Досягнення безпеки та технологій акумуляторів

Безпека зберігання енергії для комерційних суден; уроки, отримані при практичному застосуванні

Опубліковано в G Captain 3 лютого 2020 р. Https://gcaptain.com/advances-in-battery-safety-and-technology/

Вперед

Літій-іонний акумулятор має кілька потенційних небезпек, які слід враховувати, щоб захистити людей та обладнання. Важливо враховувати ці небезпеки на кожному етапі роботи акумулятора, а не лише на день його встановлення. Починаючи з виробництва, закінчуючи поставкою, установкою, введенням в експлуатацію, технічним обслуговуванням і, врешті-решт, переробкою акумулятора, безпека повинна бути насамперед.

В основі системи - літій-іонний елемент; хімічна електростанція, яку не можна просто відключити, щоб зробити її безпечною. Елемент акумулятора за своєю природою завжди живе; тому важливо забезпечити безпеку персоналу від цієї потенційної небезпеки. Напруга на одній комірці низька і, отже, не небезпечна, проте потенційний струм дуже високий, оскільки внутрішній опір комірки низький. Скорочення позитивного і негативного за допомогою металевого предмета призведе або до випаровування клем батареї, або до нагрівання металевого предмета.

Під час виготовлення застосовуються спеціальні інструменти та процеси для зменшення ризику короткого замикання клітини. Коли комірки збираються послідовно, щоб спільно формувати вищі напруги в модулі, напруга стає більш небезпечним. Знову ж таки, для захисту персоналу від випадкового замикання використовується спеціальний монтажний інструмент. Після монтажу важливо захистити персонал від цієї напруги під час транспортування, монтажу, введення в експлуатацію та зняття з експлуатації.

Для цього SPBES використовує контактор всередині модуля для ізоляції напруги акумулятора від клем акумулятора. Цей контактор може бути закритий системою керування акумулятором (BMS) лише під час роботи, таким чином усуваючи всі небезпеки, пов'язані з напругою, коли він не використовується. Загальна напруга батареї після встановлення є дуже небезпечною, враховуючи те, що ми зазвичай встановлюємо батареї на напрузі шини вище 700 В постійного струму та до 1500 В постійного струму. Захист цього здійснюється завдяки належній конструкції ізоляції, використанню вимикачів та незалежних ланцюгів безпеки, таких як блокування високої напруги, незалежні спрацювання вимикача та виявлення замикань на землю.

Система також розроблена для зменшення напруги в будь-якій точці установки до менш ніж 100 В, коли система вимкнена. Це гарантує, що ненавмисні короткі замикання не призведуть до небезпечно високого струму та потенційних пошкоджень системи.

Тепловий втеча - це потенційно катастрофічна небезпека, яка також повинна бути в центрі уваги інженера при проектуванні літій-іонної батареї. Рідко буває теплове втеча, але вплив може бути руйнівним, коли це відбувається. Наша філософія дизайну полягає в тому, щоб повністю усунути ризик завдяки нашій запатентованій системі охолодження CellCoolTM.

Замість того, щоб намагатись керувати потенційними наслідками теплової втечі, SPBES завжди зосереджувався на повному усуненні цієї небезпеки. Навіть якщо клітина нагрівається, незалежно від причини, система SPBES може відводити тепло досить швидко, щоб запобігти тепловому втечі. Крім того, система охолодження SPBES захищає елементи від зовнішніх джерел тепла, таких як пожежа поза батареєю.

Наша філософія завжди була і завжди буде захищати судно та екіпаж наскільки це можливо, включаючи нові нововведення в галузі безпеки від нашої команди досліджень та розробок, коли вони стануть доступними.

ForSea Aurora подорожує з Данії до Швеції з використанням акумуляторної електростанції

Досягнення в Акумулятор Безпека та Технологія

Технологія батарейок розвивалася дуже швидко, але гібридне та електричне суднове рушійне сполучення все ще є відносно молодою галуззю. На сьогоднішній день досі немає комерційних систем, які могли б стверджувати, що працювали протягом 10 років. Незважаючи на це, економічні та екологічні переваги зберігання акумуляторів означають, що зараз десятки кораблів працюють у гібридному та повному електричному режимах. За останніми підрахунками, системи зберігання енергії (ESS) зараз вбудовані приблизно в 75% ремонтних робіт та нових суден у всьому світі.

У 2009 році я розробив свої перші літієві батареї для морських застосувань. Вони були розроблені, щоб продемонструвати головне, що ESS за шкалою МВт може працювати як традиційний двигун, забезпечуючи справжню комерційну вартість; і було багато сумнівів. Сьогодні ми розвинули не тільки продуктивність, але й безпеку, інтеграцію, управління витратами та ризиками до набагато більш передбачуваних рівнів. Дані, отримані в результаті постійного комерційного використання акумуляторної системи, дали неоціненну інформацію, яка дозволила нам розвиватися і постійно вдосконалювати наші системи.

