Dziś niemal każdy ma w kieszeni telefon (smartfon, telefon z aparatem, tablet), który pod względem wydajności może przewyższyć nieaktualizowany od kilku lat domowy komputer stacjonarny. Każdy gadżet, który posiadasz, ma baterię litowo-polimerową. Teraz pytanie: który czytelnik będzie dokładnie pamiętał, kiedy nastąpiło nieodwracalne przejście od „dialerów” do urządzeń wielofunkcyjnych?
To trudne... Trzeba wytężać pamięć, przypomnieć sobie rok, w którym kupiłeś swój pierwszy „smartfon”. Dla mnie to lata 2008-2010. W tamtym czasie pojemność baterii litowej w zwykłym telefonie wynosiła około 700 mAh, obecnie pojemność baterii telefonów sięga 4 tysięcy mAh.
Wzrost pojemności 6-krotny, mimo że, z grubsza rzecz biorąc, rozmiar baterii wzrósł tylko 2-krotnie.
Jak my , rozwiązania litowo-jonowe do UPS szybko podbijają rynek, posiadają szereg niezaprzeczalnych zalet i (zwłaszcza w serwerowni).
Przyjaciele, dzisiaj postaramy się zrozumieć i porównać rozwiązania oparte na akumulatorach żelazowo-litowo-fosforanowych (LFP) i litowo-manganowych (LMO), zbadać ich zalety i wady oraz porównać ze sobą według szeregu konkretnych wskaźników. Przypomnę, że oba typy akumulatorów należą do akumulatorów litowo-jonowych, litowo-polimerowych, ale różnią się składem chemicznym. Zainteresowanych kontynuacją proszę pod kotem.
Perspektywy technologii litowych w magazynowaniu energii
Aktualna sytuacja w Federacji Rosyjskiej w 2017 roku przedstawiała się następująco.
Korzystanie ze źródła: „Koncepcja rozwoju systemów magazynowania energii elektrycznej w Federacji Rosyjskiej”, Ministerstwo Energii Federacji Rosyjskiej, 21 sierpnia 2017 r.
Jak widać, w tamtym czasie prym w podejściu do technologii produkcji przemysłowej (przede wszystkim technologia LFP) dominowała technologia litowo-jonowa.
Następnie przyjrzyjmy się trendom w Stanach Zjednoczonych, a dokładniej rozważmy najnowszą wersję dokumentu:
Odniesienie: ABBM to macierze energetyczne do zasilaczy bezprzerwowych, które są wykorzystywane w elektroenergetyce do:
- Rezerwacja energii elektrycznej dla szczególnie ważnych odbiorców na wypadek przerw w dostawie prądu na potrzeby własne (SN) 0,4 kV w stacji elektroenergetycznej (PS).
- Jako napęd „buforowy” dla źródeł alternatywnych.
- Kompensacja niedoborów mocy w okresach szczytowego zużycia w celu odciążenia urządzeń wytwarzających i przesyłających energię elektryczną.
- Akumulacja energii w ciągu dnia, gdy jej koszt jest niski (w nocy).
Jak widać, technologie Li-Ion od 2016 roku mocno utrzymały pozycję lidera i wykazały szybki wielokrotny wzrost zarówno mocy (MW), jak i energii (MWh).
W tym samym dokumencie możemy przeczytać co następuje:
„Technologie litowo-jonowe odpowiadają za ponad 80% dodatkowej mocy i energii wytworzonej przez systemy ABBM w Stanach Zjednoczonych na koniec 2016 roku. Akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się bardzo wydajnym cyklem ładowania i szybciej uwalniają zgromadzoną energię. Ponadto charakteryzują się dużą gęstością energii (gęstość mocy, przyp. autora) i wysokimi prądami wyjściowymi, co spowodowało ich wybór jako akumulatory do przenośnej elektroniki i pojazdów elektrycznych.”
Spróbujmy porównać dwie technologie akumulatorów litowo-jonowych do UPS
Porównamy ogniwa pryzmatyczne zbudowane na chemii LMO i LFP. To właśnie te dwie technologie (z odmianami takimi jak LMO-NMC) są obecnie głównymi projektami przemysłowymi różnych pojazdów elektrycznych i pojazdów elektrycznych.
