може бъде

Безопасност за съхранение на енергия за търговски кораби; уроци, научени в практическото приложение

Публикувано в G Captain на 3 февруари 2020 г. https://gcaptain.com/advances-in-battery-safety-and-technology/

Напред

Литиево-йонната батерия има няколко потенциални опасности, които трябва да бъдат взети предвид, за да бъдат хората и оборудването в безопасност. Важно е да се вземат предвид тези опасности за всеки етап от живота на батерията, а не само в деня, в който е инсталиран. От производството до доставката, инсталирането, пускането в експлоатация, поддръжката и в крайна сметка рециклирането на батерията, безопасността трябва да бъде на първо място и най-важното.

В основата на системата е литиево-йонната клетка; химическа електроцентрала, която не може просто да бъде изключена, за да бъде безопасна. Клетката на батерията по своята същност винаги е жива; поради това е важно да се гарантира безопасността на персонала от тази потенциална опасност. Напрежението на една клетка е ниско и следователно не е опасно, но потенциалният ток е много висок, тъй като вътрешното съпротивление на клетката е ниско. Съкращаването на положителното и отрицателното с метален предмет ще доведе или до изпаряване на клемите на батерията, или до нагряване на металния предмет.

По време на производството се използват специални инструменти и процеси за намаляване на риска от късо съединение на клетката. Когато клетките са сглобени последователно, за да образуват по-високи напрежения заедно в модул, напрежението става по-опасно. Отново се използва специален инструмент за сглобяване, за да се предпази персонала от случайно късо съединение. След сглобяването е важно да се предпази персонала от това напрежение по време на транспортиране, монтаж, пускане в експлоатация и извеждане от експлоатация.

За това SPBES използва контактор вътре в модула, за да изолира напрежението на батерията от клемите на батерията. Този контактор може да бъде затворен само от системата за управление на батерията (BMS) по време на работа, като по този начин елиминира всички опасности, свързани с напрежението, когато не се използва. Общото напрежение на батерията, след като е инсталирано, е много опасно, като се има предвид, че често инсталираме батерии при напрежение на шината над 700VDC и до 1500VDC. Защитата за това е направена чрез подходящ дизайн на изолацията, използването на прекъсвачи и независими вериги за безопасност като блокировки с високо напрежение, независими изключвания на прекъсвача и откриване на повреда на земята.

Системата е проектирана също така да намали напрежението навсякъде в инсталацията до по-малко от 100V, когато системата е изключена. Това гарантира, че неволните къси панталони няма да доведат до опасно висок ток и потенциални повреди на системата.

Термичното избягване е потенциално катастрофална опасност, която също трябва да бъде в ума на инженера, когато проектирате литиево-йонна батерия. Рядко се случва избягване на топлина, но въздействието може да бъде опустошително, когато се случи. Нашата дизайнерска философия е да премахнем напълно риска чрез нашата патентована охладителна система CellCoolTM.

Вместо да се опитва да се справи с потенциалните последици от термично бягство, SPBES винаги се е фокусирал върху премахването на тази опасност напълно. Дори ако клетката се загрее, независимо от причината, системата на SPBES може да отстрани топлината достатъчно бързо, за да предотврати появата на топлинни изтичания. Освен това, охлаждащата система на SPBES предпазва клетките от външни източници на топлина като пожар извън батерията.

Нашата философия винаги е била и винаги ще бъде да защитаваме кораба и екипажа, доколкото е възможно, като включваме нови иновации за безопасност от нашия екип за научноизследователска и развойна дейност, когато те станат достъпни.

ForSea Aurora пътува от Дания до Швеция, използвайки задвижване на батерия EV

Аванси в Батерия Безопасност и Технология

Технологията на батериите се е развила много бързо, но хибридното и електрическото задвижване на корабите все още е сравнително млада индустрия. Към днешна дата все още няма търговски системи, които да твърдят, че са били в експлоатация от 10 години. Въпреки това, икономическите и екологични предимства на съхранението на батериите означават, че сега има десетки кораби, работещи в хибриден и напълно електрически режим. Според последните оценки системите за съхранение на енергия (ESS) сега са включени в около 75% от монтажите и новоизградените кораби по целия свят.

През 2009 г. проектирах първите си литиеви батерии за морски приложения. Те бяха създадени, за да демонстрират принципа, че ESW с мащаб MW може да работи като традиционното задвижване, като същевременно осигурява реална търговска стойност; и имаше много съмняващи се. Днес еволюирахме не само производителност, но безопасност, интеграция, управление на разходите и риска до много по-предвидими нива. Данните, получени от постоянното търговско използване на батерийната система, предоставиха безценна информация, която ни позволи да развиваме и непрекъснато да подобряваме нашите системи.

