열 관리실외 캐비닛-형 배터리 에너지 저장 시스템교과서 이론과 현장 현실 사이의 격차가 전체 프로젝트 예산을 삼킬 만큼 넓어지는 엔지니어링 분야 중 하나를 나타냅니다. 인산철리튬 셀의 전기화학적 거동은-이제 고정식 저장 응용 분야에서 지배적인 화학-이며 대부분의 조달 팀이 기본 설계 제약 조건이 아닌 각주로 처리하는 온도 의존성에 따라 결정됩니다. 7월에 Phoenix에서 215kWh 캐비닛을 시운전할 때까지 15도에서 35도까지의 작동 범위는 서류상으로 넉넉한 것으로 들립니다. 누군가가 HVAC를 2kW만큼 축소했기 때문에 BMS가 빛나는 새 자산을 40% 용량으로 조절하는 것을 지켜봅니다.
아무도 논의하고 싶어하지 않는 온도 문제
업계가 과장하고 있는 불편한 진실은 다음과 같습니다. LFP 배터리는 수익 예측에 관심이 없습니다. 그들은 20도에서 30도 사이를 유지하는 데 관심이 있습니다. 그 범위를 벗어나면 하락에 대해 복리 이자를 지불하기 시작합니다.
숫자는 잔인합니다. 25도 이상에서 10도마다 주기 수명이 대략 절반으로 줄어듭니다. 45도에서 일관되게 작동하는 캐비닛은 -사막 설치에서 누구도 인정하는 것보다 더 자주 발생합니다.-8년이 아닌 3년 안에 용량 감소 임계값에 도달합니다. 반올림 오류가 아닙니다. 그것은 좌초자산입니다.
그리고 극단으로 갈수록 더욱 악화됩니다. LFP 화학은 0도 이하에서 내부 저항이 눈에 띄게 증가하기 시작합니다. 이는 겨울 아침 방전 곡선이 여름 오후 곡선과 전혀 유사하지 않음을 의미합니다. 영하로 충전하면 양극의 리튬 도금이-영구적이고 복구할 수 없는 손상을 입게 되어 아무리 재조정해도 해결되지 않습니다. BMS는 이를 방지해야 하지만 셀 제조업체의 데이터시트에서 0도를 명확하게 지정했을 때 저온-온도 차단이 -10도로 설정된 상태로 배송된 장치를 본 적이 있습니다. 세 번째 겨울까지 아무도 그것을 잡지 못했습니다.
공기 냉각: 기본값이 되어서는 안 되는 기본값
대부분의 C&I 캐비닛 시스템에는 가격이 저렴하기 때문에 강제-공기 열 관리 기능이 탑재되어 있습니다. 캐비닛 지붕에 볼트로 고정된 3kW~5kW 패키지 에어컨, 일부 덕트, 아무도 변경하지 않을 필터-완료. HVAC 시스템의 총 BOM 비용: 약 2,500달러.
실용적인 이유로 에어컨이 맨 위에 위치합니다. 열이 상승하므로 아래에서 식히려고 하면 열역학과 싸우게 됩니다. 더 중요한 것은 곡예사 행위를 수행하기를 원하지 않는 기술자가 필터 액세스 및 냉매 서비스 포트에 접근할 수 있어야 한다는 것입니다. 한번은 캐비닛 AC가 후면 패널의 무릎 높이에 장착된 현장을 견학한 적이 있습니다. 서비스 기술자는 나에게 청구서를 보여주었습니다. 액세스가 어렵기 때문에 통화할 때마다 인건비가 30% 더 높아졌습니다.
공기 냉각이 작동합니다. 그게 문제가 아니예요. 문제는 그것이 작동하지 않을 때까지 작동하고, 실패할 경우 운영 경제에 영향을 미치는 방식으로 실패한다는 것입니다.
온도 구배는 숨겨진 살인자입니다. 일반적인 공랭식- 캐비닛에서는 흡입측-측 배터리 모듈과 배기측-측 모듈 사이의 델타가 8도에서 12도 사이입니다. AC 흡입구 근처의 셀은 편안한 22도에 있고 공기 흐름 경로의 맨 끝에 있는 셀은 34도에서 굽습니다. 동일한 캐비닛, 동일한 순간, 근본적으로 다른 노화 속도. 5년 후에는 SOH가 85%인 모듈도 있고 SOH가 65%인 모듈도 있습니다. 성능이 저하된 모듈이 전체 시스템 용량을 제한하기 시작할 때 이를 O&M 팀에 설명하시기 바랍니다.{14}}
이에 대한 NREL 데이터는 매우 형편없습니다. 30도에서 작동하는 리튬{1}}이온 셀은 20도에서 작동하는 셀에 비해 수명이 약 20% 감소합니다. 40도에서는 수명이 40% 감소합니다. 45도에서는 -여름 오후 성수기 동안 -잘못 설계된 공냉식 캐비닛에서 절대 달성할 수 있는 수준인-면도 주기-로 배터리 수명이 절반으로 단축됩니다. 이는 이론적인 숫자가 아닙니다. 이는 가속 노화 연구에서 파생되었으며 현장 데이터와 비교하여 검증되었습니다.
