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Garantire una gestione termica senza pari per favorire prestazioni affidabili su tutta la rete
L'importanza dell'uniformità della temperatura (±1,5 °C) per ottenere un controllo della frequenza costante
Il raffreddamento a liquido mantiene in modo ottimale la temperatura dei contenitori di accumulo delle batterie entro un intervallo di ±1,5 gradi Celsius. Una stabilità termica di questo livello è fondamentale per consentire alle batterie di rispondere in modo rapido e preciso alle variazioni di frequenza. In assenza di un controllo termico così uniforme, le batterie diventano lente e la loro efficacia diminuisce rapidamente. Questi sistemi, come dimostrato, sono in grado di controllare la frequenza della rete entro un intervallo di 0,1 Hz anche durante brusche variazioni della domanda. Al contrario, i sistemi raffreddati ad aria presentano quasi sempre una differenza di temperatura di 5 gradi, che, insieme ad altri fattori, provoca problemi di regolazione della frequenza e influisce sull’erogazione di potenza reattiva. I test UL 9540A dimostrano che una corretta gestione del calore comporta una riduzione del 40% dei problemi legati alla frequenza rispetto ai sistemi di raffreddamento ad aria. Nelle applicazioni su larga scala per la rete elettrica basate su fonti rinnovabili, è necessario raggiungere questo livello di uniformità termica per evitare guasti sistemici più gravi.
Prova del caso: Progetto AES Alamitos da 400 MWh – Disponibilità del 99,2% con contenitori per accumulo batterico raffreddati a liquido
Il progetto AES Alamitos da 400 MWh ha raggiunto una disponibilità annuale del 99,2% grazie a contenitori per accumulo energetico a batteria raffreddati a liquido. Questo livello di disponibilità dimostra l’efficacia della progettazione termica e la resilienza operativa dell’intero sistema. Per un intero anno, questa configurazione è stata in funzione e contrattualmente impegnata verso la rete, compresi periodi di scarica continua, spostamento dei profili di domanda e lunghe durate operative. La configurazione è stata inoltre contrattualmente impegnata a fornire risposta attiva alla frequenza e bilanciamento del carico nel periodo considerato. Come è stato ottenuto questo risultato? Il sistema integrato di raffreddamento a liquido ha eliminato efficacemente i problemi termici causati da altri sistemi, mantenendo una temperatura ottimale costante per ogni singola cella. Ciò ha comportato una riduzione del 50% delle manutenzioni non programmate e dei problemi termici. Questa configurazione ha generato ricavi aggiuntivi da servizi ausiliari a risposta rapida durante il periodo operativo del progetto, oltre a una riduzione dei costi di esercizio e manutenzione (O&M). Questo progetto rappresenta ulteriore prova e una soluzione concreta alla crescente esigenza, sempre più pressante, di contenitori raffreddati a liquido nei grandi impianti di accumulo energetico.
Migliorata sicurezza grazie all’integrazione aggiuntiva di misure di mitigazione del runaway termico
Dati dai test UL 9540A: perché il 78% degli incidenti relativi ai sistemi di accumulo di energia (BESS) è causato da punti caldi affidabili nei sistemi di raffreddamento ad aria
Per i test UL 9540A, il riscaldamento non uniforme rappresenta il principale rischio per la sicurezza nei sistemi di accumulo di energia su larga scala basati su batterie. Le maggiori sfide che dobbiamo affrontare derivano dai suddetti punti caldi presenti nei sistemi raffreddati ad aria. Quando l’aria raffreddata in questi sistemi non riesce a essere raffreddata di oltre 15 gradi Celsius tra un pacco batteria e l’altro, alcune batterie vengono raffreddate ben al di sotto delle loro temperature operative sicure, accelerando così il degrado. Ciò genera rapidamente un significativo squilibrio nella resistenza elettrica e aumenta la probabilità di runaway termico durante cicli ad alto stato di carica. Una volta raggiunta tale condizione di runaway, il calore si propaga rapidamente alle celle adiacenti, poiché il suddetto sistema di raffreddamento non fornisce un raffreddamento sufficiente e vi è abbondante ossigeno presente nell’aria per alimentare l’incendio. In pochi minuti, ciò che avrebbe potuto essere un problema di lieve entità si trasforma in un incendio completamente sviluppato.
Liquido refrigerante dielettrico + rilevamento in tempo reale dell’incendio: riduzione del 67% del tempo di propagazione
Quando combinata con il raffreddamento dielettrico per immersione, l'analisi predittiva multi-sensore può ridurre il tempo di propagazione della fuga termica fino al 67%. Il liquido refrigerante speciale non conduttivo assorbe il calore 3,5 volte di più rispetto all'aria e blocca anche l'ossigeno, oltre a mantenere fisicamente separate le celle in avaria. I sistemi di monitoraggio in tempo reale possono rilevare i primi segnali di anomalia, come piccole variazioni di tensione, improvvisi aumenti di CO₂ e incrementi localizzati della temperatura. Una volta rilevati tali fenomeni, il sistema può isolare autonomamente i moduli interessati in pochi secondi. Ciò significa che, anziché gestire problemi che potrebbero diffondersi ad altri contenitori, le anomalie vengono contenute esattamente nel punto in cui si originano. Negli studi di prova sul campo, abbiamo osservato una riduzione del tempo medio di risposta da 8 minuti a 2,5 minuti. Questo miglioramento temporale incrementa significativamente il livello di contenimento degli incidenti e accresce anche la sicurezza del personale potenzialmente esposto a condizioni pericolose.
