UPS应用中VRLA、锂离子、飞轮和超级电容技术的成本比较

2022-01-22 Eaton Bussmann
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随着越来越多的东西实现电气化和互联化,确保电力的清洁和优质变得越来越重要。在数据中心、医疗保健、公共聚集区和工业设施等关键电力应用中更是如此。尽管电网弹性管理在大多数地区和地区并不常见,也不是日常问题,但它无法保证电力的稳定运行(参见Eaton的停电跟踪器)。随着分布式发电能源的增加,电网的压力越来越大,这可能会增加停电的风险。同时,这些电能的质量问题产生的不良影响也随之增长。为了防止由于电能质量问题造成潜在的灾难性损坏和大量财物损失,备用电源系统(如UPS)是非常重要的,最关键的电力系统需要集成到这些备用电源系统中。几十年来,标准的阀控式铅酸(VRLA)或吸收性玻璃纤维毡(AGM)电池技术是UPS系统唯一可行的储能选择。然而,它们也有许多缺点,包括不太完美的运行成本(OpEx)。幸运的是,与传统的UPS储能解决方案相比,一些最新的储能技术终于能够提供更高的性能和经济可行性。例如,用于短期备份应用的最佳储能技术之一——超级电容器,就是最近才出现的且仍不广为人知的竞争者。


本文中EATON BUSSMANN将对UPS应用中VRLA、锂离子(Li-ion)、飞轮和超级电容技术的实际资本支出(CapEx)和运营成本前景进行讨论。此外,本文还深入探讨了储能技术的额外成本和考虑因素,这些成本和考虑因素有时难以量化,但在做出决定患者、操作员、电气系统或有价值数据的安全性时非常重要。


备用储能技术考虑因素

尽管备用能源存储的概念可能很容易理解,但围绕存储技术的设计、规模调整和选择的性能参数和特定于应用的问题却非常简单。不间断电源储能技术有多个关键考虑因素。由于储能技术呈现出多种多样的性能因素,确定确切的技术和系统容量需要更深入地了解系统要求。此外,每种储能技术还带来了一系列独特的优点和缺点,这些缺点通常会转化为影响系统的资本支出或运营支出。

关键应急储能参数:

• 功率密度或比功率(以 kW/L 为单位的放电率)

• 连续充电(固定电压下的千瓦或安培)

• 能量密度或比能量 (kW/L)

• 工作温度

• 能量效率

• 待机/空闲能耗

• 放电响应时间

• 使用寿命

• 可靠性

• 封装

• 加固地板重量/运输成本

• 系统、组件和附件的初始成本 (CapEx)

• 维护、维修、冷却等的持续成本(OpEx)

 

需要注意的一点是,与许多其他储能应用(如电动汽车、电网存储或可再生能源存储)不同,备用储能应用更青睐功率密度而非能量密度。这些关键的电力应用通常依赖于能量存储,在断电或低阈值电压状态之后立即恢复输送电力,直到使用更长期的备用电源(传统发电机、天然气涡轮机或氢燃料电池)。仅使用电池、超级电容器或飞轮等储能设备来连续几天支持千瓦或兆瓦负载是不切实际的。因此,UPS系统的备用电源放电通常只需要几秒到几十秒,而不是其他储能应用的几分钟到几小时。此外,与每日或每周循环相比,UPS系统通常一年只使用几次,因此使用循环计数来测量储能寿命对于UPS系统的使用情况可能会产生误导或不准确。此外,在气体压下的可靠性和性能也是储能更重要的因素。


目前,UPS储能市场处于动态变化状态,供应商和客户越来越多地采用除VRLA以外的替代储能技术。这一趋势的主要原因是,VRLA电池的功率密度通常远低于最新的替代存储技术,这意味着VRLA不间断电源将需要更多的VRLA电池来达到所需的放电功率,从而导致更高的前期成本。此外,由于现代发电机能够在不到15秒的时间内启动和支持负载,所需的备用时间正在缩短。众所周知,VRLA电池对环境有害,是最重的储能技术之一。最后,VRLA和AGM电池通常需要每三到七年更换一次(取决于环境温度),这增加了电池更换的持续成本,尽管通常比更换锂离子电池便宜。


