Technologie

HPPL – Wysoka wydajność z czystego ołowiu. Magazynowanie energii dla centrów danych przyszłości

Wstęp

W coraz bardziej zdigitalizowanym świecie ochrona centrów danych jest istotnym zastosowaniem systemów magazynowania energii i dlatego była przedmiotem rozwoju wysokowydajnych akumulatorów HPPL firmy HOPPECKE bazujących na czystym ołowiu.

Zainstalowane w systemach UPS służą do eliminacji zakłóceń sieciowych sklasyfikowanych w europejskiej normie EN62040-3. Należą do nich spadki, szczyty, wahania napięcia i stany nieustalone (krótkotrwałe, stochastyczne zakłócenia).

W przypadku chwilowej, całkowitej awarii zasilania sieciowego, akumulatory wykorzystują zgromadzoną energię do zapewnienia ciągłej pracy urządzeń IT i krytycznych elementów infrastruktury. Zazwyczaj wybiera się czas podtrzymania od 10 do 15 minut.

W przypadku przedłużającej się przerwy w zasilaniu sieciowym należy zapewnić wystarczający czas podtrzymania, aby zasilanie urządzeń mogło być przekazane do systemów zasilania awaryjnego, takich jak generatory spalinowe. Obecnie jednak generatory mogą być włączane i doprowadzane do stanu gotowości znacznie szybciej, a tym samym obciążenia mogą być przekazywane do systemu zasilania awaryjnego znacznie szybciej niż miało to miejsce w przeszłości.

Co to konkretnie oznacza z punktu widzenia magazynowania energii, jakie szczególne cechy ma HPPL w porównaniu z klasycznymi technologiami AGM i jakie korzyści można odnieść z zastosowania tej technologii magazynowania? W niniejszym artykule postaramy się odpowiedzieć na te pytania. 

Budowa akumulatorów AGM i zasadnicze różnice w stosunku do technologii HPPL

Budowa akumulatorów AGM

Akumulatory AGM to bezobsługowe akumulatory ołowiowe, w których tlen w stanie gazowym powstały w wyniku rozkładu wody na elektrodzie dodatniej wędruje do elektrody ujemnej, gdzie jest ponownie łączony z jonami wodoru zawartymi w elektrolicie, tworząc wodę. Akumulatory tej konstrukcji są bezobsługowe przez cały okres użytkowania, jeśli chodzi o uzupełnianie wody.

Rys. 1: Budowa akumulatorów AGM

Transport tlenu do elektrody ujemnej jest możliwy dzięki tzw. absorbcyjnej macie szklanej (ang. Absorbent Glass Mat), która utrzymuje elektrolit na zasadzie kapilarnej, oddziela od siebie elektrodę dodatnią i ujemną oraz zapewnia dodatkową przestrzeń dla transportu tlenu. Dzięki absorpcji elektrolitu w separatorze z maty szklanej można zrezygnować z dodatkowych objętości kwasu i miejsca na osad, jak w przypadku konwencjonalnych akumulatorów ołowiowych. Wysoka energia i moc, w porównaniu do innych akumulatorów ołowiowych, są więc typowymi cechami akumulatorów AGM.

Akumulatory HPPL (seria: grid | Xtreme VR)

Akumulatory HPPL również należą do rodziny akumulatorów AGM, a więc zachowują ich podstawową budowę z tą różnicą, że zastosowane grubości elektrod odpowiadają jedynie ułamkowi (ok. ¼) tradycyjnych produktów. Potencjał tej technologii wynika z maksymalizacji liczby użytych elektrod. W rezultacie uzyskuje się większą powierzchnię reakcji elektrochemicznej, co jest korzystne pod względem gęstości energii i mocy dla ołowiowo-kwasowej technologii magazynowania.

Rys. 2: Akumulator HPPL(wersja z zaciskami z przodu/na górze)

Zalety powiększonej powierzchni reakcji są widoczne również podczas ładowania. Podczas gdy tradycyjne akumulatory kwasowo-ołowiowe są zwykle ładowane prądami ładowania 5–20 A na 100 Ah, dopuszczalny zakres dla tej technologii został rozszerzony do 40 A na 100 Ah. Może to być wykorzystane w krytycznych zastosowaniach i przy danej infrastrukturze, aby znacznie skrócić czas ładowania systemu.

