A causa delle caratteristiche termiche delle batterie, la gestione termica è diventata un componente critico nella catena industriale dell'accumulo di energia elettrochimica. Scomponendo la distribuzione del valore all'interno della catena industriale, il costo delle batterie nei sistemi di accumulo di energia rappresenta circa il 55%, il PCS circa il 20%, il BMS ed EMS insieme costituiscono circa l'11%, mentre la gestione termica costituisce circa il 2%-4%. Sebbene la percentuale della gestione termica in termini di valore sia relativamente bassa, essa svolge un ruolo cruciale nel garantire il funzionamento continuo e sicuro dei sistemi di accumulo di energia.
Attualmente, ci sono due soluzioni principali per la tecnologia di gestione termica nei sistemi di accumulo: il sistema di raffreddamento ad aria forzata e il sistema di raffreddamento a liquido. Questo articolo sarà diviso in due parti per fornire un'analisi comparativa di questi due sistemi di raffreddamento in vita utile, controllo della temperatura, consumo energetico, complessità del design, utilizzo dello spazio, rumore, produzione ed installazione, post-vendita, operazione e manutenzione, e costi.
Spiegazione dei nomi
Tecnologia di gestione termica: Comprende il raffreddamento ad aria forzata, il raffreddamento a liquido, il raffreddamento con tubi di calore e il raffreddamento a scambio di fase, con gli ultimi due ancora in fase sperimentale.
Raffreddamento ad aria forzata: I componenti principali del sistema di raffreddamento ad aria comprendono l'aria condizionata, i condotti dell’aria e le ventole del modulo. Le ventole sono installate nella parte anteriore del modulo. I ventilatori del modulo dissipano il calore generato dai nuclei interni del modulo e lo trasportano verso il condotto dell’aria della cabina prefabbricata. Il sistema di climatizzazione all'interno della cabina prefabbricata dissipa il calore attraverso il trasferimento convettivo del calore.
Raffreddamento a liquido: Il sistema di raffreddamento a liquido si riferisce all'uso di un liquido come mezzo di conduzione del calore, che trasferisce il calore direttamente o indirettamente entrando in contatto con il liquido di raffreddamento e i componenti che generano calore. È una tecnica di dissipazione del calore che rimuove il calore generato dai componenti che generano calore.
Capitolo 1: Confronto della vita utile
Prendendo come esempio la marca A 100Ah (P1, P2) e la marca B 100Ah (P3), con una carica e una scarica di 0,5C, la curva di attenuazione della batteria è mostrata di seguito:
1. La curva di attenuazione da P1 a P2 mostra che a 25°C sono stati raggiunti 6500 cicli all'80% dell'EOL con celle di marca A, mentre a 45°C sono stati raggiunti 2500 cicli all'80% dell'EOL con le stesse celle di marca A. Con un aumento della temperatura di 20°C, la durata dei cicli è diminuita di 4000 cicli.
2. P3 riflette principalmente 5000 cicli all'80% di EOL a 25°C (celle di marca B) e 2000 cicli all'80% di EOL a 45°C (celle di marca B). Con un aumento della temperatura di 20°C, la durata dei cicli è diminuita di 3000 cicli.
3. Infine, da P4 - confrontando la vita utile dei componenti principali, si può concludere che la vita utile dei componenti chiave nel sistema di raffreddamento a liquido è più breve. La temperatura operativa delle celle ha un impatto significativo sulla loro durata del ciclo e, all'aumentare della temperatura operativa della batteria, il numero di cicli diminuisce di conseguenza.
Capitolo 2: Confronto tra i controlli di temperatura
Sommario:
1. Durante il funzionamento del sistema di raffreddamento ad aria forzata (EnerArk2.0), la temperatura della batteria si attesta approssimativamente tra 31-38°C. Per il sistema di raffreddamento a liquido, facendo riferimento a Manufacturer A (30°C), Manufacturer B (30°C), la temperatura operativa ottimale per le batterie normali è 30-35°C. Si può notare che in termini di temperatura operativa della batteria, il raffreddamento ad aria forzata presenta vantaggi simili alla tecnologia di raffreddamento a liquido.
2. Differenze di temperatura nel sistema di raffreddamento a liquido: Manufacturer A (<5°C), Manufacturer B (<3°C). La differenza di temperatura per il sistema di raffreddamento ad aria forzata (EnerArk <7°C). Se la temperatura di operazione presenta una differenza significativa, la consistenza delle celle della batteria si deteriora. Il raffreddamento ad aria può raggiungere una differenza di temperatura di <4°C (valore obiettivo di EnerArk2.0) migliorando il condotto dell’aria, quindi gli effetti del raffreddamento ad aria forzata e del raffreddamento a liquido sulla batteria sarebbero gli stessi.