액체 냉각: 더 나은 성능, 다양한 두통
액체-냉각식 캐비닛 시스템을 향한 업계의 전환은 빠르고 타당했습니다. 배터리 모듈에 부착된 냉각판을 통과하는 물-글리콜 혼합물은 전체 팩에 걸쳐 ±2도 ~ ±3도 내에서 온도 균일성을 달성할 수 있습니다. 이는 공냉식의 ±6도에서 ±8도(종종 더 나쁨)에 비해 획기적인 개선입니다.
물리학은 간단합니다. 물의 비열 용량은 공기의 비열 용량의 약 4배입니다. 극적으로 적은 질량 흐름으로 동일한 양의 열 에너지를 이동할 수 있습니다. 냉각판은 모듈 표면과 직접 연결되어 공랭식 설계를 제한하는 대류 경계층 손실을 제거합니다.- 액체 냉각에 관한 모든 것은 열역학적으로 우수합니다.
그렇다면 모든 캐비닛이 액체 냉각-되지 않는 이유는 무엇일까요?
비용은 당연합니다. 액체 열 관리 시스템-냉각기 장치, 펌프, 냉각판, 배관, 글리콜 충진, 팽창 탱크, 누출 감지-로 인해 용량에 따라 캐비닛 비용이 $8,000~$15,000 추가됩니다. 총 설치 비용이 80,000달러인 100kWh 시스템의 경우 이는 의미 있는 백분율 증가입니다.
그러나 진짜 망설임은 운영상의 불안에서 비롯됩니다. 고전압 DC 전자 장치 근처의 액체는 사람들을 불안하게 만드는데 이유가 있습니다. 전원이 공급되는 캐비닛 내부의 글리콜 누출은 공기 냉각에는 없는 고장 모드를 나타냅니다. 최고의 액체{4}}냉각식 설계는 유전체 유체를 사용하거나 냉각 루프를 전기실에서 물리적으로 분리하지만 냉각판 매니폴드가 BMS 보드 바로 위에서 작동하는 시스템을 검토했습니다. 한 번의 피팅 실패로 인해 주요 사건 조사가 진행 중입니다.
유지관리 부담도 늘어납니다. 펌프가 작동하지 않습니다. 글리콜은 품질이 저하되므로 주기적인 교체가 필요합니다. 냉각기에는 마모되는 압축기가 있습니다. 콘덴서 코일의 공기 필터는 먼지로 막히고 시스템이 울타리로 둘러싸인 마당에 설치되어 유지 관리가 일년에 두 번 정도 방문하기 때문에 아무도 점검하지 않습니다. 적극적으로 유지 관리되지 않는 액체 냉각 시스템은 18개월 이내에 성능이 저하되고 36개월 이내에 실패합니다.
열교환기: 열교환기가 아닌 중간 경로
공{0}}대공기 열교환기는 사양에 지속적으로 등장하며 일반적으로 냉매- 기반 냉각에 대한 "더 안정적인" 대안으로 자리매김합니다. 피치는 다음과 같습니다. 압축기도 없고, 냉매 충전도 없고, 복잡한 HVAC 제어도 없습니다.{4}}캐비닛 열을 주변 공기로 수동적으로 이동시키는 히트 파이프나 열사이펀만 있으면 됩니다.
작은 문제가 하나 있습니다. 열 교환기는 주변 온도가 목표 캐비닛 온도보다 낮을 때만 열을 거부할 수 있습니다. 캐비닛 내부는 25도를 유지하고 외부는 35도를 유지하려는 경우, 열 교환기는 이제 잘못된 방향에서 값비싼 열교 역할을 하고 있는 것입니다.
명백하게 말하면 이는 당연한 것처럼 보이지만 열{0}}교환기-냉각만 사용하는 미국 남서부 사양의 프로젝트를 본 적이 있습니다. 영업 엔지니어가 오후 최고 기온 45도를 매우 관리하기 쉬운-평균 28도로 편리하게 평활화한 '연간 평균 기온' 그래프를 보여 주었기 때문입니다. 시스템은 10월부터 4월까지 잘 작동했습니다. 5월부터 9월까지 배터리는 대부분의 일광 시간을 열 성능 저하로 보냈습니다.
