부입니다. 대출 기관과 보험 회사는 프로젝트를 평가할 때 안전 문서를 자세히 살펴봅니다. UL 9540 - ESS 장비 안전 표준 - 및 UL 9540A - NFPA에서 명시적으로 참조하는 열 폭주 화재 전파 평가용 테스트 방법 855 - 둘 다 시스템이 열 스트레스를 처리하는 방법을 조사합니다. 다음을 지원하는 잘 설계된-열 관리 백본을 갖춘 시스템입니다.전체 UL 인증더 나은 보험 조건과 더 빠른 허가를 받는 경향이 있습니다. 이는 소프트한 이점이 아닙니다. - 프로젝트 일정과 자본 비용입니다.
고객의 결정을 돕는 방법
고객이 프로젝트 설계 초기에 우리에게 오면 열 구성을 권장하기 전에 다섯 가지 변수를 살펴봅니다.
- 시스템 크기:500kWh 미만에서는 일반적으로 공기 냉각이 부하를 처리합니다. 1MWh 이상에서는 액체 냉각이 실제 기본값입니다.
- 사이클링 프로필:0.25C에서 하루에 한 번의 온화한 주기? 공기는 괜찮습니다. 그리드 서비스를 위한 다중 일일 주기 또는 빠른 방전? 액체.
- 현장 기후:실내 또는 온화한 실외? 공기가 작동할 수 있습니다. 사막, 열대 또는 극한-저온 배치? 가열 루프가 통합된 액체.
- 수익 모델:단순 피크 쉐이빙? 공기이면 충분할 수 있습니다. 주파수 규제와 차익거래로 수익이 쌓이나요? 시스템에는 액체 냉각이 제공하는 사이클링 헤드룸이 필요합니다.
- 설치 공간 제약:꽉 막힌 사이트? 액체 냉각의 밀도 이점은 동일한 용량에 대해 더 적은 수의 컨테이너를 의미합니다.
BESS 구성과 열 관리를 비교하는 것이 결정의 일부라면 다음 기사를 참조하세요.실제-BESS 성능 요소BMS 품질, 통합 테스트 및 열 관리가 보증 조건과 상호 작용하는 방식을 포함하여 더 넓은 그림-을 다룹니다.
공기 대 액체 대 침수 - 빠른 참조
| 공기 냉각 | 액체 냉각 | 침수 냉각 | |
|---|---|---|---|
| 시스템 크기 | 5kWh – 500kWh | 500kWh – 멀티-MWh | 전문 분야/파일럿{0}}규모 |
| 사이클링 강도 | 1일 1회, 보통 C-요율 | 여러 주기/일, 높은 C-비율 | 높은 C-비율, 지속적인 근무 |
| 셀-간-균일성 | 5~8도(디자인-에 따라 다름) | 보통 2~3도 | 0에 가까운- |
| 기후 적합성 | 온대, 실내, 온화한 실외 | 모든 기후(가열 루프 포함) | 폭염, 고밀도-밀도 현장 |
| 상대 비용 | 최저 | 적당한 프리미엄 | 최고(감소) |
| 다음에 가장 적합 | 주거용, 소형 C&I, 백업 | C&I, 유틸리티-규모, 그리드 서비스 | 데이터 센터, 극한 환경 |
열 관리의 변화
제품 개발 측면에서 우리가 주목하고 있는 몇 가지 사항이 있습니다.
일부 BESS 공급업체는 AI{0}}기반 열 최적화를 에너지 관리 소프트웨어에 통합하고 있으며- 일기 예보와 파견 일정을 사용하여 온도가 급등한 후 반응하는 대신 격렬한 사이클링 전에 배터리를 미리 냉각시킵니다.- 잘 배치된 경우 운영자는 보조 전력 소비를 낮추고 열 제어를 더욱 엄격하게 한다고 보고합니다. 우리는 이러한 현상을 주로 더 큰 규모의 소프트웨어-포워드 통합업체에서 보고 있습니다. 아직 중간-시장 시스템으로 필터링되지 않았습니다.
