Az akkumulátorok biztonságának és technológiájának fejlődése

technológia

Energiatárolás biztonsága kereskedelmi hajók számára; a gyakorlati alkalmazás során levont tanulságok

Megjelent a G kapitányban, 2020. február 3-án. Https://gcaptain.com/advances-in-battery-safety-and-technology/

Előre

A lítium-ion akkumulátornak számos lehetséges veszélye van, amelyeket figyelembe kell venni az emberek és a berendezések biztonsága érdekében. Fontos figyelembe venni ezeket a veszélyeket az akkumulátor élettartamának minden szakaszában, nem csak a telepítés napján. A gyártástól kezdve a szállításig, az üzembe helyezésig, az üzembe helyezésig, a karbantartásig és végül az akkumulátor újrahasznosításáig mindenekelőtt a biztonságnak kell lennie.

A rendszer lényege a lítium-ion sejt; vegyi erőmű, amelyet biztonsága érdekében nem lehet egyszerűen kikapcsolni. Az elemcellák természetüknél fogva mindig élnek; ezért fontos biztosítani a személyzet biztonságát ettől a lehetséges veszélytől. Egyetlen cellán a feszültség alacsony, ezért nem veszélyes, azonban a potenciális áram nagyon magas, mivel a cella belső ellenállása alacsony. A pozitív és negatív fémtárgyakkal történő rövidzárlata vagy az akkumulátor pólusainak elpárolgását, vagy a fémtárgy nagyon forróságát eredményezi.

A gyártás során speciális szerszámokat és eljárásokat alkalmaznak a cella rövidzárlatának kockázatának csökkentésére. Amikor a cellákat sorba állítják, és így együttesen nagyobb feszültségeket képeznek egy modulban, a feszültség veszélyesebbé válik. Ismét speciális szerelőeszközökkel védik a személyzetet a véletlen rövidzárlat ellen. Az összeszerelés után fontos megvédeni a személyzetet ettől a feszültségtől a szállítás, a telepítés, az üzembe helyezés és az üzembehelyezés során.

Ehhez az SPBES a modulban lévő kontaktort használja az akkumulátor feszültségének leválasztására az akkumulátor pólusairól. Ezt a mágneskapcsolót működés közben csak az Battery Management System (BMS) zárhatja le, így kiküszöböli az összes feszültséggel kapcsolatos veszélyt, ha nem használják. A telepítés után az akkumulátor teljes feszültsége nagyon veszélyes, tekintve, hogy az akkumulátorokat általában 700VDC-nél magasabb és 1500VDC-ig terjedő buszfeszültségre telepítjük. Ennek védelme megfelelő leválasztási tervezéssel, megszakítók és független biztonsági áramkörök, például nagyfeszültségű reteszelések, független megszakító kioldások és testzavarok észlelésével valósul meg.

A rendszert úgy is tervezték, hogy a berendezés bármely pontján a feszültséget 100 V alatti értékre csökkentse, ha a rendszer ki van kapcsolva. Ez biztosítja, hogy a véletlen rövidnadrágok ne okozzanak veszélyesen nagy áramot és a rendszer potenciális károsodását.

A termikus elszabadulás potenciálisan katasztrofális veszély, amelynek a mérnökök előtt is állnia kell, amikor lítium-ion akkumulátort tervez. Ritkán fordul elő termikus szökés, de a hatás pusztító lehet, ha mégis megtörténik. Tervezési filozófiánk az, hogy szabadalmaztatott hűtőrendszerünk, a CellCoolTM révén teljesen kiküszöböljük a kockázatot.

Ahelyett, hogy megpróbálná kezelni a termikus elszabadult esemény lehetséges következményeit, az SPBES mindig is ennek a veszélynek a teljes megszüntetésére összpontosított. Még akkor is, ha a cella felmelegszik, annak okától függetlenül, az SPBES rendszere elég gyorsan képes eltávolítani a hőt, hogy megakadályozza a termikus elszabadulást. Ezenkívül az SPBES hűtőrendszere megvédi a cellákat olyan külső hőforrásoktól, mint például az akkumulátoron kívüli tűz.

Filozófiánk mindig is az volt és mindig is az lesz, hogy a lehető legjobban megvédjük a hajót és a személyzetet, beépítve a K + F csapat új biztonsági innovációit, amint azok elérhetővé válnak.