Класифікаційні товариства та органи прапора також постійно наполягають на вдосконаленні та вдосконаленні систем. Ці агенції застосовують потужні інструменти оцінки ризиків для забезпечення безпеки операторів та пасажирів, оскільки потужність системи стає все більшою та більшою.

Експлуатаційні дані та досвід призвели до значного вдосконалення конструкції акумулятора, що призвело до поліпшення безпеки, терміну служби системи, зниження ризику та загальної продуктивності. Покращена робота сучасних морських акумуляторів також змінила ринок. Менша вартість системи означає, що все більше і більше морських вертикалів зараз знаходять рентабельність інвестицій від накопичення енергії. Наприклад, під час формування морської галузі ESS буксири та пороми представляли найкращі комерційні програми для систем накопичення енергії. Сьогодні ми можемо додати круїзні судна, нафтогазові, морські судна та судна вітроелектростанцій до постійно зростаючого списку комерційних суден, які дедалі ширше використовують накопичувачі енергії.

Ключові міркування щодо ефективного проектування акумуляторних батарей починаються з двох основних питань 1) ESS має бути вдосконаленням існуючих методів експлуатації суден, і 2) рішення має забезпечити фінансові вигоди без зовнішньої підтримки (державні гранти або схеми податкового кредиту) в щоб назавжди заробити своє місце в рамках проектування системи.

Це ключові питання, які ми задавали, будучи за столом проектування наших сучасних систем, розуміючи, що вони є запорукою успіху. Однак ми також знали з багатьох років реального досвіду, що наступні критерії також мають вирішальне значення для довгострокового комерційного успіху:

Безпека: ми повинні були мати можливість ефективно усунути можливість теплового втечі в акумуляторній системі, інакше ми ніколи не побачимо справжньої прийнятності на ринках та зростання розміру системи. Це завдання було головним у нашому розумі при кожному дизайнерському рішенні, і ми вирішили його, створивши запатентовану систему охолодження CellCool TM, яка ефективно усуває ризик теплового втечі.

Основний дуже простий; знижують температуру клітин швидше, ніж клітина підвищує температуру. Як би ви з ними не працювали, за допомогою CellCool TM вони не досягнуть температури, необхідної для теплового втечі. Ми працювали у співпраці з класифікаційними товариствами та органами управління прапорами, щоб розробити те, що, як нам здавалося, було складно пройти тести на безпеку, покликані продемонструвати, що акумулятори по суті безпечні. Ми підняли це на інший рівень і встановили власний золотий стандарт як безпеку перед самозайманням - найскладнішим випробуванням, з яким може зіткнутися акумулятор.

Навіть у цьому дуже вимогливому тесті ми довели успіх. Наші системи здатні запобігти значним пошкодженням батареї (включаючи поширення на рівні комірок) і, зрештою, зробити кожну систему безпечною в роботі. Це робиться за допомогою простої по суті системи рідинного охолодження. Цього неможливо досягти за допомогою систем повітряного охолодження через проблему управління передачею тепла з настільки щільною енергією, як більшість хімічних речовин літію.

Гібридний пасажирський пором Waxholmsbolaget Yxlan Ice-класу забезпечує цілорічні подорожі Стокгольмським архіпелагом.

Безпека має й інші міркування; існує безпека катастроф на рівні клітин, а потім безпечне використання батарей. Ми розробили BMS, який за своєю суттю зосереджений на захисті корабля, акумуляторної системи та елементів. Це робиться по суті шляхом контролю напруги та температури кожного окремого елемента в системі, а потім збалансування продуктивності судна в межах безпечних операційних принципів корабля.

Існує два різні способи проектування BMS; той, який ідеально підходить для повністю електричного корабля, і той, який підходить для гібридних застосувань. Хоча обидва принципи дають операторам можливість вибору в разі виходу з ладу акумулятора, на повністю електричному кораблі безпечна експлуатація судна стає керівним принципом прийняття рішень BMS та системою управління енергією (PMS). У гібридному застосуванні батареї можуть стати центром роботи ПМС, оскільки судно має альтернативні рушійні системи і не повністю залежить від батареї для роботи. Після того, як ми визначимо тип програми як гібридну, так і електричну, ми можемо оптимізувати робочу логіку BMS, оскільки вона стосується критеріїв прийняття рішень PMS/оператора.