Oprócz dobrej zdolności cyklicznej, bezobsługowe akumulatory HPPL charakteryzują się również bardzo niską emisją gazów i stopniem samorozładowania, co pozwala na wydłużenie czasu przechowywania w porównaniu z tradycyjnymi akumulatorami VRLA.

Mechanizmy starzenia, które z czasem wpływają na wydajność akumulatora kwasowo-ołowiowego

Aby zrozumieć podstawowe zalety technologii zastosowania czystego ołowiu (HPPL), należy rozważyć zasadnicze mechanizmy starzenia się akumulatorów kwasowo-ołowiowych w zastosowaniach stacjonarnych (praca równoległa w trybie rezerwowym) oraz zilustrować ich wpływ na wydajność systemu magazynowania w okresie eksploatacji.

Korozja kratki dodatniej

Każdy akumulator kwasowo-ołowiowy składa się z równoległego połączenia elektrod dodatnich i ujemnych otoczonych rozcieńczonym kwasem siarkowym i oddzielonych od siebie separatorem przepuszczającym elektrolit, aby zapobiec wzajemnemu kontaktowi. Elektrody to metaliczne kratki, do których wprowadza się dodatnią lub ujemną masę czynną. Oprócz mas czynnych, kratka nośna lub przewodząca służy również jako kolektor prądu, aby wyprowadzić zmagazynowaną energię z akumulatora z jak najmniejszymi stratami.

Rys. 3: Pręt kratki z powierzchowną korozją

W środowisku korozyjnym, takim jak to panujące w akumulatorach kwasowo-ołowiowych, metaliczny ołów ma tendencję do korodowania do tlenków ołowiu w okresie eksploatacji. O ile wszystkie elementy o ładunku ujemnym akumulatora kwasowo-ołowiowego są chronione przed korozją przez swój potencjał (ochrona katodowa), to nie dotyczy to elementów dodatnich. Przeciwnie, wysoki potencjał elektryczny dodatniej masy czynnej prowadzi do termodynamicznego utleniania wszystkich związanych z nią elementów metalicznych. Proces ten nazywany jest korozją kratki dodatniej i jest zawsze obecny we wszystkich akumulatorach kwasowo-ołowiowych.

Opisany powyżej mechanizm korozji ma ostatecznie dwa destrukcyjne skutki dla akumulatora.

Skutek 1: Akumulator w miarę postępu korozji elementów wyładowczych traci przewodność, co coraz bardziej utrudnia przepływ prądu. Podczas gdy spadek przewodności jest zupełnie niezauważalny podczas średnich i długich czasów rozładowania, efekty są znaczące w zastosowaniach wymagających dużego natężenia prądu, takich jak te, które znajdują się obecnie w centrach danych. Ze względu na większy spadek napięcia wewnątrz akumulatora, wybrane końcowe napięcie rozładowania osiągane jest wcześniej, a ponadto negatywnie wpływa na czas mostkowania układu.

Obietnice dotyczące żywotności, które zwykle odnoszą się do prądu znamionowego przy 10-godzinnym rozładowaniu, w takich warunkach nie mają już zastosowania.  Zamiast tego kryterium końca życia (80% projektowanej pojemności lub czasu mostkowania) jest osiągane znacznie wcześniej w konstrukcjach o znacznie większych prądach (rozładowania < 1 h).  

Skutek 2: Chemiczna przemiana metalicznego ołowiu w tlenki ołowiu, zwana korozją, prowadzi do zmniejszenia gęstości w produktach końcowych w wyniku absorpcji tlenu, a tym samym do zwiększenia objętości kratki elektrody. Ołów, który jest przekształcany w tlenki ołowiu wzdłuż powierzchni lub w granicach ziaren, powoduje naprężenia mechaniczne w pozostałym metalicznym ołowiu, a tym samym nieuchronnie powoduje zwiększenie objętości kratki. (Rys. 3) Porowate struktury mas czynnych zwykle nie są w stanie skompensować tych zmian objętości i coraz bardziej tracą kontakt elektryczny z metalicznym podłożem lub kratką przewodzącą, co z kolei prowadzi do utraty pojemności i dalszego obniżenia przewodności akumulatora.