Класификационните дружества и властите на флага също непрекъснато настояват за все по-добри и по-добри системи. Тези агенции включват мощни инструменти за оценка на риска, за да гарантират безопасността на операторите и пътниците, тъй като капацитетът на системата става все по-голям и по-голям.

Експлоатационните данни и опит доведоха до значителни подобрения в дизайна на батериите, което доведе до подобрена безопасност, живот на системата, намаляване на риска и цялостна производителност. Подобрените характеристики на съвременните морски батерии също са променили пазара. По-ниските системни разходи означават, че все повече морски вертикали сега намират възвръщаемост на инвестициите от съхранението на енергия. Например, по време на формирането на морската ESS индустрия, влекачите и фериботите представляват най-добрите търговски приложения за системи за съхранение на енергия. Днес можем да добавим круизни кораби, кораби за петрол и газ, офшорни и вятърни паркове към непрекъснато нарастващия списък на търговските кораби, които използват все по-широко съхранението на енергия.

Основните съображения за ефективния дизайн на батерията започват с два основни въпроса 1) ESS трябва да бъде подобрение на съществуващите методи за експлоатация на кораби и 2) решението трябва да осигури финансови ползи без външна подкрепа (държавни субсидии или схеми за данъчен кредит) в за да спечелите трайно своето място като част от системния дизайн.

Това са ключовите въпроси, които зададохме, когато сме на таблицата за проектиране на нашите настоящи системи, разбирайки, че те са ключът към успеха. От дългогодишен опит в реалния свят обаче също знаехме, че следните критерии също са критично важни за дългосрочния търговски успех:

Безопасност: трябваше да можем ефективно да елиминираме възможността за изтичане на топлина в акумулаторна система, в противен случай никога няма да видим истинска приемливост на пазарите и нарастване на размера на системата. Това предизвикателство беше в основата на нашето съзнание при всяко дизайнерско решение и ние се справихме с него чрез създаването на нашата патентована охлаждаща система CellCool TM, която ефективно премахва риска от термично избягване.

Главният е много прост; намалете температурата на клетките с по-бърза скорост, отколкото клетката повишава температурата. Колкото и усърдно да ги работите, с CellCool TM те няма да постигнат температурата, необходима за изтичане на топлина. Работихме в сътрудничество с класификационните дружества и властите на флаговете, за да разработим това, което според нас беше трудно да преминем тестове за безопасност, предназначени да покажат, че батериите са по същество безопасни. Издигнахме това на друго ниво и зададохме собствения си златен стандарт като безопасност при самозапалване - най-трудният тест, пред който може да се изправи батерията.

Дори в този много взискателен тест ние доказахме успех. Нашите системи са в състояние да предотвратят значителни повреди на батерията (включително разпространение на ниво клетка) и в крайна сметка да направят всяка система безопасна за работа. Това се прави с по същество проста система за охлаждане с течност. Това не може да бъде постигнато с въздушни охладителни системи поради проблема с управлението на пренос на топлина с нещо толкова енергийно плътно, колкото повечето литиеви химикали.

Waxholmsbolaget Yxlan Ice class хибриден пътнически ферибот осигурява целогодишно пътуване в Стокхолмския архипелаг.

Безопасността има и други съображения; има безопасност при бедствия на клетъчно ниво и след това има безопасно използване на батериите. Проектирахме BMS, който по своята същност е фокусиран върху защитата на кораба, акумулаторната система и клетките. Това се прави в основата си чрез наблюдение на напрежението и температурата на всяка отделна клетка в системата и след това балансиране на производителността на кораба в рамките на безопасни оперативни принципи на кораба.

Има два различни начина за проектиране на BMS; такъв, който е идеален за напълно електрически кораб и такъв, който отговаря на хибридни приложения. Докато и двете по принцип дават възможност на операторите да избират в случай на повреда на батерията, в напълно електрически кораб безопасната експлоатация на кораба се превръща в ръководен принцип при вземането на решения на BMS и системата за управление на мощността (PMS). В хибридно приложение батериите могат да се превърнат във фокус на работата на PMS, тъй като корабът има алтернативни задвижващи системи и не зависи изцяло от батерията за работа. След като дефинираме типа на приложението като хибридно или електрическо, можем да оптимизираме оперативната логика на BMS, тъй като тя се отнася до критериите за вземане на решения PMS/оператор.

