Технико-экономическое сравнение различных типов аккумуляторов с точки зрения их использования в ИБП

Рынок услуг по обеспечению бесперебойным электроснабжением ответственных потребителей сегодня быстро развивается.  В связи с этим в мире производится большое количество разнообразных источников бесперебойного питания (далее – ИБП), различающихся уровнем мощности, алгоритмами управления, временем резервирования и т.д. Важной частью любого ИБП является накопитель электрической энергии. Среди всех способов накопления электрической энергии, на сегодня, пожалуй, наиболее удобным является использование перезаряжаемых химических источников тока – аккумуляторных батарей. Согласно экспертным оценкам, стоимость аккумуляторных батарей составляет примерно половину от всей стоимости источников бесперебойного питания. Соответственно наличие на рынке компактных и недорогих химических накопителей энергии является одним из факторов, который определяет динамику развития рынка ИБП в целом. Ниже предлагается методика, позволяющая сравнить эффективность применения разных типов химических источников тока в ИБП.

Рынок бесперебойного питания

На развитие рынка источников бесперебойного питания действуют два фактора:

• Технологический фактор.

Быстрое развитие преобразовательной техники было обусловлено изобретением в конце 80-х годов XX-века нового класса мощных силовых ключей – комбинированных IGBT-транзисторов (Insulated-gate bipolar transistor) и полевых Mosfet-транзисторов (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). Этот процесс продолжается по настоящее время. Улучшение технологии производства силовых компонентов и их последовательное удешевление с одной стороны, разработка все более эффективных методов управления ими с другой, обусловили массовое внедрение силового преобразовательного оборудования во все отрасли промышленного производства.

• Цифровизация и рост информационных технологий.

Примерно в это же время стартовала так называемая информационная революция. Это стало возможно, в том числе, благодаря развитию технологий цифровой обработки данных, а также методов управления, основанных на цифровом преобразовании электрических сигналов. Сегодня цифровые методы управления доминируют над аналоговыми методами. Практически любое современное оборудование включает в свой состав микропроцессоры и изделия на их основе (компьютеры, логические контроллеры, терминалы релейной защиты и автоматики и т.п.). Данное оборудование предъявляет повышенные требования к качеству электроснабжения. В то же время развитие все более широкой внедрение информационных технологий обуславливает появление большого количества серверов, центров обработки данных, сложного высокотехнологичного оборудования, безотказная работа которого обуславливает устойчивость существования современного общества. Это приводит к принципиально более высокому уровню требований к качеству и бесперебойности электроснабжения потребителей.

С одной стороны, это подразумевает изменение принципов построения систем электроснабжения в целом, с другой стороны, приводит к массовому внедрению разнообразных источников бесперебойного питания. Можно констатировать, что рынок ИБП сегодня является одним из наиболее динамично развивающихся. Поскольку обозначенные выше факторы, очевидно, будут действовать и дальше, можно предположить, что мировой рынок услуг по обеспечению бесперебойного питания продолжит расти и сейчас он все еще далек от насыщения.

Согласно отчету аналитиков IHS Markit, обнародованному в ноябре 2019 года, объём мирового рынка источников бесперебойного питания в 2018 году достиг $8,2 млрд, увеличившись на 6% относительно 2017-го. По прогнозам к 2023 г. объем рынка достигнет $10 млрд [1].

Рисунок 1 – Тенденции мирового рынка ИБП

В последние годы, после спада, обусловленного резким снижением курса национальной валюты в конце 2014 года, в России также наблюдается постепенный рост продаж ИБП.  По данным компании ITResearch, в 2017 году российский рынок ИБП в денежном выражении вырос на 10,5% по сравнению с 2016 годом и достиг 323,2 млн долл. [2].

Типы ИБП. Режимы их работы, основные параметры.

• Типы ИБП

Различают off-line ИБП, работающие в режиме пассивного резервирования (иногда к этому типу относят и так называемые линейно-интерактивные ИБП), и on-line ИБП, работающие в режиме двойного преобразования.  В большинстве случаев на рынке IT-технологий используются on-line ИБП, обеспечивающие непрерывность электроснабжении в случае внезапного исчезновения питающей сети. Структурная электрическая схема on-line ИБП представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема on-line ИБП

Одно или трехфазное напряжение сети переменного тока в выпрямителе преобразуется в напряжение постоянного тока, затем снова преобразуется в напряжение переменного тока в инверторе напряжения. В состав любого ИБП входит аккумуляторная батарея, которая подключена к звену постоянного тока. Батарея содержится в режиме поддерживающего заряда, и, в случае исчезновения напряжения сети, питание потребителей осуществляется за счет запасенной в батарее энергии. Помимо батареи и преобразователей напряжения, ИБП, снабжаются статическим байпасом, позволяющим осуществить переход на питание от входной сети в случае возникновения внутренней неисправности преобразователей или КЗ в нагрузке.  В состав мощных ИБП также входит ручной байпас, предназначенный для возможности оперативного вывода ИБП для проведения регламентных работ.