열교환기는 특정 기후-스칸디나비아, 독일 북부, 태평양 북서부 등 주변 온도가 설정점보다 안정적으로 유지되는 곳이면 어디든 적합합니다. 소수의 더운 날을 위한 소형 보조 AC 장치와 결합하면 연간 냉각 에너지 소비를 60% 이상 줄일 수 있습니다. 그러나 이는 보편적인 솔루션이 아니며 이를 제시하는 공급업체는 고객에게 해를 끼치는 것입니다.
아무도 예산을 책정하지 않은 기생 부하
캐비닛 HVAC 시스템은 전기를 소비합니다. 이것은 뉴스가 아닙니다. 많은 프로젝트 개발자에게{2}}새로운 소식은-그들이 소비하는 전기량과 그 소비가 비즈니스 사례에 얼마나 큰 영향을 미치는가입니다.
여러 기후대에 걸쳐 설치된 현장 데이터는 온화한 기후에서 총 배터리 처리량의 8%에서 극한 환경에서 34%에 이르는 기생 열 관리 부하를 보여줍니다. 생각해 보세요. 겨울 동안 난방 요구 사항이 높은 아북극 지역 설치에서는 배터리에 저장된 에너지의 3분의 1 이상이 동일한 배터리를 허용 가능한 온도로 유지하는 데 사용됩니다.
대부분의 금융 모델에서 표준 가정은 보조 부하 2~3%입니다. 이러한 가정은 잘못된 배포에서 종종 큰 규모로 잘못되었습니다.
실제로 여름은 대부분의 지역에서 기생 부하 관점에서 볼 때 더 쉬운 계절입니다. 예, AC를 지속적으로 가동하고 있지만 설정점보다 10~20도 높은 공기로 열을 방출하고 있습니다. 추운 기후의 겨울은 물건이 비싸지는 곳입니다. 저항 히터를 사용하고 있는데 전기 저항 가열을 보다 효율적으로 만드는 열역학적 트릭이 없습니다. 필요한 열 1와트당 정확히 1와트의 전기 비용이 발생하며-배터리와 히터 사이에 발생하는 전력 변환의 비효율성도 더해집니다.
PCS는 폐열을 생성하며, 스마트 캐비닛 디자인은 겨울철 열 관리를 위해 이를 포착합니다. PCS가 열 봉투 내부에 있으면 추운 달 동안 3~5%의 변환 손실이 "자유" 가열됩니다. 외부에 장착하는 경우-배터리 캐비닛과 전력 전자 캐비닛이 별도의 장치인 분할-시스템 설계의 경우가 많습니다.-유용한 열 에너지를 낭비하므로 이제 이를 배터리 구동식 저항 가열로 교체해야 합니다.-
열 폭주: 모든 것을 형성하는 두려움
LFP에는 NMC 또는 NCA 화학 물질의 열 폭주 특성이 없습니다. 이것은 사실이다. 인산철 음극 구조는 가열 시 산소를 방출하지 않으므로 코발트- 기반 화학 물질을 위험하게 만드는 계단식 발열 분해가 발생하지 않습니다.
그러나 "더 안전하다"는 것은 "안전하다"는 것이 아니며 LFP 열 동작에 대한 업계의 안주심이 커지면서 사고 보고서에서 나타나기 시작했습니다.
LFP 열폭주는 NMC의 150~200도 임계값보다 훨씬 높은 -약 270도에서 시작됩니다. 폭주 현상 중 온도 상승률은 분당 약 1.5도이며, 코발트 화학 물질의 경우 분당 수백 도입니다. 이렇게 하면 반응할 시간이 더 많아지고 세포 간 전파 가능성이 훨씬 낮아집니다.
안전 논의에서 종종 생략되는 점은 LFP 셀이 고장 중에도 가연성 및 독성 가스를 방출한다는 것입니다. 수소, 일산화탄소, 탄화수소 및 불화수소는 모두 배출-가스 혼합물에 나타납니다. NMC보다 수량이 적고 방출도 느리지만 밀폐된 공간에 배기 LFP 셀로 가득 찬 캐비닛은 여전히 심각한 위험을 안겨줍니다.
셰필드 대학의 최근 연구에 따르면 LFP 배터리는 일부 시나리오에서 실제로 더 큰 가연성 위험을 보이는 것으로 나타났습니다. 그 이유는 배출-가스 혼합물이- 부피가 적으면서도{2}}자동 점화 임계값이 더 낮기 때문입니다-. 전체 논문은 미묘한 차이가 있으며 LFP가 전반적으로 더 위험하다고 결론을 내리지는 않습니다. 그러나 LFP가 "발화할 수 없다"는 점점 더 일반적인 마케팅 주장을 깨뜨립니다.