Korozji kratki jako procesu starzenia się akumulatorów kwasowo-ołowiowych nie można całkowicie uniknąć, ale czynniki związane z zastosowaniem, takie jak średnia temperatura pracy czy napięcie ładowania konserwacyjnego, mogą mieć znaczący wpływ na dynamikę tego procesu. Cechy konstrukcyjne określone przez producenta, takie jak wybór stopu kratki, również odgrywają ważną rolę w tempie korodowania. Ołów o wysokiej czystości ma najniższy współczynnik korozji w porównaniu do wszystkich znanych stopów ołowiu i dlatego jest od nich wyraźnie lepszy. Niemniej produkcja akumulatorów ołowiowych nadal charakteryzuje się stosowaniem stopów ołowiu w obszarze produkcji kratek, co wynika z wymagań dotyczących wytrzymałości mechanicznej i możliwości przetwarzania w ramach produkcji. O właściwościach korozyjnych stopów ołowiu decyduje głównie proces krzepnięcia stopu lub włączania składników stopu w strukturę krystaliczną ołowiu. Wapń jako składnik stopu kratek bezobsługowych akumulatorów kwasowo-ołowiowych odkłada się głównie na granicach ziaren ołowiu, przez co normalnej korozji powierzchniowej towarzyszy dodatkowo korozja międzykrystaliczna wzdłuż granic ziaren.  

Głębsze struktury w kratkach są więc dość szybko narażone na zniszczenie, co powoduje, że integralność kratki nośnej lub przewodzącej ulega trwałemu uszkodzeniu (rys. 4).

Rys. 4: Skorodowana kratka ołowiowo-wapniowa

W najlepszym przypadku ołów wysokiej czystości jako materiał na kratkę jest wolny od pierwiastków stopowych i zanieczyszczeń, dzięki czemu nie dochodzi do destrukcji międzykrystalicznej kratki, a obserwuje się jedynie powolną, postępującą korozję powierzchniową (rys. 5). W porównaniu z konwencjonalnymi kratkami, kratki z czystego ołowiu mogą być zatem wielokrotnie cieńsze i nadal wyznaczać standardy w zakresie żywotności.

Rys. 5: Innowacyjna kratka z czystego ołowiu

Wydajność wysokoprądowa przez cały okres eksploatacji

Kompaktowa konstrukcja klasycznych akumulatorów AGM umożliwia uzyskanie bardzo wysokich prądów rozładowania w zakresie kilku minut, dzięki czemu technologia ta jest często pierwszym wyborem przy wyposażaniu w zasilanie awaryjne centrów danych. W przypadku awarii sieci energetycznej wysoka moc rzędu kilku 100 kW musi być zapewniona przez system akumulatorów bez przerwy, aż do momentu uruchomienia awaryjnych agregatów prądotwórczych. O ile nowe systemy działają niezawodnie w tym zakresie, o tyle spadek wydajności staje się widoczny już po kilku latach eksploatacji. Nawet specyfikacje żywotności, które są zwykle definiowane dla akumulatorów, lub wynikające z nich oczekiwania klienta, nie mają zastosowania w aplikacjach wysokoprądowych.

Jaki jest tego powód?

Jak wszystkie elektrochemiczne systemy magazynowania energii, stacjonarne systemy magazynowania akumulatorowego podlegają starzeniu. Objawia się to spadkiem pojemności i przewodności elektrycznej, ponieważ np. zmniejszają się wewnętrzne przekroje rozładowania akumulatora (korozja). Jeżeli funkcje akumulatora stacjonarnego nie mogą być dłużej zagwarantowane w wystarczającym stopniu zgodnie ze specyfikacjami, to osiągnięty został koniec okresu eksploatacji.