• Режимы работы ИБП. Основные параметры

Режимы работы ИБП и их основные параметры определяются выполняемыми ими функциями. Как правило, ИБП используются для питания серверов, центров обработки данных, ответственного технологического оборудования. Время резервирования таких ИБП обычно составляет 10 – 15 минут, и определяется временем безопасного выключения оборудования. Если в качестве резервных источников питания используются ДГУ, то время работы ИБП определяется временем включения генераторов (как правило, здесь используется схема АПВ), и также составляет от несколько минут до нескольких десятков минут.

Важнейшим параметром ИБП является мощность нагрузки. ИБП условно можно разделить по следующим уровням мощности:

• Малой мощности (1 – 5кВА);
• Средней мощности (10 – 50 кВА);
• Высокой мощности (100 кВА выше);

Уровень мощности определяет архитектуру построения ИБП и уровень напряжения в звене постоянного тока. Для ИБП малой мощности характерно напряжение звена постоянного тока 48В (типичный уровень напряжения постоянного тока для телекоммуникационного оборудования). Данные уровень напряжения в звене постоянного тока достигается установкой дополнительных DC/DC преобразователей, которые преобразуют выпрямленное фазное напряжение сети (примерно 270 В, а с учетом возможного снижения входного напряжения – ниже) в напряжение 48В, и затем обратно. Поскольку речь идет об ИБП малой мощности, потери на дополнительное преобразование не слишком велики.

Данный подход неприемлем при построении ИБП средней мощности, поэтому для ИБП данного класса характерен уровень постоянного напряжения 400 – 450 В (используется выпрямленное напряжение трехфазной сети напрямую).

При проектировании мощных ИБП применяются схемы, предусматривающие повышение напряжение в звене постоянного тока до 600 – 900 В. Это вызвано необходимостью снижения коммутируемых силовыми ключами токов (при одинаковой мощности значение тока снижается при увеличении напряжения). ИБП с таким напряжением выпускаются мощностью до 800 кВА. При проектировании сверхмощных преобразователей (мощностью более 1 МВА), как правило, используют напряжение в звене постоянного тока выше 1кВ, либо используются несколько систем, работающих параллельно.

Оценим требуемый номинал аккумуляторной батареи для данных ИБП. Емкость определялась для верхней и нижней границы мощности и времени резервирования с учетом значения напряжения в звене постоянного тока.

В таблице 1 представлены результаты расчетов параметров батареи для различных вариантов построения ИБП.

Таблица 1 – Требуемые параметры аккумуляторных батарей

Мощность, кВА	Время резервирования, мин	Напряжение DC, В	Емкость аккумулятора, Ач
1 – 5	10 – 30	48	4 – 50
10 – 50		450	4 – 50
100 – 500		700	– 350

Здесь нужно отметить, что в таблице указана не номинальная, а доступная (эффективная) емкость аккумуляторной батареи, поскольку при переходе к малым временам разряда доступная емкость батарей, как правило, снижается. При выборе типа батареи нужно обратить внимание на то, что при малых временах резервирования номинал батареи иногда ограничивается допустимым током разряда в течение заданного времени.

• Схемы преобразования

Как правило, в качестве выпрямителя используется активный выпрямитель на базе управляемого тиристорного или транзисторного силового моста. В качестве инвертора в 99% случаев используется инвертор напряжения, использующий ШИМ-преобразование на IGBT или Mosfet-транзисторах. Специфика работы ИБП такова, что инвертор может работать как в режиме on-grid (используя напряжение сети в качестве сигнала синхронизации), так и в режиме of-grid (автономный режиме). На российском рынке представлено большое количество производителей данного оборудования. Мощные ИБП иногда имеют на выходе гальванически-развязывающий трансформатор, который используется для организации нейтрали трехфазной сети и гальванической развязки звена постоянного тока от сети.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи.

• Типы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей

До настоящего времени в ИБП в основном используются герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. В так называемых АБП (агрегат бесперебойного питания) также используются обслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи 110 или 220 В, аналогичные тем, которые эксплуатируются в системах оперативного постоянного тока на распределительных подстанциях.

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, изготовленные по технологии VRLA (Valve Regulated Lead Acid), используется двух типов: с сепаратором в виде стекловолоконного мата (AGM – Absorbed Glass Mat) и с загущенным электролитом (GEL). Основное отличие данных аккумуляторов от обслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов заключается в том, что кислород здесь может содержаться в газообразной фазе, при этом значительно увеличивается вероятность его рекомбинации на отрицательном электроде. Тем не менее, часть кислорода (и, соответственно, водорода) покидает объем аккумулятора через предохранительные клапаны. В связи с тем, что в данных аккумуляторах не предусмотрена возможность доливки воды, с течением времени количество электролита падает, что ограничивает срок службы герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора. Реальные сроки эксплуатации герметизированных аккумуляторов типа Gel в режиме поддерживающего заряда (режим эксплуатации батареи в составе ИБП) составляют порядка 10 лет, AGM – не более 5 лет.