截至2018年,VRLA技术仍占大型UPS市场的50%多一点,最近由于飞轮、锂离子等领先替代品的出现,以及超级电容器市场份额的增加,该技术一直在萎缩。这这三种替代方案在功率密度、能量密度、能效、响应时间、寿命、充电率、温度范围等现代储能技术的关键因素之间表现出更好的平衡。锂离子和飞轮技术也证明了超级电容器系统不存在的几个缺点和额外考的虑因素,这些因素最终使资本支出和运营支出的平衡偏向超级电容器。


在讨论资本支出、运营支出和其他考虑事项之前,对燃料电池、涡轮机和发电机进行了特别说明。


通常,这些技术是整个应急电力系统的一部分;然而,它们较长的启动时间(从几秒到几乎一分钟)使得这些技术不适合UPS应用中的短期桥梁储能,而更适合长期能源来源。此外,发电机和燃料电池需要可燃燃料储存,一般认为最好在建筑物外,有适当的通风,不消耗宝贵的室内地板空间。


储能技术的各种初始资本支出(投资成本)

从资本支出的角度来看,VRLA仍有一个有吸引力的理由,因为他们提供了一种前期成本最低的储能技术。然而,与其他解决方案相比,更深入地研究总成本、初始电池系统过度放大的成本以及VRLA电池额外占用空间的机会成本,会告诉我们一个不同的结果。前面提到的三种储能技术在前期都比VRLA不间断电源系统贵,即使它们都不需要像VRLA系统那样的电池更换成本和过高的价格。因此,在相同的功率密度下,与锂离子电池、飞轮电池或超级电容器相比,VRLA系统的成本效益较低。


表1. Eaton UPS储能柜对比

*+28°C是为达到设计寿命而规定的标准工作温度。


安装UPS系统的另一个资本支出方面是尺寸、重量、增加的附件/部件以及额外的暖通空调系统容量成本。就飞轮而言,这些系统需要大量昂贵的附件来确保长期可靠的运行。由于飞轮的机械特性,它们还需要定期维护,这可能包括在购买时支付的维护合同中,或者更典型的是以年度服务合同的形式逐步支付。飞轮也必须又大又重,以储存足够的动能,这导致前期的运输和货运成本更高。


从另一个角度来看,锂离子电池系统对温度变化非常敏感,在放电和充电时可以产生大量的热能。


为了使锂离子UPS的性能达到最佳,可能需要在设施或机柜层面提供额外的HVAC资源,以确保锂离子电池保持安全和高效的工作温度。由于热失控的危险,在使用锂离子UPS时,可能需要额外的防火安全和预防措施。在某些应用中,例如HVAC接入不足的医疗保健、公共聚集区域和工业环境,锂离子UPS可能不可行或成本太高,无法维持足够的安全限制。


基于超级电容器的不间断电源在相对小且轻的封装中提供高功率密度,通常不需要任何额外的附件/组件。与锂离子电池相比,超级电容器的内阻低得多,在放电或充电过程中产生的热能也少得多。所用的静电性质和环境安全材料也允许更长的使用寿命,几乎无需维护和低成本处理。


运营成本(OpEx)也各不相同

前期成本并不是UPS储能技术中唯一可观的因素。其他因素包括年度维护、冷却成本、计划外停机时间、电池更换、停机时间、故障风险和占地面积。在这些方面,与超级电容器相比,飞轮和锂离子电池都需要额外的费用。


飞轮需要定期维护和保养才能运行,从而导致计划停机和专家人工费用。此外,对于给定的功率输出,完整飞轮系统的大尺寸占据了潜在的创收空间,例如数据中心或工业设施。尽管不太常见,但如果部署许多这样的系统,飞轮的高速度和潜在的故障风险可能会导致额外的运营支出。尽管单个系统的故障百分比可能较低,但分布在多个系统上的相同故障百分比可能会超过一个关注阈值,需要纳入运营支出分析。


锂离子电池UPS还会HAVC和电池管理系统的形式产生运营支出费用,以保持电池处于最佳温度。锂离子UPS的运营成本取决于机柜/设施所需的工作温度和锂离子电池之间的差异。由于待机和循环能效较低,暖通空调系统可能需要处理更多的热能。此外,高温的寿命影响和锂离子的热失控风险要求环境温度保持在非常特定的范围内。这可能导致更高的冷却成本。因此,锂离子UPS必须保持在一定的温度下,以便在运行过程中有足够的裕量来防止锂离子电池温度过高而出现灾难性后果。