A ForSea Aurora Dániából Svédországba utazik az EV akkumulátor meghajtásával

Előrehaladás Akkumulátor Biztonsági és Technológia

Az akkumulátor-technológia nagyon gyorsan fejlődött, de a hibrid és elektromos tengeri meghajtás még mindig viszonylag fiatal iparág. A mai napig még mindig nincsenek olyan kereskedelmi rendszerek, amelyek azt állíthatnák, hogy 10 éve működnek. Ennek ellenére az akkumulátortárolás gazdasági és környezeti előnyei azt jelentették, hogy ma már több tucat hajó működik hibrid és teljes elektromos üzemmódban. A közelmúltbeli becslések szerint az energiatároló rendszereket (ESS) a világ minden táján az utánpótlás és új építésű hajók nagyjából 75% -ában beépítik.

2009-ben megterveztem az első lítium akkumulátoromat tengeri alkalmazásokhoz. Ezeket arra tervezték, hogy bemutassák azt az alapelvet, hogy az MW méretű ESS úgy működhet, mint a hagyományos meghajtás, miközben valós kereskedelmi értéket nyújt; és sok volt a kétkedő. Ma már nemcsak a teljesítményt, hanem a biztonságot, az integrációt, a költség- és kockázatkezelést is sokkal kiszámíthatóbb szintre fejlesztettük. Az akkumulátorrendszer folyamatos kereskedelmi használatából származó adatok felbecsülhetetlen értékű információkat szolgáltattak, amelyek lehetővé tették számunkra a rendszerünk fejlődését és folyamatos fejlesztését.

Az osztályozó társaságok és a lobogó szerinti hatóságok is folyamatosan szorgalmazták a jobb és jobb rendszereket. Ezek az ügynökségek hatékony kockázatértékelési eszközöket építettek be az üzemeltetők és az utasok biztonságának biztosítása érdekében, mivel a rendszer kapacitása egyre nagyobb lett.

A működési adatok és tapasztalatok az akkumulátor tervezésének jelentős javulásához vezettek, ami javított biztonságot, a rendszer élettartamát, a kockázat csökkentését és az általános teljesítményt eredményezte. A modern tengeri akkumulátorok jobb teljesítménye szintén megváltoztatta a piacot. Az alacsonyabb rendszerköltség azt jelenti, hogy egyre több tengeri vertikális ember találja meg az ROI-t az energiatárolásból. Például a tengeri ESS ipar kialakulása során a vontatóhajók és a kompok jelentették a legjobb kereskedelmi alkalmazásokat az energiatároló rendszerek számára. Ma körutazási hajókat, olaj- és gázipari, tengeri és szélerőművek hajóit felvehetjük a kereskedelmi hajók soha nem növekvő listájába, amelyek egyre jobban használják az energiatárolókat.

A hatékony akkumulátor-tervezés legfontosabb szempontjai két fő kérdésből indulnak ki: 1) az ESS-nek a hajók üzemeltetésének meglévő módszereinek fejlesztése kell, hogy legyen, és 2) a megoldásnak pénzügyi előnyöket kell nyújtania külső támogatás (állami támogatások vagy adójóváírási rendszerek) nélkül. annak érdekében, hogy véglegesen megszerezze helyét a rendszertervezés részeként.

Ezeket a kulcsfontosságú kérdéseket tettük fel, amikor a jelenlegi rendszereink tervezési asztalánál értettük meg, hogy ezek a siker kulcsa. Többéves valós tapasztalatból azonban azt is tudtuk, hogy az alábbi kritériumok szintén kritikus fontosságúak a hosszú távú kereskedelmi siker szempontjából:

Biztonság: képesnek kellett lennünk hatékonyan kiküszöbölni a termikus elszabadulás lehetőségét egy akkumulátoros rendszerben, különben soha nem fogjuk látni a piacokon az igazi elfogadhatóságot és a rendszer méretének növekedését. Ez a kihívás minden tervezési döntésnél a fejünkben állt, és azzal foglalkoztunk, hogy létrehoztunk egy szabadalmaztatott CellCool TM hűtőrendszert, amely hatékonyan kiküszöböli a termikus elszökés kockázatát.

A fő nagyon egyszerű; gyorsabban csökkentse a sejtek hőmérsékletét, mint a sejtek hőmérséklet-emelkedése. Nem számít, mennyire keményen dolgozza őket, a CellCool TM-mel nem fogják elérni a hőmennyiséghez szükséges hőmérsékletet. Az osztályozó társaságokkal és a lobogó szerinti hatóságokkal együttműködve kidolgoztuk azt a véleményt, amelyet mindannyian nehéznek tartottunk átadni a biztonsági teszteken, amelyek célja annak bizonyítása, hogy az elemek eredendően biztonságosak. Ezt egy másik szintre emeltük, és saját aranystandardunkat állítottuk be biztonságként a spontán égés ellen - ez a legnehezebb teszt, amellyel az akkumulátor szembesülhet.