Zazwyczaj okres eksploatacji jest przekroczony, jeśli nie zostanie osiągnięte 80% przewidywanej pojemności lub czasu mostkowania (pojemność akumulatora podana w aktualnym zakresie). Ten naturalny proces starzenia się i tym samym oczekiwana żywotność odgrywa ważną rolę, zwłaszcza w zastosowaniach wysokoprądowych.
W zasadzie wszystkie prądy rozładowania prowadzą do mniej lub bardziej znacznych spadków napięcia w poprzek oporu wewnętrznego akumulatora. Objawia się to zwykle malejącym napięciem końcowym przy rosnącym natężeniu prądu. Spowodowane korozją zmniejszenie przekrojów poprzecznych wyładowań w okresie eksploatacji wpływa również na to napięcie końcowe i dodatkowo zmniejsza zakres czasu, w którym system akumulatorów może bezpiecznie przewodzić określony prąd. Podczas gdy zmiany przewodności związane z wiekiem mają niewielki wpływ na 10-godzinną pojemność nominalną akumulatora, ich wpływ jest znaczący podczas rozładowań dużymi prądami. (Rys. 6)

Rys. 6: Pojemności nominalne w zależności od przewodności akumulatora

Zwykle deklaracje dotyczące żywotności akumulatorów ołowiowych odnoszą się do prądu nominalnego przy 10-godzinnym rozładowaniu. W zastosowaniach wysokoprądowych specyfikacje te ulegają redukcji do ok. 50–60%, co powoduje konieczność wczesnej wymiany na nowy układ.

Takie zastosowanie akumulatorów czysto ołowiowych (HPPL) może być korzystne z kilku powodów. Poprzez maksymalizację liczby zainstalowanych elektrod w danej objętości, uzyskuje się zwiększone wartości wyładowań lub można zrealizować mniejsze przestrzenie instalacyjne dla danych prądów wyładowań, zmniejszając tym samym koszty infrastruktury.

Ponadto, znacznie wolniej zachodzący proces korozji, który ogranicza się do korozji powierzchniowej, powoduje jedynie minimalne straty materiału w akumulatorach czysto kwasowo-ołowiowych, dzięki czemu integralność kratki nośnej, a tym samym przewodność w okresie eksploatacji, cierpi w mniejszym stopniu. Z tego powodu akumulatory z czystym kwasem ołowiowym mogą zapewnić wysokie prądy rozładowania w dłuższym okresie eksploatacji przy zachowaniu tej samej klasyfikacji projektowanej żywotności, a tym samym przesunąć konieczną wymianę akumulatora o kilka lat w porównaniu z klasycznymi akumulatorami AGM.

Wysokie temperatury pracy

Zasilacze bezprzerwowe (UPS) zapewniają zasilanie krytycznych odbiorów elektrycznych w przypadku zakłóceń w systemie zasilania. Energia elektryczna wymagana do tworzenia kopii zapasowych jest zwykle dostarczana przez system akumulatorów, które pozostają w pełni naładowane przez prawie cały okres użytkowania. Aby zapewnić bezproblemowe działanie przez wiele lat, oprócz regularnej konserwacji dużą uwagę zwraca się na średnią temperaturę pracy.

Powodem tego jest zależność od temperatury, w której zachodzą reakcje chemiczne — takie jak korozja kratki dodatniej jako proces starzenia się stacjonarnych akumulatorów ołowiowych. Wzrost średniej temperatury pracy o 10 K skraca o połowę żywotność akumulatora, jeśli nie mają wpływu inne efekty starzenia, takie jak wysychanie bezobsługowych akumulatorów lub mięknięcie masy w wyniku cyklicznego obciążenia. Z tego powodu akumulatorownie w większych systemach UPS są klimatyzowane, a technologia akumulatorów i urządzeń są fizycznie oddzielone. Takie rozdzielenie elementów systemu o różnych poziomach temperatury, co ma sens z technicznego punktu widzenia, jest korzystne dla żywotności akumulatorów, ale zwiększa też związane z tym koszty eksploatacji (a więc całkowity koszt posiadania) dla użytkownika.

Z tego punktu widzenia akumulatory z czystego ołowiu (HPPL) są również godną alternatywą ze względu na rozszerzony zakres temperatur pracy. Bez utraty żywotności w porównaniu z klasycznymi akumulatorami AGM, technologia akumulatorów i urządzeń może być umieszczona w tym samym pomieszczeniu, a system może być eksploatowany w średniej temperaturze 30 °C w sposób oszczędzający zasoby.

Średnio system klimatyzacji musi zużyć około 4% więcej energii na każdy dodatkowy stopień, o który trzeba schłodzić akumulatorownię. Wzrostowi średniej temperatury pracy z 20 °C do 30 °C towarzyszy zatem 40% potencjał oszczędności w kosztach energii.