运行温度因素会影响运营支出和资本支出。ASHRE曾表示,将温度提高5°C可以降低50%的冷却成本,还可以将维持升高温度所需的暖通空调设备降低50%。选择在更高温度下运行的储能技术可以大幅降低资本支出和运营支出。


超级电容器在其使用寿命期间不应需要任何额外的成本或维护,并且是适用于不间断电源应用的最大功率密度储能解决方案之一。此外,超级电容器表现出的超长使用寿命,随着时间的推移,故障率和容量损失极低。超级电容器的运营成本几乎不存在。



图1. 不同储能技术之间15年的总资本支出和运营支出成本比较,支持600 kVA不间断电源,且最短后备时间为 30 秒。


结论

几十年来,基于VRLA电池的UPS一直处于备用状态,确保关键电子和电气系统不会因意外断电而受到损害。然而,与传统的VRLA电池相比,现在有几种可行的储能技术正在缩小初始成本和运营成本之间的差距。在这些最新的解决方案中,超级电容器提供了可靠的不间断电源性能、资本支出和运营成本的诱人组合,而没有锂离子和飞轮解决方案中存在的风险因素和故障模式。以前,超级电容器可能很容易被忽视,而倾向于替代产品,但对总成本和其他考虑因素的详细分析可以说明在备用电源和调峰应用中集成超级电容器的主要优势。


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型号- 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超级电容属于双电层电容器,它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。它是一种先进环保的储能器件。且具有1体积小、2容量大、3快速充放电、4功率高、5温度特性好、6寿命超长的特点。他可以广泛应用在电动工具上。

技术探讨    发布时间 : 2024-07-31

【选型】Eaton Bussmann(伊顿巴斯曼) 超级电容器快速选型指南

目录- Product Application    Small Cylindrical/Hybrid Supercapacitors    Cylindrical Packs Supercapacitors    Coin Cells/Large Cells Supercapacitors    Supercapacitor Modules   