Liryczną dygresję na temat akumulatorów w pojazdach elektrycznych można przeczytać tutajZapytacie, co ma z tym wspólnego transport elektryczny? Wyjaśnię: aktywne rozpowszechnianie pojazdów elektrycznych wykorzystujących technologie Li-Ion już dawno przekroczyło etap prototypów. A jak wiemy, wszystkie najnowsze technologie przychodzą do nas z drogich, nowych dziedzin życia. Na przykład wiele technologii motoryzacyjnych przyszło do nas z Formuły 1, wiele nowych technologii weszło w nasze życie z sektora kosmicznego i tak dalej… Dlatego naszym zdaniem technologie litowo-jonowe przenikają obecnie do rozwiązań przemysłowych.
Przyjrzyjmy się tabeli porównawczej głównych producentów, chemii akumulatorów i samych firm motoryzacyjnych, które aktywnie produkują pojazdy elektryczne (hybrydy).
Wybierzemy wyłącznie ogniwa pryzmatyczne, które pasują do kształtu do zastosowania w UPS. Jak widać, tytanian litu (LTO-NMC) jest outsiderem pod względem konkretnej zmagazynowanej energii. Pozostało trzech producentów ogniw pryzmatycznych nadających się do zastosowania w rozwiązaniach przemysłowych, w szczególności akumulatorów UPS.
Zacytuję i przetłumaczę z dokumentu „Ocena cyklu życia elektrody litowej o długiej żywotności do akumulatorów pojazdów elektrycznych – ogniwo do autobusów LEAF, Tesla i VOLVO” (oryginał „Ocena cyklu życia elektrody litowej o długiej żywotności do akumulatorów pojazdów elektrycznych – ogniwo do autobusów LEAF , Tesla i Volvo bus” z dnia 11 grudnia 2017 r. autorstwa Matsa Zackrissona. Zajmuje się głównie badaniem procesów chemicznych zachodzących w akumulatorach pojazdów, wpływem wibracji i klimatycznych warunków pracy oraz szkodliwością dla środowiska. Jest jednak jedno ciekawe sformułowanie dotyczące porównania dwóch technologii akumulatorów litowo-jonowych.
W moim wolnym tłumaczeniu wygląda to tak:
Technologia NMC wykazuje mniejszy wpływ na środowisko w przeliczeniu na wozokilometr niż technologia LFP z ogniwem akumulatora z metalową anodą, jednak trudno jest ograniczyć lub wyeliminować błędy. Główna idea jest następująca: wyższa gęstość energii NMC skutkuje niższą wagą, a tym samym niższym zużyciem energii.
1) Technologia ogniw pryzmatycznych LMO, producent , kosztuje 400 dolarów.
Wygląd komórki LMO
2) Technologia ogniw pryzmatycznych LFP, producent , kosztuje 160 dolarów.
Wygląd ogniwa LFP
3) Dla porównania dodajmy akumulator zapasowy samolotu zbudowany w technologii LFP i ten sam, który brał udział w sensacyjnej aferze , producent True Blue Power.
Wygląd baterii TB44
4) Dla obiektywności dodajmy standardową baterię UPS
Wygląd klasycznej baterii UPS
Umieśćmy dane źródłowe w tabeli.
Jak widać rzeczywiście najwyższą efektywność energetyczną charakteryzują się ogniwa LMO, klasyczny ołów jest co najmniej dwukrotnie bardziej energooszczędny.
Dla wszystkich jest jasne, że system BMS dla układu akumulatorów Li-Ion doda wagę temu rozwiązaniu, czyli zmniejszy energię właściwą o około 20 procent (różnica między masą netto akumulatorów a masą całego rozwiązania z uwzględnieniem systemów BMS, powłoki modułu, sterownika szafy bateryjnej). Zakłada się, że masa zworek, wyłącznika akumulatora i szafy akumulatorowej jest warunkowo równa dla akumulatorów litowo-jonowych i układu akumulatorów akumulatorów ołowiowo-kwasowych.
Spróbujmy teraz porównać obliczone parametry. W tym przypadku przyjmiemy głębokość rozładowania dla ołowiu na poziomie 70%, a dla Li-Ion na poziomie 90%.