Друг важен елемент на безопасност при проектирането е включването на контактори в нашите модули от градивни елементи. По принцип, тъй като изграждаме системи за постояннотоково напрежение, които варират от 300-1500VDC, рискът от нараняване при транспортиране и обслужване е много висок. Например, дъгова светкавица от 1500 VDC може за постоянно да деактивира техник. Чрез добавяне на контактори в отделните модули на батерията, ние елиминираме напрежението на клемите, докато системата се включи напълно и BMS може да одобри, че всички кабели са правилно секвенирани и защитени. Няма напрежение или мощност на клемите, стига да са отворени. Също така намаляваме риска, като изолираме градивните елементи като единични единици, без значение колко голям е общият размер. Елементът на безопасността на екипажа на нашите техници и операторите на плавателните съдове не може да бъде надценен по отношение на ползата за нашите клиенти. Вече можем да обучаваме корабни инженери и екипаж да извършват поддръжка на батериите, не е необходимо да привличаме специално квалифицирани електротехници, които да извършват основна поддръжка. Това решение за проектиране не беше безплатно, но това е правилният начин да се подобри цялостната безопасност на нашите клиенти.

SPBES патентована система eVent, показваща пътя на извличане на газ в единично клетъчно термично събитие.

Цена: Друга критична част от дизайна на батерията не е самата батерия, а пространството, в което батерията работи. Въздействието на допълнителните разходи на необходимите добавени системи, необходими за безопасна работа, е значително. В повечето случаи, както и в по-ранните ни проекти, неща като пожарна безопасност, откриване на пожар, откриване на газ, извличане на газ, охлаждане и аварийна вентилация бяха оставени на други изпълнители и не бяха включени в цената на акумулаторната система. Тези така наречени допълнителни системи всъщност са от решаващо значение за работата на батерията и не са задължителни, но в повечето случаи доставчиците на батерии ще оставят тези допълнителни разходи на строителите на кораби.

Нашият подход стана по-холистичен и обхвана всички части на батерийната система с развитието на нашия дизайн, което означава по-малко добавени разходи за kWh и по-интегрирано инженерство. Следващата ни еволюция в разработването е да потвърдим дизайна на нашите основни модули, за да издържим тест на батерията A60. Валидирането на този тест ще премахне необходимостта от изграждане на корпус A60 за батериите.

За да се постави това в контекст, един от нашите партньори интегратори определи, че типичните добавени разходи за батерийна система могат да достигнат до $ 275/kWh за обща инсталация на батерията, тази цена е на върха на цената на самите батерии.

От съществено значение е интеграторите и крайните клиенти винаги да разбират общите системни разходи, за да могат да се вземат решения относно възвръщаемостта на инвестициите въз основа на действителните инсталирани системни разходи, а не само разходите за батерията. Всъщност SPBES не е напълно имунизиран срещу тази цена; нашето течно охлаждане изисква охладители с размери, отговарящи на енергийните нужди на системата и нашата система за извличане на газ трябва да бъде правилно вентилирана, но вместо $ 275/kWh, ние сме изправени пред разходи обикновено от $ 20/kWh за добавените компоненти и да отговорим на всички изисквания за производителност.

Друго предимство на течното охлаждане SPBES CellCool е способността да се предсказва действително живота на нашите системи. Системите с въздушно охлаждане са много зависими от стайната температура на околната батерия, за да могат да управляват цялостния живот на литиевата батерия и са много непостоянни. Дори малко повишаване на стайната температура на околната батерия ще повлияе на температурата на литиевите клетки и може значително да намали живота на календара. За разлика от това, течното охлаждане поддържа температурата на клетките в определен диапазон и ние можем да премахнем въздействието на околната температура върху експлоатационния живот на клетките.

Тъй като животът на системата продължава да бъде в рамките на 10-годишен диапазон и с много оператори, търсещи решения с по-дълъг живот, премахването на температурата като променлива води до дълъг път към изпълнението на изискванията за продължителност на живота. Все още има голям брой фактори, които ще повлияят на живота на батерията, но температурата е най-влиятелната.

SPBES 1MWh батерия, разположена в 20-футов ISO контейнер за доставка.

Система Сизе: Друга област, в която сме наблюдавали значително развитие както при използването на клетките, така и при дизайна на батерията, е размерът. Производителите на клетки са подобрили значително енергийната плътност през последните десет години. Чрез увеличаване на енергийната плътност на литиево-йонните клетки може да се създаде значително по-малка система. Например, система с 88kWh на модул спрямо батерия, която има 65kWh на модул, вече е постигнала 35% подобрение на теглото и пространството, необходими за инсталация. Докато животът на цикъла отговаря на потребностите през целия живот, това е огромно подобрение. Според моя опит увеличаването на енергийната плътност води до намален живот на цикъла.