이 모든 것이 열 관리로 다시 돌아옵니다. 열 현상을 방지하는 가장 좋은 방법은 열 현상을 초래하는 조건을 방지하는 것입니다. 45도를 초과하지 않고, 만성적인 온도 구배를 경험하지 않으며, 0도 이하로 충전되지 않는 셀은 -이러한 셀은 정상적으로 노화되고 예측 가능하게 작동하며 최소한의 안전 위험을 나타냅니다. 열 관리 시스템은 화재 진압 시스템이 아닌 첫 번째 방어선입니다.
캐비닛 공기 흐름: 모두가 착각하는 세부 사항
올바른 크기의 HVAC를 사용하더라도 열 균일성은 공기 흐름 분포에 따라 달라집니다. 여기서는 제가 셀 수 없을 만큼 많은 가치 엔지니어링 재난을 목격했습니다.
저항이 가장 적은 경로가 중요합니다. 찬 공기가 캐비닛으로 들어가고 곧바로 환기 덕트로 이동하려고 합니다. 일부는 주 흐름 경로에 있고 다른 일부는 데드 존에 있도록 배터리 모듈을 배열하면 설치한 냉각 장치의 킬로와트 수에 관계없이 온도 계층화가 발생합니다.
배플이 도움이 됩니다. 플래넘 설계가 도움이 됩니다. 가장 도움이 되는 것은 설계 단계에서 실제로 CFD를 실행하는 것입니다.-비용과 시간이 많이 들기 때문에 대부분의 C&I 프로젝트에서는 발생하지 않습니다. 엔지니어링 태도는 일반적으로 "작은 캐비닛인데 공기 흐름이 얼마나 복잡할 수 있습니까?"입니다. 대답은 다음과 같습니다. 인접 모듈 간에 10도 기울기를 생성할 만큼 복잡합니다.
컨테이너화된 BESS 시스템은 표준화를 통해 이 문제를 대부분 해결했습니다. 주요 통합업체는 CFD를 실행하고, 프로토타입을 제작하고, 설계를 검증하고, 열 아키텍처를 고정했습니다. 특히 소규모 공급업체의 캐비닛 시스템은 이 과정을 거치지 않은 경우가 많습니다. 당신은 "AC가 35도 낮에 내부 온도를 낮출 수 있다"는 것 이상으로 열적으로 검증되지 않은 디자인의 1세대 또는 2세대를 구입하고 있습니다.
조달에 있어 실제로 중요한 것은 무엇입니까?
실외 캐비닛 BESS를 지정하는 경우 요구해야 할 사항은 다음과 같습니다.
온도 균일성 사양. "캐비닛에 에어컨이 있음"이 아니라 실제 숫자입니다. 최대 주변 환경에서 정격 충전/방전 중 모든 배터리 모듈의 최대 온도 변화입니다. 공급업체가 이 질문에 답할 수 없다면 열 엔지니어링을 수행하지 않은 것입니다.
사이트별-조건에서의 기생 부하 추정치입니다. 판매 자료의 일반적인 2% 수치가 아닙니다.-설치 위치에 대한 TMY 날씨 데이터를 사용한 실제 계산입니다. 기생 부하가 연간 정격 처리량의 10%를 초과하는 경우 이는 재무 모델에 표시되어야 합니다.
저온-온도 충전 보호. 컷오프 온도가 리튬 도금을 유발하는 온도에서 충전을 허용할 수 있는 타협 값이 아니라 셀 제조업체의 권장 사항과 일치하는지 확인하십시오. 사양서뿐만 아니라 BMS 구성에서도 이를 확인하세요.
열 관리 시스템 선택-공기 대 액체-는 해당 시스템이 얼마나 잘 구현되고 유지관리되는지보다 덜 중요합니다. 적절한 공기 흐름 엔지니어링을 갖춘 잘 설계된-공랭식 캐비닛은 펌프가 고장나거나 콘덴서가 막힌 액체{5}}냉각식 시스템보다 성능이 뛰어납니다. 최고의 열 관리 시스템은 자산 수명 전반에 걸쳐 필요한 관심을 받는 시스템입니다.
최종 관찰
열 관리는 흥미로운 보도 자료를 만들지 않습니다. 다음 RE+ 컨퍼런스에서 누구도 당황스러운 캐비닛 공기 흐름의 획기적인 발전을 발표하지 않을 것입니다. 하지만 15년 자산과 8년 자산의 차이는 무더운 여름 오후에 정격 용량을 제공하는 시스템과 가장 필요할 때 60%로 조절되는 시스템 사이입니다.
가장 비용이 많이 드는 열 관리 실수는 다른 사람이 문제를 해결했다고 가정하는 것입니다. 두 번째로 비용이 많이 드는 것은 뮌헨에서 작동하는 것이 두바이에서도 작동할 것이라고 가정하는 것입니다.
먼저 열 설계를 올바르게 수행하십시오. 거기에서 다른 모든 것이 이어집니다.