Należy pamiętać, że niska energia właściwa akumulatora lotniczego wynika z faktu, że sam akumulator (który można uznać za moduł) jest zamknięty w metalowej ognioodpornej obudowie, posiada złącza oraz układ grzewczy umożliwiający pracę w warunkach niskich temperatur. Dla porównania podano obliczenia dla jednego ogniwa w akumulatorze TB44, z których można wyciągnąć wniosek, że charakterystyka jest zbliżona do konwencjonalnego ogniwa LFP. Dodatkowo akumulator samolotu przystosowany jest do dużych prądów ładowania/rozładowania, co wiąże się z koniecznością szybkiego przygotowania samolotu do nowego lotu na ziemi oraz dużym prądem rozładowania w przypadku wystąpienia sytuacji awaryjnej na pokładzie np. utrata mocy na pokładzie
Nawiasem mówiąc, sam producent porównuje różne typy akumulatorów lotniczych
Jak widzimy z tabel:
1) Moc szafy bateryjnej w przypadku technologii LMO jest większa.
2) Liczba cykli akumulatorów w przypadku LFP jest większa.
3) Ciężar właściwy LFP jest mniejszy, dlatego przy tej samej pojemności szafa bateryjna oparta na technologii fosforanu żelazowo-litowego jest większa.
4) Technologia LFP jest mniej podatna na ucieczkę termiczną, co wynika z jej struktury chemicznej. W rezultacie uważa się go za stosunkowo bezpieczny.
Tym, którzy chcą jasno zrozumieć, w jaki sposób akumulatory litowo-jonowe można połączyć w zestaw akumulatorów do współpracy z zasilaczem UPS, polecam zajrzeć tutaj.Na przykład ten schemat. W takim przypadku masa netto akumulatorów wyniesie 340 kg, pojemność wyniesie 100 amperogodzin.
Lub obwód dla LFP 160S2P, w którym masa netto akumulatorów będzie wynosić 512 kg, a pojemność będzie wynosić 200 amperogodzin.
WNIOSEK: Pomimo tego, że akumulatory o składzie chemicznym fosforanu żelazowo-litowego (LiFeO4, LFP) są najczęściej stosowane w pojazdach elektrycznych, ich charakterystyka ma szereg zalet w stosunku do wzoru chemicznego LMO, umożliwia ładowanie większym prądem i jest mniej podatna na na ryzyko ucieczki termicznej. To, jaki rodzaj akumulatorów wybrać, pozostaje w gestii dostawcy gotowego, zintegrowanego rozwiązania, który ustala to na podstawie szeregu kryteriów, a przede wszystkim kosztu zestawu akumulatorów w ramach UPS. Na chwilę obecną każdy rodzaj akumulatorów litowo-jonowych jest nadal tańszy od klasycznych rozwiązań, jednak duża moc właściwa akumulatorów litowych na jednostkę masy oraz mniejsze wymiary będą w coraz większym stopniu determinować wybór w kierunku nowych urządzeń magazynujących energię. W niektórych przypadkach niższa masa brutto UPS determinuje wybór w stronę nowych technologii. Proces ten będzie przebiegał zupełnie niezauważony, a obecnie jest hamowany przez wysokie koszty w niskim segmencie cenowym (rozwiązania dla gospodarstwa domowego) oraz inercję myślenia o bezpieczeństwie pożarowym litu wśród klientów poszukujących najlepszych opcji UPS w UPS przemysłowym segment o mocy powyżej 100 kVA. Średnio-segmentowy zasilacz UPS o mocy od 3 kVA do 100 kVA można realizować w technologiach litowo-jonowych, jednak ze względu na produkcję na małą skalę jest on dość drogi i ustępuje gotowym seryjnym modelom UPS wykorzystującym akumulatory VRLA.
Możesz dowiedzieć się więcej szczegółów i omówić konkretne rozwiązanie z wykorzystaniem akumulatorów litowo-jonowych dla Twojej serwerowni lub centrum danych, wysyłając zapytanie e-mailem lub poprzez złożenie wniosku na stronie internetowej firmy .
OTWARTE TECHNOLOGIE – niezawodne kompleksowe rozwiązania światowych liderów, dostosowane specjalnie do Twoich celów i zadań.
Autor: Kulikow Oleg
Główny inżynier-konstruktor
Dział Rozwiązań Integracyjnych
Firma Otwarte Technologie
Źródło: www.habr.com