Még ebben a nagyon igényes tesztben is sikeresnek bizonyultunk. Rendszereink képesek megakadályozni az akkumulátor jelentős károsodását (beleértve a sejtek terjedését is), és végül minden rendszert biztonságossá tesznek. Ez egy eredendően egyszerű folyadékhűtési rendszerrel történik. Léghűtéses rendszerekkel nem érhető el, mivel a hőátadás olyan energiasűrűségű, mint a legtöbb lítiumkémia kezelése.

A Waxholmsbolaget Yxlan Ice osztályú hibrid utasszállító komp egész évben biztosít utazást a stockholmi szigetvilágban.

A biztonságnak más szempontjai is vannak; a cellák szintjén katasztrófavédelem van, majd biztonságos az elemek használata. Megterveztünk egy BMS-t, amely eredendően a hajó, az akkumulátoros rendszer és a cellák védelmére összpontosít. Ez a magjában történik a rendszer minden egyes cellájának feszültségének és hőmérsékletének figyelemmel kísérésével, majd az edény teljesítményének kiegyensúlyozásával a hajó biztonságos üzemeltetési elvein belül.

A BMS tervezésének két különböző módja van; olyan, amely ideális egy teljesen elektromos hajóhoz, és amely megfelel a hibrid alkalmazásoknak. Míg mindkettő alapvetően választási lehetőséget ad az üzemeltetőknek az akkumulátor meghibásodása esetén, egy teljesen elektromos hajóban a hajó biztonságos működése válik a BMS és az energiagazdálkodási rendszer (PMS) döntéshozatalának vezérfonalává. Hibrid alkalmazásban az elemek a PMS teljesítményének középpontjába kerülhetnek, mivel az edény alternatív meghajtási rendszerekkel rendelkezik, és működésükben nem teljesen függ az akkumulátortól. Miután meghatároztuk az alkalmazás típusát hibridnek vagy elektromosnak, optimalizálhatjuk a BMS működési logikáját, ahogyan az a PMS/kezelői döntési kritériumokra vonatkozik.

A tervezés egy másik kritikus eleme a kontaktorok beépítése építőelem-moduljainkba. Alapvetően, mivel egyenfeszültségű rendszereket építünk, amelyek 300-1500VDC tartományba esnek, a szállítás és szervizelés során a személyi sérülések kockázata nagyon magas. Például egy 1500 VDC íves vaku véglegesen letilthatja a technikust. Kontaktorok hozzáadásával az egyes akkumulátor modulokba kiküszöböljük a kapcsok feszültségét, amíg a rendszer teljesen be nem kapcsolódik, és a BMS jóváhagyja, hogy az összes kábel megfelelő sorrendben és védettségben legyen. A kapcsokon nincs feszültség vagy áram, amíg nyitva vannak. A kockázatot azáltal is csökkentjük, hogy az építőelemeket egyetlen egységként különítjük el, függetlenül attól, hogy mekkora a teljes méret. Technikusaink és a hajók üzemeltetőinek személyzetbiztonsági elemét nem lehet túlbecsülni ügyfeleink számára nyújtott előnyök szempontjából. Most kiképezhetjük a hajómérnököket és a személyzetet az akkumulátorok karbantartására, az alapkarbantartáshoz nem kell speciálisan képzett villanyszerelőt bevonnunk. Ez a tervezési döntés nem volt ingyenes, de ez a megfelelő út az ügyfelek hajóinak általános biztonságának javítása érdekében.

Az SPBES szabadalmaztatott eVent rendszer mutatja a gázkivonás útját egyetlen sejt termikus eseményben.

Költség: Az akkumulátor tervezésének másik kritikus része nem maga a tényleges akkumulátor, hanem az a hely, ahol az akkumulátor működik. A biztonságos működéshez szükséges szükséges hozzáadott rendszerek növekvő költségeinek hatása jelentős. A legtöbb esetben, és korábbi terveink során, például a tűzbiztonság, a tűzérzékelés, a gázérzékelés, a gázelszívás, a hűtés és a vészhelyzeti szellőzés más vállalkozókra maradt, és nem kerültek bele az akkumulátor-rendszer költségeibe. Ezek az úgynevezett kiegészítő rendszerek valóban kritikusak az akkumulátor teljesítménye szempontjából, és nem választhatók, de az akkumulátor-beszállítók a legtöbb esetben ezeket a többletköltségeket a hajóépítőkre bízzák.