Capitolo 3: Confronto dei consumi energetici
Prendiamo ad esempio Envicool con la stessa capacità di raffreddamento di 3kW:
Sommario:
1. Confrontando la capacità di scambio termico, si nota che il sistema di raffreddamento a liquido ha una capacità di scambio termico 6 volte superiore rispetto al sistema di raffreddamento ad aria forzata. Questo può essere interpretato come il condizionatore d'aria che lavora a piena capacità di raffreddamento per 6 ore, mentre l'unità di raffreddamento a liquido deve funzionare solo per 1 ora per ottenere lo stesso effetto di raffreddamento.
2. In condizioni di temperatura della batteria uguale, ad esempio iniziando il lavoro a 20°C, dopo aver funzionato nelle stesse condizioni per 2 ore, anche se il sistema smette di caricare e scaricare, il sistema di raffreddamento ad aria forzata deve comunque continuare a funzionare per garantire che la temperatura centrale tenda al valore normale. Il tempo necessario al sistema di raffreddamento a liquido per avvicinarsi al valore normale è 1/6 di quello del sistema di raffreddamento ad aria.
3. Consumo di energia per il raffreddamento ad aria forzata: condizionatore d'aria + ventola dell'armadio elettrico; Consumo di energia per il raffreddamento a liquido: unità di raffreddamento a liquido + ventola dell'armadio elettrico (alcuni produttori utilizzano il raffreddamento a liquido integrato per l'intera macchina).
4. Alle stesse condizioni, mantenendo la stessa temperatura, il consumo energetico del raffreddamento ad aria forzata è superiore a quello del raffreddamento a liquido.
Capitolo 4: Confronto della complessità del design
A: Sistema di raffreddamento ad aria forzata
Prendendo come esempio EnerArk2.0, il design del sistema di accumulo di energia raffreddato ad aria è relativamente semplice e prevede principalmente l'installazione di ventole di raffreddamento e la progettazione di percorsi di circolazione dell'aria.
1. I componenti principali del raffreddamento ad aria forzata sono l'aria condizionata e i condotti dell’aria. Il sistema di climatizzazione è responsabile del raffreddamento, mentre i condotti dell’aria facilitano lo scambio di calore.
2. Nell'applicazione dei progetti di accumulo di energia, a causa delle variazioni nella densità energetica, nelle posizioni e nella capacità delle batterie tra diversi sistemi di accumulo energetico, è necessario personalizzare il design dei condotti dell’aria per controllare la direzione del flusso d'aria all'interno del sistema.
B: Sistema di raffreddamento a liquido
La progettazione del raffreddamento a liquido è in genere più complessa, richiedendo la considerazione della disposizione del sistema di circolazione del liquido, la selezione della pompa, la circolazione del refrigerante e la manutenzione.
1. La piastra di raffreddamento a liquido installata sulla fonte di calore, insieme allo scambiatore di calore e alla pompa di calore, dissipa il calore attraverso la circolazione del fluido.
2. In generale, la tecnologia di raffreddamento a liquido dell'unità di raffreddamento nei sistemi di accumulo di energia viene applicata quando la convezione forzata o i sistemi a scambio di fase non sono in grado di ottenere un'efficace dissipazione del calore, soprattutto in ambienti con alta densità di energia termica.
C: Complessità di progettazione - tecnologia di raffreddamento ad aria forzata VS tecnologia di raffreddamento a liquido (il carattere rosso indica le sfide di progettazione).
Conclusione: la progettazione del sistema di raffreddamento a liquido è più complicata di quella del sistema di raffreddamento ad aria forzata.
Capitolo 5: Confronto dell'efficienza di utilizzo dello spazio
Sommario:
Con la stessa superficie, il sistema di raffreddamento a liquido può raggiungere una maggiore integrazione energetica.
Per la stessa integrazione energetica (200 kWh), i sistemi di raffreddamento ad aria forzata superano i sistemi di raffreddamento a liquido.
Questo articolo è tradotto da Milano Energy partner Vilion Battery Energy Storage- Focusing on Energy Storage Systems - Forced Air Cooling Technology VS Liquid Cooling Technology (Part 1)