Іншим важливим елементом безпеки при проектуванні було включення контакторів в наші модулі будівельних блоків. В основному, оскільки ми будуємо системи напруги постійного струму в діапазоні від 300 до 1500 В постійного струму, ризик отримання травм під час транспортування та обслуговування дуже високий. Наприклад, дуговий спалах на 1500 В постійного струму може назавжди відключити техніка. Додаючи контактори в окремі модулі акумулятора, ми усуваємо напругу на клемах, поки система не буде повністю задіяна, і система BMS може підтвердити правильність послідовності та захисту всіх кабелів. На клемах немає напруги або потужності, якщо вони відкриті. Ми також зменшуємо ризик, ізолюючи будівельні блоки як цілісні одиниці, незалежно від того, наскільки великі загальні розміри. Елемент безпеки екіпажу наших техніків та операторів суден не може бути завищений з точки зору вигоди для наших клієнтів. Тепер ми можемо навчити корабельних інженерів та екіпаж виконувати технічне обслуговування акумуляторів, нам не потрібно залучати спеціально кваліфікованих електриків для базового технічного обслуговування. Це дизайнерське рішення не було безкоштовним, але це правильний шлях для підвищення загальної безпеки суден наших замовників.

Запатентована SPBES система eVent, що показує шлях вилучення газу в тепловій події однієї комірки.

Вартість: Іншою важливою частиною конструкції батареї є не власне сама батарея, а простір, в якому вона працює. Вплив додаткових витрат на необхідні додаткові системи, необхідні для безпечної роботи, є значним. У більшості випадків, як і в наших попередніх проектах, такі речі, як пожежна безпека, виявлення пожежі, виявлення газу, видобуток газу, охолодження та аварійна вентиляція, були передані іншим підрядникам і не були включені у вартість акумуляторної системи. Ці так звані додаткові системи насправді є критично важливими для роботи акумулятора і не є необов’язковими, але в більшості випадків постачальники акумуляторів залишать ці додаткові витрати суднобудівникам.

Наш підхід став більш цілісним і охопив усі частини акумуляторної системи в міру розвитку нашої конструкції, що означає менші додані витрати на кВт-год та більше інтегрованого проектування. Наша наступна еволюція в розробці - перевірити дизайн наших основних модулів, щоб витримати випробування акумулятора A60. Підтвердження цього тесту позбавить потреби будувати корпус А60 для батарей.

Поклавши це в контекст, один з наших партнерів-інтеграторів вирішив, що типова додаткова вартість акумуляторної системи може становити до 275 доларів США/кВт-год для загальної установки батареї, ця вартість накладається на вартість самих батарей.

Важливо, щоб інтегратори та кінцеві споживачі завжди розуміли загальні системні витрати, щоб дозволити приймати рішення щодо рентабельності інвестицій, виходячи з фактичних встановлених системних витрат, а не лише вартості акумулятора. Насправді SPBES не повністю захищений від цієї вартості; для нашого рідинного охолодження потрібні охолоджувачі, розмір яких відповідає потребі енергії в системі, і наша система витяжки газу повинна бути правильно вентильована, але замість $ 275/кВт-год ми стикаємось із витратами, як правило, $ 20/кВт-год на додані компоненти та для задоволення всіх вимог до продуктивності.

Ще однією перевагою рідинного охолодження SPBES CellCool є можливість фактично прогнозувати термін служби наших систем. Системи з повітряним охолодженням дуже залежать від температури навколишнього середовища акумулятора, щоб мати змогу управляти загальним терміном служби літієвої батареї, і вони дуже непостійні. Навіть невелике підвищення температури навколишнього середовища акумулятора в приміщенні вплине на температуру елементів літію і може суттєво зменшити термін служби календаря. На противагу цьому, рідинне охолодження підтримує температуру клітин у фіксованому діапазоні, і ми можемо усунути вплив температури навколишнього середовища на продуктивність клітин.

Оскільки термін служби системи продовжує бути в межах 10-річного періоду, і багато операторів шукають більш тривалий термін служби, усунення температури як змінної значно сприяє задоволенню вимог щодо тривалості життя. Все ще існує велика кількість факторів, які можуть вплинути на час автономної роботи, але температура на сьогоднішній день є найбільш впливовою.

Акумулятор SPBES 1 МВт-год, розташований у 20-футовому контейнері ISO.

Система Size: Інша область, де ми спостерігали значний розвиток як у використанні елементів, так і в конструкції батареї, - це розмір. Виробники клітин значно покращили щільність енергії за останні десять років. Збільшуючи щільність енергії літій-іонних елементів, можна створити значно меншу систему. Наприклад, система з 88 кВт-год на модуль проти батареї, яка має 65 кВт-год на модуль, вже досягла 35% поліпшення ваги та простору, необхідного для установки. Поки тривалість циклу відповідає життєвим потребам, це величезне покращення. З мого досвіду, збільшення щільності енергії, як правило, скорочує цикл життя.