Megközelítésünk holisztikusabbá vált, és az akkumulátor-rendszer minden részét lefedte, ahogy a tervezésünk fejlődött, ami kevesebb hozzáadott költséget jelent kWh-ra és integráltabb mérnöki megoldásokat jelent. A fejlesztés következő fejleménye az, hogy validáljuk az alapmoduljaink tervét, hogy ellenálljanak az A60 akkumulátor tesztnek. Ennek a tesztnek az érvényesítése kiküszöböli az A60 ház felépítését az elemek számára.

Ennek összefüggésében az egyik integrációs partnerünk megállapította, hogy az akkumulátor-rendszer tipikus hozzáadott költsége akár 275 USD/kWh is lehet az akkumulátor teljes telepítéséhez, ez a költség meghaladja maguknak az akkumulátoroknak a költségeit.

Alapvető fontosságú, hogy az integrátorok és a végfelhasználók mindig megértsék a rendszer teljes költségeit, hogy a beruházás megtérüléséről döntsenek a tényleges telepített rendszerköltségek, és ne csak az akkumulátor költségei alapján. Valójában az SPBES nem teljesen mentes e költségekkel szemben; folyékony hűtésünkhöz olyan hűtők szükségesek, amelyek megfelelnek a rendszer energiaigényének, és a gázelszívó rendszerünket megfelelően kell szellőztetni, de 275 USD/kWh helyett általában 20 USD/kWh költséggel kell számolnunk a hozzáadott alkatrészekért és az összes teljesítménykövetelmény teljesítéséért.

Az SPBES CellCool folyadékhűtés másik előnye, hogy képesek megjósolni rendszereink élettartamát. A léghűtéses rendszerek nagyon függenek az akkumulátor szobahőmérsékletétől, hogy kezelni tudják a lítium akkumulátor teljes élettartamát, és nagyon ingatagak. Az akkumulátor szobahőmérsékletének kismértékű növekedése is befolyásolja a lítium cellák hőmérsékletét, és jelentősen csökkentheti a naptár élettartamát. Ezzel szemben a folyékony hűtés rögzített tartományban tartja a cellák hőmérsékletét, és kiküszöbölhetjük a környezeti hőmérséklet hatását a cellák teljesítményére.

Mivel a rendszer élettartama továbbra is a 10 éves tartományban van, és sok üzemeltető hosszabb élettartamú megoldásokat keres, a hőmérséklet mint változó kiküszöbölése nagyban hozzájárul az élettartam követelményeinek kielégítéséhez. Még mindig nagyon sok tényező befolyásolja az akkumulátor élettartamát, de a hőmérséklet messze a leghatásosabb.

SPBES 1MWh akkumulátor egy 20 lábas ISO szállítótartályban található.

Rendszer Size: Egy másik terület, ahol a cellák használatában és az akkumulátor kialakításában egyaránt jelentős fejlődést tapasztalhattunk, a méret. A sejtgyártók az elmúlt tíz évben jelentősen javították az energiasűrűséget. A lítium-ion sejtek energiasűrűségének növelésével lényegesen kisebb rendszer hozható létre. Például egy rendszerenként 88 kWh-val az akkumulátorral szemben, amelynek modulonként 65 kWh-ja van, már 35% -kal javult a telepítéshez szükséges súly és hely. Amíg a ciklus élete kielégíti az életciklusigényt, ez óriási fejlődés. Tapasztalataim szerint az energiasűrűség növekedése a ciklus élettartamának csökkenését eredményezi.

Bármely rendszer másik jelentős jellemzője a folyamatosan rendelkezésre álló energia százalékos aránya. Első generációs léghűtéses kialakításunknál a folyamatos minősítés körülbelül 70% volt. Ez azt jelentette, hogy ha 1MW energiára van szükségünk, akkor kb. 1,4MWh kapacitással kell rendelkeznünk ahhoz, hogy 1MW terheléssel működhessünk. Ez egy nagyobb, nehezebb rendszert jelentett, amelynek telepítése és karbantartása szintén jelentősen költségesebb volt. Ha azt feltételezzük, hogy az akkumulátor-rendszer 100 dollár/kWh-ba kerül, akkor egy 1,4 MWh-s akkumulátor 140 000 dollárral növelné a rendszer tőkeköltségét - és nem is veszi figyelembe a megnövekedett méret, súly és karbantartás folyamatos teljesítményét és pénzügyi hatásait.!