型号- KR-5R5C104-R,XB3550-2R5307-R,HV1020-2R7505-R,KR-5R5V155-R,HB1860-2R5117-R,XLR-16,HS,HV1325-2R7156-R,XV3585-2R7607-R,KR-5R5C334-R,HV,KW-5R5C105-R,PHV-5R4255-R,KR-5R5C474-R,PM-5R0155-R,XT**,XL60-2R7308W-R,PM-5R0305-R,XL60**,XVM-16R2656-R,XV** FAMILY,XLR-51R3187-R,XB FAMILY,TV1635-3R0356-R,XL60-3R0308T-R,TV1245-3R0346-R,XLR-16R2507-R,HV1245-2R7356-R,XV3550-2R7307-R,TV1030-3R0106-R,XLM-62R1137A-R,XLM-62R1137A-T,PHB-5R0505-R,HS FAMILY,HSL1020-3R8506-R,XVM PCBAS FAMILY,HSL1025-3R8706-R,B,KR-5R5C105-R,KR-5R5H224-R,PTV FAMILY,B0810-2R5105-R,XVM-259R2425-R,PHB,XTM-18,XT** FAMILY,TV1020-3R0605-R,XB3560-2R5407-R,XL60-2R9348T-R,HB0830-2R5605-R,HS1016-3R8306-R,PHV,KR-5R5V105-R,PHVL-3R9X155-R,XT3585-3R0567-R,TV**,XVM-16 FAMILY,KR,HB1325-2R5156-R,XL60-3R0308W-R,HV1840-2R7606-R,PHB-5R0255-R,KW,KR-5R5H334-R,XLR FAMILY,PB-5R0474-R,XT3560-3R0377-R,PM** FAMILY,XLM-62R1137B-R,TV1625-3R0256-R,XLM-62R1137B-T,HV1030-2R7106-R,XVM PCBAS,PM-5R0105-R,HB1635-2R5356-R,TV1860-3R0107-R,KR-5R5H474-R,B0820-2R5225-R,HSL1625-3R8227-R,PHV-5R4155-R,HV1625-2R7256-R,KW-5R5C684-R,XT3550-3R0287-R,KW-5R5C224-R,TV,PHB**,TV** FAMILY,XTM-18 FAMILY,XL60,HV0820-2R7305-R,PHVL,PHVL FAMILY,XVM-259R2635-R,KR-5R5V224-R,PHVL-3R9X255-R,HSL FAMILY,XV**,PHV**,PB**,HS1025-3R8706-R,XL60-2R9348W-R,HB**,PHV-5R4305-R,XVM-315R9515-R,HS1225-3R8127-R,HSL,HB** FAMLIY,TV1325-3R0156-R,KR-5R5V104-R,XLM FAMILY,HS1020-3R8506-R,HSL1225-3R8127-R,XVM-16,HV1860-2R7107-R,KR FAMILY,HB0820-2R5305-R,KR-5R5C155-R,PHV-5R4505-R,PHV** FAMILY,HB1625-2R5256-R,KR-5R5H104-R,TV1840-3R0606-R,PB-5R0104-R,PHVL-3R9X474-R,XTM-18R0626-R,HV0830-2R7605-R,HV0810-2R7105-R,HS1625-3R8227-R,PTV-6R0305-R,XL60** FAMILY,KW-5R5C104-R,XVM-315R9255-R,KR-5R5C224-R,KR-5R5V474-R,KR-5R5H155-R,PTV,B1010-2R5155-R,PHVL-3R9X305-R,HV1635-2R7356-R,B0510-2R5224-R,XL60-2R7308T-R,XLM,PM**,PHB-5R0305-R,PHB-5R0155-R,XVM-315R9345-R,XLR,PM-5R0474-R,PB** FAMILY,KR-5R5V334-R,XB3585-2R5607-R,HB1030-2R5106-R,HB1020-2R5505-R,XLR-48R6167-R,XB,PTV-6R0505-R,HV**,HSL1016-3R8306-R,KW FAMILY,PHB** FAMILY,B FAMILY,PB,HB1840-2R5606-R,PHVL-3R9X505-R,KW-5R5C334-R,KR-5R5H105-R,PHV-5R4474-R,HV** FAMILY,HB,XT,XV3560-2R7407-R,PB-5R0105-R,XLR-16 FAMILY,XV

选型指南  -  EATON BUSSMANN  - April 2021 PDF 英文 下载

【元件】楼氏电容推出新型3芯超级电容器,额定电压大幅提升最高可达9.0WVDC,助力储能技术大幅跃升

楼氏电容最近发布了新型超级电容器模块,与典型的径向安装超级电容器相比,额定电压大幅提升,最高可达9.0WVDC。这些双电层电容器来自楼氏电容新收购的康奈尔品牌,该品牌以生产优质电容器而著称。

产品    发布时间 : 2024-06-07

选型表  -  凯美 立即选型

组合5.0V/0.47F或5.5V/1F超级电容器在智能水表上的应用

超级电容是一种无源器件,介于电池与普通电容之间,具有电容的大电流快速充放电特性,同时也有电池的储能特性,并且重复使用寿命长,放电时利用移动导体间的电子(而不依靠化学反应)释放电流,从而为设备提供电源。可以用超级电容代替锂电池应用于智能水表。

应用方案    发布时间 : 2024-07-18

【产品】工作电压3.9V、容量0.47~5.0 F的双体超级电容器组,可提供比PHV长20%的后备时间

Eaton Bussmann旗下的PHVL是双体超级电容器组,用于为电池供电和电子系统提供备用电源或脉冲电源。应用包括水表和煤气表、峰值功率电池辅助、物联网传感器、长期放电等。该系列产品具有与Eaton的PHV超级电容器系列相同的尺寸、容量以及配置。

新产品    发布时间 : 2021-09-03

超级电容与锂离子电池的内部融合,形成“双轨”储能机制,全面提高电池性能

合盛超快充电池属于超高功率型锂离子电池的范畴。其中心思想就是结合物理储能与化学储能的特性,解决现有锂离子电池的卡脖子问题。 技术路线是通过超级电容与锂离子电池内部融合形成双轨储能机制,借助超级电容超高功率制造技术,解决现有锂离子电池的痛点问题。

技术探讨    发布时间 : 2024-03-19

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