„GRID | XTREME VR” W CENTRACH DANYCH

Akumulatory ołowiowe z czystym ołowiem (HPPL) firmy HOPPECKE są sprzedawane pod nazwą Grid | Xtreme VR. Już sama nazwa wskazuje, że jest to seria o niezwykłych właściwościach, która jednocześnie ma potencjał, aby zrewolucjonizować większe aplikacje zasilaczy UPS w centrach danych. Podczas gdy niektóre z jego cech pojawiają się również w innych zastosowaniach, zalety odpornej na korozję i trwałej technologii cienkowarstwowej wydają się być w pełni widoczne zwłaszcza w zastosowaniach w zasilaczach UPS. Najważniejsze właściwości technologii, a także wynikające z nich korzyści dla użytkowników centrów danych, zostały wymienione w poniższej tabeli 1.

Podczas opracowywania serii Grid | Xtreme VR celowo skupiono się na modernizacji i optymalizacji wszystkich komponentów, aby móc w pełni wykorzystać wzrost wydajności technologii czystego ołowiu.

Niezbędne dla funkcjonowania akumulatorów AGM jest zainstalowanie w komorze ogniwa zestawu płyt pod ciśnieniem wstępnym (zadane ciśnienie). To zadane ciśnienie ma istotne znaczenie dla wewnętrznej łączenia tlenu i wodoru oraz dla stabilizacji zainstalowanych mas czynnych w celu zwiększenia zdolności do pracy cyklicznej. Wymagane ciśnienie zadane może być zapewnione przez cały okres użytkowania akumulatora poprzez zastosowanie dopasowanych stojaków lub korytek, albo poprzez konstrukcję komory akumulatora i dobór materiału, z którego wykonana jest komora ogniw.

Innowacyjne komory akumulatorów zostały opracowane poprzez odpowiednie ukształtowanie w połączeniu z wysokiej jakości tworzywami sztucznymi, które zapewniają funkcjonalność akumulatora również przy uwzględnieniu maksymalnego obciążenia temperaturowego i danych efektów starzenia. W wersji z górnymi terminalami poziom obciążenia instalacji dedykowanych można osiągnąć również poprzez opcjonalne zamocowanie opatentowanych metalowych wzmocnień na ścianach końcowych. Użytkownicy akumulatorów HOPPECKE HPPL z górnymi zaciskami z metalowymi wzmocnieniami mogą więc wybrać ekonomiczny montaż standardowy w szafach akumulatorowych lub na stojakach, a dodatkowo skorzystać z zalet technologii HPPL w zakresie żywotności.

Akumulatory używane do zabezpieczenia elementów infrastruktury krytycznej są zwykle regularnie konserwowane i poddawane regularnym testom rozładowania, aby zapewnić długoterminową gotowość operacyjną. Te próby wyładowania nie odpowiadają z reguły badaniu pojemnościowemu zgodnie z przepisami DIN, lecz raczej ograniczonej czasowo próbie obciążeniowej z wartościami wyładowania mniejszymi lub równymi obciążeniu nominalnemu. Celem tego testu jest zapewnienie, że system akumulatorów nadal zapewnia wymaganą wydajność, a jednocześnie zabezpiecza krytyczne elementy systemu.

Alternatywnie, dwubiegunowa konstrukcja serii Grid | Xtreme VR pozwala użytkownikowi na bardzo łatwe wykonanie pomiarów impedancji przy użyciu oddzielnych styków pomiarowych na podłączonych blokach akumulatorów bez wpływu na dostępność systemu. Stan systemu akumulatorów lub poszczególnych bloków można więc w każdej chwili wiarygodnie określić, co zwiększa dostępność operacyjną i umożliwia użytkownikowi zaplanowanie przyszłej wymiany systemu akumulatorów.