Іншою важливою особливістю будь-якої системи є відсоток енергії, доступної на постійній основі. На нашому дизайні повітряного охолодження першого покоління безперервна оцінка становила близько 70%. Це означало, що якщо нам потрібен 1 МВт енергії, нам потрібно мати близько 1,4 МВт-год потужності для роботи при навантаженні 1 МВт. Це означало більшу, важчу систему, яка також була значно дорожчою в установці та обслуговуванні. Якби ми припустили, що акумуляторна система коштує 100 доларів за кВт-год, то акумулятор потужністю 1,4 МВт-год додав би 140 000 доларів до капітальних витрат системи - і навіть не враховував поточні результати та фінансові наслідки збільшення розміру, ваги та обслуговування!

Рідка система охолодження дозволяє SPBES використовувати значно більше ємності акумулятора. Це насправді означає, що ми можемо значно зменшити розмір та пов'язані з цим витрати акумулятора. У нашому випадку батарея тепер може працювати із середньою безперервною швидкістю (заряд і розряд) 300%. У наведеному вище прикладі систему потужністю 1 МВт/год тепер можна зустріти з батареєю на 350 кВт/год; набагато менший, набагато легший і набагато дешевший в установці, при цьому потрібно лише 35 000 доларів США (якщо необхідні витрати становлять 100 доларів за кВт-год).

Передова технологія: запатентована система охолодження рідини CellCool TM SPBES зменшує ризик і збільшує термін служби.

Хоча вищевказана модель не завжди є точною, вона більш відображає те, що ми називаємо енергетичними системами. В енергетичних системах, де потрібен більш повільний і стабільний вихід енергії, розмір повністю залежить від потужності. Клієнти та оператори зрозуміють концепцію того, що їхні судна працюють під енергією чи енергетичними потребами, і де енергія є рушієм, ми спроектували акумуляторну систему, де ми можемо просто використовувати ту саму батарею з усіма однаковими компонентами, але з елементами, які мають вищі щільність енергії - тому ми можемо значно зменшити розмір акумуляторної системи.

Стійкість: Акумулятор, який може прослужити десять років, - досить дивовижна річ, але він ніколи не буде відповідати тривалості життя самого судна. Це прирівнюється до значних витрат на заміну акумуляторної системи кожні п’ять чи десять років на судні, яке буде експлуатуватися до 50 років. Ми прийняли цей виклик і, проаналізувавши систему, зрозуміли, що хоча всі компоненти потребують певного обслуговування, найважливішою причиною заміни ESS був той факт, що клітини старіють.

Відповіддю на постійну заміну (і пов'язані з цим капітальні витрати) є конструкція, яка дозволяє нам регулярно видаляти та оновлювати клітини, тобто кожні 5-10 років. Якщо ми можемо утримати основну частину інфраструктури та систем безпеки, то ми можемо зменшити витрати на заміну системи до вартості заміни та переробки комірок. Це кардинально зменшує загальні витрати на експлуатацію електричного або гібридного судна протягом його життя.

Cell Swap TM лежить в основі нашого дизайну з 2015 року, і кожне ядро модуля (незалежно від хімії клітин) може бути замінено протягом 30 хвилин. Техніки SPBES можуть виконувати реконструкцію CellSwap, поки корабель працює або знаходиться на технічному обслуговуванні. Зміна комірок означає, що тривалість життя акумуляторної батареї зараз така ж, як і у судна; це схоже на технічне обслуговування двигуна та відновлення. З цим включенням дизайн акумуляторної системи відповідає вимогам морського ринку.

Утилізація відіграватиме дедалі помітнішу роль у прийнятті рішень протягом наступного покоління. Це частина переваги обміну клітинами; ми можемо безпечно підтримувати переробку літієвих елементів і робити це за дуже низьких витрат та впливу операційних бюджетів. Частиною нашого укладання контрактів є включення утилізації кінця терміну експлуатації до кожної системи. Хоча це часто ігнорують, будь-якій компанії, яка використовує ESS в комерційних операціях, необхідно включати ці операційні витрати в свій аналіз впливу використання систем накопичення енергії у повсякденному застосуванні.

Куди далі? Я думаю, що комерційні потреби будуть і надалі сприяти вдосконаленню. Природна еволюція чистого морського рушія з такими продуктами, як паливні елементи, значно покращить вплив на навколишнє середовище та рентабельні операції. Такі організації, як ІМО та Урядові органи класів та прапорів, продовжуватимуть мотивувати нас рухатись уперед вперед, щоб задовольнити потреби не лише нашої галузі, а й суспільства. Ми з нетерпінням чекаємо викликів майбутнього та наступного покоління розробок, що настануть.