상변화 물질은 하이브리드 냉각 아키텍처의 수동 열 완충 장치로 연구되고 있습니다. 열에너지 저장에 대한 IRENA의 혁신 전망에서는 향상된 PCM이 더 나은 효율성을 향한 잠재적인 경로임을 확인했습니다. 하지만 고정식 BESS에서의 상업적 사용은 여전히 제한되어 있습니다. 일시적인 스파이크 -를 부드럽게 하기 위해 녹을 때 열을 흡수하는 재료를 사용하는 아이디어 -는 타당합니다. 컨테이너화된 형식으로 안정적으로 확장하는 것이 남은 엔지니어링 과제입니다.
셀 하드웨어 측면에서 더 큰{0}}포맷 셀(2022~2024년을 지배했던 280Ah 셀에서 314Ah 형식을 거쳐 700+Ah 형식으로)로의 전환은 열 관리에 영향을 미칩니다. 시스템당 셀 수가 적다는 것은 온도 구배가 형성되는 셀-대-접합부가 적다는 것을 의미합니다. 이것이 공기-대-액체 미적분학을 바꿀 만큼 냉각을 단순화하는지 여부는 팩 아키텍처에 따라 다르지만 - 올바른 방향으로 움직이고 있습니다.
화학적인 측면에 관심이 있다면,고전압 배터리 화학 성능열 응력 - 하에서 LFP와 NMC가 어떻게 다르게 작동하는지, 그리고 이것이 시스템 설계에 어떤 의미인지 자세히 알아보세요.
구매자로부터 받는 일반적인 질문
내 시설에 실제로 액체 냉각이 필요한가요, 아니면 과잉 판매인가요?
시스템이 얼마나 열심히 작동하는지에 따라 다릅니다. 에어컨이 설치된 다용도실에 200kWh 백업 시스템을 설치하고-한 달에 몇 번씩 순환하는 경우 액체 냉각은 과잉입니다. - 공기 냉각은 이 문제를 잘 처리합니다. 일일 피크 절감과 수요 대응을 위해 실외에 1MWh 시스템을 설치하는 경우 액체 냉각이 과도하게 판매되지는 않습니다. 이는 피할 수 있는 저하로부터 6{7}}자리 투자를 보호합니다. 이 문제로 인해 발생하는 비용은 일반적으로 3~5년차에 나타납니다. 이때 더운 기후의 공랭식 시스템은 예상되는 재무 모델보다 더 빠르게 용량을 잃기 시작합니다.-
LFP와 NMC의 경우는 어떻습니까? - 화학적 성질이 냉각 요구 사항을 변경합니까?
LFP는 열 안전 마진이 더 넓습니다. 열 분해점은 NMC의 경우 210도인 데 비해 약 270도이므로 LFP는 짧은 온도 변동을 더 잘 견딜 수 있습니다. 그러나 두 화학 모두 최적의 작동 범위를 벗어나면 더 빨리 분해됩니다. LFP의 안전 이점은 냉각 실패로 인한 결과가 냉각을 건너뛸 수 있다는 것이 아니라 덜 치명적인 결과임을 의미합니다.- 화학 선택은 열 관리의 기본 요구 사항이 아니라 크기 조정 및 안전 마진에 영향을 미칩니다.
공냉식으로 시작했다가 나중에 업그레이드할 수 있나요?
기술적으로는 그렇습니다. 실제로는 어렵습니다. 공랭식 컨테이너에 액체 냉각 장치를 추가한다는 것은-랙 레이아웃을 재설계하고, 배관을 추가하고, 냉각기를 설치하고, BMS를 재보정하는 것을 의미합니다. 대부분의 경우 비용과 가동 중지 시간은 처음부터 액체 냉각을 지정하는 데 소요된 비용을 초과합니다. 사이클링 프로필이나 수익 전략이 시스템 수명 동안 강화될 가능성이 있는 경우 시작 조건이 아닌 최종 게임을 위한 열 시스템을 지정하십시오. 우리의BESS 비용 분석기사에서는 이에 대한 예산을 올바르게 책정하는 방법을 설명합니다.