• Достоинства

• Развитость технологии, простота производства.

Свинцово-кислотные аккумуляторы широко используются начиная с конца XIX-века и на сегодня являются наиболее распространенной технологией. Существуют большое количество типов свинцово-кислотных аккумуляторов, оптимизированных для конкретных применений.

• Простота эксплуатации.

Накоплен огромный опыт использования свинцово-кислотных аккумуляторов. Сопутствующее оборудование (зарядно-выпрямительные устройства, системы распределения постоянного напряжения) оптимизированы для работы именно с ними. Производственный персонал энергообъектов привык работать именно со свинцово-кислотными аккумуляторами. Герметизированные батареи лишены главных недостатков, присущих классическим свинцово-кислотным аккумуляторам – необходимости их обслуживания (доливки электролита и т.п.) и вероятности выделения водорода в процессе их эксплуатации (в режиме  быстрого  и выравнивающего заряда).

• Низкая стоимость. Батареи типа AGM являются самыми дешевыми на рынке.
• Отсутствие «эффекта памяти».
• Допустимы высокие токи разряда.
  • Недостатки.
• Ограниченные сроки службы.

Этот недостаток герметизированных аккумуляторов есть продолжение их достоинства. Невозможность доливки электролита приводит к ограничению их срока службы, особенно это критично у батарей типа AGM, в которых электролит содержится в сепараторе. Вследствие этого недостатка герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи запрещено использовать в энергетике в системах оперативного постоянного тока.

• Снижение емкости при переходе в режим малых времен разряда (больших разрядных токов).

Эффективность их использования существенно снижается в 2 – 3 раза при переходе к временам разряда 10 – 30 минут (типичное время резервирования on-line ИБП). В этом случае начинают сказываться ограничения, вызванные конечностью скорости протекания химической реакции на границе электрод-электролит.

• Жесткие требования к температуре эксплуатации.

Свинцово-кислотные аккумуляторы крайне чувствительны к температуре эксплуатации. Оптимальной температурой их эксплуатации является +20 + 2ºС. При увеличении температуры ресурс аккумуляторов резко падает вследствие ускорения реакции коррозии пластин аккумулятора (в два раза на каждые 10ºС ). При снижении температуры ресурс аккумулятора не падает, но значительно уменьшается отдаваемый заряд (емкость). Поэтому эксплуатация свинцово-кислотных аккумуляторов требует поддержания оптимального температурного диапазона с высокой точностью.

• Низкая плотность запасаемой энергии.

Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют большие габариты и вес. При проектировании систем, рассчитанных на высокую энергоемкость (сотни кВтч), начинают сказываться ограничения, связанные с тем, что свинцово-кислотные аккумуляторы имеют большой вес и занимают большую площадь.

• Вероятность термического разгона.

При заряде аккумуляторов AGM существует вероятность терморазгона – самоподдерживающегося неконтролируемого процесса теплового разогрева аккумуляторов, который приводит к выходу аккумулятора из строя.

• Стоимость.

Средняя стоимость 1 Втч запасаемой энергии для гелевых аккумуляторов составляет примерно 0,47 USD, для аккумуляторов, изготовленных по технологии AGM – примерно 0,16 USD.

Щелочные аккумуляторные батареи

• Типы щелочных аккумуляторных батарей

Щелочные аккумуляторы бывают двух типов: никель-кадмиевые и никель-железные. Активной массой положительных пластин для обоих типов щелочных аккумуляторов служит гидрат оксида никеля. Для отрицательных пластин никель-кадмиевых аккумуляторов активной массой является смесь кадмия с железом, для никель-железных – химически чистое железо. Пластины щелочных аккумуляторов представляют собой стальные никелированные рамки с ячейками, в которые помещают пакетики из тонкой (0,1 мм) никелированной перфорированной стали. В пакетики запрессовывается активная масса. Электролит щелочных аккумуляторов является раствор едкого калия с удельным весом 1,18 – 1,20 г/см3.

Для предотвращения короткого замыкания между пластинами устанавливают сепараторы, выполненные в виде эбонитовых стержней или полихлорвиниловых сеток. Корпус, в который помещают пластины и электролит, изготовляют из никелированной жести или из пластика. Он имеет приваренную крышку с отверстиями для выводных штырей, для выхода газов.

Рисунок 4  – Никель-кадмиевый аккумулятор модели KGL

• Достоинства

• Простота эксплуатации.

Эксплуатировать щелочные аккумуляторы так же просто, как и герметизированные свинцово-кислотные.