A folyadékhűtési rendszer lehetővé teszi az SPBES számára, hogy az akkumulátor kapacitásának jelentősen nagyobb részét használja fel. Ez valóban azt jelenti, hogy jelentősen csökkenthetjük az akkumulátor méretét és a kapcsolódó költségeket. Esetünkben az akkumulátor mostantól átlagosan 300% -os folyamatos folyamatos sebességgel (töltés és kisütés) képes működni. A fenti példában egy 1MWh-os rendszer most 350kWh-os akkumulátorral teljesíthető; sokkal kisebb, sokkal könnyebb, és telepítése sokkal költségesebb, mindössze 35 000 dolláros költségvetésre van szükség (ha a szükséges költségek 100 USD/kWh).

Fejlett technológia: Az SPBES szabadalmaztatott CellCool TM folyadékhűtési rendszere csökkenti a kockázatot és növeli az élettartamot.

Bár a fenti modell nem mindig pontos, mégis jobban tükrözi az úgynevezett villamosenergia-rendszereket. Azokban az energiarendszerekben, ahol lassabb, stabilabb energiatermelésre van szükség, a méret teljesen függ a kapacitástól. Az ügyfelek és az üzemeltetők meg fogják érteni azt a koncepciót, hogy hajóik elégtelen vagy energiaigényűek, és ahol az energia a hajtóerő, olyan akkumulátor rendszert terveztünk, ahol egyszerűen ugyanazt az akkumulátort használhatjuk ugyanazokkal az alkatrészekkel, de magasabb cellákkal az energia sűrűsége - így jelentősen csökkenthetjük az akkumulátor-rendszer lábnyomát.

Fenntarthatóság: A tíz évig tartó akkumulátor meglehetősen elképesztő dolog, de soha nem fogja megegyezni a hajó élettartamával. Ez jelentős költségekkel jár, ha öt vagy tíz évente cserélünk egy akkumulátorrendszert egy olyan hajón, amely legfeljebb 50 évig üzemel. Vállaltuk ezt a kihívást, és egy rendszer elemzése során rájöttünk, hogy bár minden alkatrész némi karbantartást igényel, az ESS cseréjének legfontosabb oka az volt, hogy a sejtek elöregednek.

A folyamatos cserére (és az ezzel járó tőkeköltségekre) a válasz olyan kialakítás, amely lehetővé teszi számunkra a sejtek rendszeres eltávolítását és megújítását, azaz 5-10 évente. Ha az infrastruktúra és a biztonsági rendszerek nagy részét helyben tudjuk tartani, akkor csökkenthetjük a rendszer cseréjének költségeit a cellák cseréjének és a cellák újrafeldolgozásának költségeivel. Ez radikálisan csökkenti az elektromos vagy hibrid edény üzemeltetésének teljes költségét annak élettartama alatt.

A Cell Swap TM 2015 óta a tervezés középpontjában áll, és minden modulmagot (a sejtek kémiájától függetlenül) 30 percen belül ki lehet cserélni. Az SPBES technikusai elvégezhetik a CellSwap felújítását, amíg a hajó fut vagy karbantartás alatt áll. A cellacsere azt jelenti, hogy az elemrendszer élettartama most megegyezik az edényével; hasonló a motor karbantartásához és újjáépítéséhez. Ezzel a beépítéssel az akkumulátorrendszer kialakítása most már összhangban van a tengeri piaci követelményekkel.

Az újrahasznosításnak egyre hangsúlyosabb szerepe lesz a következő generáció döntéshozatalában. Ez része a sejtcsere előnyének; biztonságosan támogathatjuk a lítiumcellák újrahasznosítását, és ezt nagyon alacsony költséggel és a működési költségvetés hatásával tudjuk megtenni. Szerződésünk része, hogy az életciklus végi újrahasznosítást minden rendszerbe belefoglaljuk. Bár gyakran figyelmen kívül hagyják, minden olyan vállalatnak, amely az ESS-t kereskedelmi műveletek során használja, fel kell vennie ezeket a működési kiadásokat az energiatároló rendszerek napi alkalmazásának hatáselemzésébe.

Hol tovább? Úgy gondolom, hogy a kereskedelmi igények továbbra is ösztönzik a fejlesztéseket. A tiszta tengeri meghajtás természetes fejlődése olyan termékekkel, mint az üzemanyagcellák, jelentősen javítja a környezeti hatást és a költséghatékony műveleteket. Az olyan szervezetek, mint az IMO, valamint az osztály- és zászlóhatóságok továbbra is arra ösztönöznek bennünket, hogy haladjunk a technológia fejlődésével annak érdekében, hogy ne csak iparunk, hanem a társadalom igényeit is kielégítsük. Várakozással tekintünk a jövő kihívásaira és az elkövetkező fejlesztések következő generációjára.