Durata più lunga e costi inferiori di gestione e manutenzione grazie al raffreddamento preciso
Riferimento DOE 2023: ciclo di vita di 15–20 anni rispetto ai 10–12 anni dei sistemi raffreddati ad aria
Il rapporto di riferimento sulle prestazioni dei sistemi di accumulo di energia (BESS) del Dipartimento dell’Energia statunitense del 2023, ad esempio, riguardo al raffreddamento liquido di precisione per batterie agli ioni di litio, prevede l’integrazione di meccanismi di raffreddamento in grado di regolare la temperatura entro una fascia di circa ±1,5 °C. Ciò contribuisce a ridurre la rapida perdita di capacità riscontrata nei sistemi raffreddati ad aria. Di conseguenza, le batterie offrono una maggiore durata in termini di numero di cicli. Invece di funzionare per un tipico periodo di 10–12 anni con sistemi di raffreddamento convenzionali, le batterie possono operare per 15–20 anni mantenendo oltre l’80% della loro capacità originale. In generale, la vita utile ripetuta in cicli delle batterie significa che queste dovranno essere sostituite tre volte meno frequentemente. Tale riduzione della frequenza di sostituzione delle batterie si traduce in un costo inferiore per ogni singola sostituzione. L’analisi dei costi di ciclo di vita condotta dall’Istituto Ponemon dimostra, a questo proposito, che nel tempo le aziende risparmieranno circa 740.000 dollari statunitensi per ogni 100 megawattora di capacità di accumulo.
La modularità con sostituzione a caldo nei contenitori per lo stoccaggio delle batterie riduce i tempi di inattività del 92%
I contenitori di stoccaggio sono progettati per consentire agli operatori di eseguire la sostituzione dei moduli della batteria in loco. Ciò significa che l'intero sistema può rimanere operativo mentre i moduli vengono sostituiti, riducendo notevolmente il tempo dedicato alla manutenzione. Il programma di test del 2023 di ERCOT ha confermato che l’impiego di moduli consente di ridurre, in media, le ore mensili di fermo da 14,5 a poco più di 1. In combinazione con alcuni strumenti predittivi per il monitoraggio dello stato di salute del sistema, il tempo di attività (uptime) può raggiungere quasi il 99% e i costi di manutenzione e di lavoro operativo possono essere ridotti di circa il 60%. Un altro vantaggio significativo di questa progettazione modulare è la facilità con cui ulteriori moduli possono essere integrati nel sistema. Le soluzioni modulari per batterie sono progettate per essere integrate nei sistemi esistenti senza la necessità di riposizionare o riconfigurare fondazioni, cablaggi elettrici o sistemi di raffreddamento. Ciò riduce in modo significativo la necessità di interventi di adeguamento costosi e consente di implementare nuove configurazioni molto più rapidamente rispetto alle soluzioni convenzionali.
Soluzioni di stoccaggio scalabili, economiche ed efficienti dal punto di vista dello spazio per località ad alta densità
I contenitori per lo stoccaggio di batterie raffreddati a liquido offrono circa il 40% in più di capacità di stoccaggio per metro cubo rispetto ai contenitori raffreddati ad aria e risultano quindi più economici per ambienti urbani densamente popolati, come le cabine elettriche urbane e i siti produttivi, nonché per i sistemi microgrid fuori rete, dove i costi del terreno sono molto elevati. Impacchettamento denso: oltre 1 megawatt per unità batteria, i sistemi raffreddati ad aria presentano il rischio di guasti dovuti a "punti caldi" e di riduzione della durata degli insiemi impacchettati. I contenitori per batterie raffreddati a liquido distribuiscono il liquido di raffreddamento anche oltre 1 megawatt per contenitore, contribuendo a controllare gli squilibri termici e consentendo un impacchettamento verticale e più compatto delle batterie. I contenitori modulari contribuiscono inoltre a ridurre tempi e costi minimizzando la produzione in loco. Rispetto ad altri design di contenitori, i sistemi raffreddati ad aria sono pronti per essere messi in servizio fino a 3 volte più velocemente.
Domande frequenti
Perché il raffreddamento a liquido è più ottimale rispetto al raffreddamento ad aria per le batterie?
Per le batterie, il raffreddamento ad aria subisce spesso escursioni termiche maggiori e un raffreddamento non uniforme. Ciò comporta prestazioni scadenti, riduzione della durata della batteria e aumento delle esigenze di manutenzione o sostituzione. Il raffreddamento a liquido evita questi problemi garantendo e mantenendo temperature costanti.
Perché il raffreddamento di precisione è vantaggioso per le batterie?
Prevenendo il superamento da parte delle batterie della temperatura ottimale, il raffreddamento di precisione ne prolunga la durata e aiuta a mantenere la capacità utilizzabile. Di conseguenza, le batterie raffreddate a liquido avranno una vita utile di 20 anni, mentre quelle raffreddate ad aria avranno una vita utile di soli 10–12 anni.
Qual è l'importanza della mitigazione della propagazione termica per la sicurezza delle batterie?
La mitigazione della fuga termica svolge un ruolo fondamentale nella sicurezza delle batterie, poiché limita la rapida propagazione di calore e di fiamme nei sistemi batteria. I sistemi integrati per il raffreddamento dielettrico e il rilevamento attivo dell’incendio riducono i tempi di propagazione del calore e attenuano i danni.