Другата съществена характеристика на всяка система е процентът на непрекъснато налична енергия. При нашия дизайн от първо поколение с въздушно охлаждане непрекъснатият рейтинг е около 70%. Това означаваше, че ако се нуждаем от 1MW енергия, трябва да имаме около 1,4MWh капацитет, за да работим при натоварване от 1MW. Това означаваше по-голяма, по-тежка система, която също беше значително по-скъпа за инсталиране и поддръжка. Ако приемем, че батерийната система струва $ 100/kWh, тогава батерията с 1,4 MWh ще добави 140 000 $ към капиталовите разходи на системата - и дори не отчита текущите резултати и финансовите последици от увеличения размер, тегло и поддръжка!

Система за течно охлаждане позволява на SPBES да използва значително повече от капацитета на батерията. Това наистина означава, че можем значително да намалим размера и свързаните с това разходи на батерията. В нашия случай батерията вече може да работи със средна непрекъсната скорост (зареждане и разреждане) от 300%. В горния пример, 1MWh система вече може да бъде изпълнена с 350kWh батерия; много по-малък, много по-лек и много по-евтин за инсталиране, само с бюджет от $ 35 000 (ако необходимите разходи са $ 100/kWh).

Разширена технология: Патентованата система за охлаждане на течности CellCool TM на SPBES намалява риска и увеличава продължителността на живота.

Въпреки че горният модел не винаги е точен, той е по-отразяващ в това, което наричаме енергийни системи. В енергийните системи, където се изисква по-бавен и по-стабилен изход на енергия, размерът зависи изцяло от капацитета. Клиентите и операторите ще разберат концепцията, че техните плавателни съдове работят под мощност или енергийни изисквания и когато енергията е двигателят, ние сме проектирали акумулаторна система, при която можем просто да използваме една и съща батерия с всички едни и същи компоненти, но с клетки, които имат по-висока енергийна плътност - така че можем значително да намалим отпечатъка на батерийната система.

Устойчивост: Батерията, която може да издържи десет години, е доста удивително нещо, но никога няма да съответства на продължителността на живота на самия кораб. Това се равнява на значителни разходи за подмяна на акумулаторна система на всеки пет или десет години на плавателен съд, който ще бъде в експлоатация до 50 години. Приехме това предизвикателство и при анализ на система осъзнахме, че докато всички компоненти ще изискват известна поддръжка, най-съществената причина за подмяна на ESS е фактът, че клетките ще остареят.

Отговорът на непрекъснатата подмяна (и свързаните с нея капиталови разходи) е дизайн, който ни позволява да премахваме и обновяваме клетките редовно, т.е.на всеки 5 до 10 години. Ако успеем да поддържаме по-голямата част от инфраструктурата и системите за безопасност, тогава можем да намалим разходите за подмяна на системата до разходите за подмяна на клетки и рециклиране на клетки. Това радикално намалява общите разходи за експлоатация на електрически или хибриден кораб през целия му живот.

Cell Swap TM е в основата на нашия дизайн от 2015 г., като всяко ядро ​​на модула (независимо от химията на клетките) може да бъде заменено в рамките на 30 минути. Техниците на SPBES могат да извършват обновяване на CellSwap, докато корабът работи или е за поддръжка. Смяната на клетки означава, че продължителността на живота на батерията е същата като тази на кораба; подобно е на поддръжката и възстановяването на двигателя. С това включване дизайнът на акумулаторната система вече е в съответствие с изискванията на морския пазар.

Рециклирането ще има все по-важна роля при вземането на решения през следващото поколение. Това е част от ползата от размяна на клетки; можем безопасно да подкрепим рециклирането на литиевите клетки и да направим това на много ниска цена и въздействие на оперативните бюджети. Част от нашето договаряне сега е да включваме рециклиране в края на живота с всяка система. Въпреки че често се пренебрегва, е необходимо всяка компания, която използва ESS в търговски операции, да включи тези оперативни разходи в своя анализ на въздействието на използването на системи за съхранение на енергия в ежедневното приложение.

Къде следва? Мисля, че търговските нужди ще продължат да водят до подобрения. Естественото развитие на чистото морско задвижване с продукти като горивни клетки значително ще подобри въздействието върху околната среда и рентабилните операции. Организации като IMO и органите за класа и знамето ще продължат да ни мотивират да движим технологията напред, за да отговорим на нуждите не само на нашата индустрия, но и на обществото. Очакваме с нетърпение предизвикателствата на бъдещето и следващото поколение разработки, които предстоят.