Tab. 1: Charakterystyka i korzyści dla klientów akumulatorów Grid | Xtreme VR w porównaniu do klasycznych technologii AGM

WłaściwościKorzyści dla klientów
Zwiększona gęstość mocyMniejsza pojemność Obniżone koszty infrastruktury
Niski stopień korodowaniaDłuższa żywotność w zastosowaniach
w sokoprądowych Niższe całkowite koszty posiadania
Zwiększony zakres temperatury pracyWyższe temperatury pracy bez utraty żywotności w porównaniu do klasycznych akumulatorów AGM Niższe koszty energii dla klimatyzacji Nie ma konieczności wydzielania osobnych pomieszczeń dla akumulatorów i urządzeń Niższe całkowite koszty posiadania
Możliwość szybkiego ładowaniaSzybsza gotowość operacyjna po rozładowaniu Wysoka wydajność energetyczna
Wydłużone okresy między kolejnymi
ładowaniami
24 miesiące w temperaturze 20 °C, co pozwala uniknąć ponownego ładowania w przypadku opóźnień w realizacji projektu
Konstrukcja dwubiegunowaŁatwy pomiar impedancji na podłączonym akumulatorze dzięki oddzielnym stykom pomiarowym

Wnioski

W niniejszym artykule przedstawiono podstawowe zalety, jakie akumulatory HPPL oferują w porównaniu z klasycznymi technologiami ołowiowymi i dlaczego użytkownicy centrów danych w szczególności korzystają z tych właściwości. Oprócz redukcji kosztów operacyjnych, technologia ta charakteryzuje się również doskonałą odpornością i niezawodnością.

Dzięki wprowadzeniu kolejnych modeli i wariantów, w przyszłości również inne branże będą mogły korzystać z tej technologii, a długa historia sukcesu akumulatora ołowiowego będzie kontynuowana.

O HOPPECKE

HOPPECKE jest największym producentem systemów akumulatorów przemysłowych w Europie.

Od 1927 roku ta rodzinna firma rozwija i wytwarza swoje produkty w Niemczech, a dzięki wiodącej działalności badawczo-rozwojowej posiada w swoim portfolio produktów wszelkie niezawodne i innowacyjne technologie magazynowania energii.

Energia elektryczna jest potrzebna wszędzie i w coraz większej ilości zastosowań. We współczesnym świecie, gdzie wszystko staje się elektryczne, HOPPECKE jest Twoim partnerem i ekspertem. Rozumiemy naszych klientów i dzięki naszym rozwiązaniom energetycznym, zaprojektowanym z myślą o bezpieczeństwie i dostępności, obsługujemy cztery główne obszary zastosowań: napędy bezemisyjne (trak), bezpieczne zasilanie (grid), magazynowanie energii regeneracyjnej (sun) oraz systemy kolejowe i metro (rail).

Od obszernego programu produktów w postaci akumulatorów i ogniw, poprzez kompletne systemy energetyczne z najnowocześniejszą technologią ładowania, jednostki monitorujące i inżynierię do rozliczania energii zależnej od zużycia, w naszym portfolio zawsze znajduje się odpowiedni produkt dostosowany do indywidualnych wymagań klienta. Poprzez rozwój przyszłościowych rozwiązań rynkowych w zakresie magazynowania energii, HOPPECKE wnosi istotny wkład w rozwiązywanie społecznych wyzwań wynikających z realizacji globalnych celów ochrony klimatu.

Od momentu założenia w 1927 roku, HOPPECKE jest własnością rodziny Zoellner. Dziś dr Marc Zoellner jest przedstawicielem czwartego pokolenia rodziny, które zarządza przedsiębiorstwem jako firmą rodzinną. Z siedzibą w Brilon-Hoppecke oraz 23 filiami, przedstawicielstwami, partnerami i dystrybutorami oraz zakładami produkcyjnymi i montażowymi na całym świecie, firma zatrudnia ponad 2080 osób i generuje obroty w wysokości ponad 430 milionów euro.

INTILION — nowa marka od HOPPECKE

Od 1 kwietnia 2019 roku w grupie HOPPECKE funkcjonuje nowa spółka INTILION GmbH. Stanowi on kolejny kamień milowy w pełnej sukcesów historii firmy. INTILION oznacza systemy oparte na litach i innowacyjne modele operatorskie dla przemysłowych zastosowań w trakcji i stacjonarnych magazynach akumulatorów. INTILION zawsze dąży do osiągnięcia jeszcze większej lojalności klientów i sprawności działania. Jest partnerem dla przyszłościowych rozwiązań w zakresie litowo-jonowych systemów magazynowania energii i innowacyjnych modeli biznesowych.

HOPPECKE

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top