• Низкая стоимость.

По стоимости они занимают промежуточное положение между свинцово-кислотными аккумуляторами, изготовленными по технологии Gel и изготовленными по технологии AGM.

• Нечувствительны к изменениям температур.

Щелочные аккумуляторы существенно менее чувствительны к диапазону температур эксплуатации. При увеличении температуры эксплуатации на 10 ºС, срок их службы уменьшается только на 20%. Кроме того, щелочные аккумуляторы незаменимы в случае, если требуется эксплуатация батареи при экстремально низких температурах (до – 60 °С).

• Недостатки

• Снижение емкости при переходе в режим малых времен разряда.

В основном вследствие именно этого недостатка щелочные аккумуляторы не используются в ИБП. Эффективность их использования существенно снижается даже по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами.

• Низкое номинальное напряжение.

Щелочные аккумуляторы имеют низкое по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами значение номинального напряжения – 1,20 В. Это приводит к необходимости увеличения количества используемых в батарее аккумуляторов.

• Широкий диапазон изменения напряжения в процессе эксплуатации.

Напряжение заряда щелочных аккумуляторах при нормальной температуре составляет 1,46 В. В некоторых режимах (при заряде до 100%), требуется увеличение напряжения заряда до 1,50 – 1,60 В. При разряде полную емкость аккумулятор отдает при снижении напряжения до 1,0 В. Таким образом, изменение диапазона напряжения в процессе работы составляет до 50 % относительно номинального напряжения. Это значительно больше по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Поскольку выпускающиеся преобразователи напряжения не рассчитаны на такой диапазон изменения напряжения в звене постоянного тока, то для использования щелочных аккумуляторов требуются дополнительные DC/DC преобразователи, что увеличивает общую стоимость системы.

• Низкая плотность запасаемой энергии.

Щелочные аккумуляторы имеют бóльшие габариты по сравнению со свинцово-кислотными, хотя и меньший вес.

• Наличие эффекта памяти.
  • Стоимость

Средняя стоимость 1 Втч запасаемой энергии для щелочных аккумуляторов составляет примерно 0,22 – 0,30 USD.

Средняя стоимость 1 Вт DC/DC преобразователя составляет 0,15 $ для небольших мощностей (до 10 – 20 кВт). При увеличении мощности преобразователя стоимость 1 Вт падает до 0,1 USD. Поскольку на малых временах резервирования 1 Вт мощности ИБП соответствует примерно 1 Втч номинальной емкости щелочного аккумулятора, то это приводит к увеличению стоимости Втч примерно на 0,15  USD, то есть средняя стоимость 1 Втч запасаемой энергии для щелочных аккумуляторов в сопоставимых условиях эксплуатации преобразователя составляет от 0,37 USD.

Литий-ионные аккумуляторы

• Типы литий-ионных аккумуляторов

В настоящее время наибольшее распространение получили четыре типа литий-ионных аккумуляторов. Они различаются в основном тем, какой материал используется для положительного электрода – литий-кобальтат, литий-железо-фосфат или никель-марганец-кобальтат. В качестве материала отрицательного электрода чаще всего используется наноструктурированный углерод, в литий-титанатных аккумуляторах в качестве материала отрицательного электрода используют литий-титанат.

Поскольку ионы лития имеют наивысший электрохимический потенциал относительно иона водорода (-3, 045 В), а литий является наилегчайшим из всех металлов и его ионы имеют наименьшие размеры, то литий-ионные аккумуляторы являются наиболее перспективной технологией с точки зрения получения наивысшего значения плотности запасаемой энергии.

Среди всех литий-ионных аккумуляторов наиболее безопасными являются литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Они не горючи и не взрываются даже при длительном внешнем или внутреннем коротком замыкании. Кроме того, они являются наиболее дешевыми из всех доступных сегодня литий-ионных аккумуляторов. Вследствие этого они получили наибольшее распространение.

Рисунок 5 – Литий-железо-фосфатный аккумулятор модели LT-LFP

Достоинства

• Хорошие разрядные характеристики на малых временах.

На временах 10 – 30 минут эффективная емкость литий-ионных аккумуляторов снижается незначительно и становится в 2 – 3 раза выше эффективной емкости свинцово-кислотных аккумуляторов того же номинала, выявленно при эуксплуатаиции с ИБП AEG PS.

• Высокое значение номинального напряжения.

Номинальное напряжения литий-железо-фосфатых аккумуляторов равно 3,2 В, аккумуляторов NMC – 3,7 В. Это приводит к уменьшению количества используемых в батарее аккумуляторов.

• Узкий диапазон изменения напряжения в процессе эксплуатации.

Напряжение заряда литий-железо-фосфтых аккумуляторов равно 3,45 – 3,5 В, среднее напряжение аккумуляторов в батарее, при котором разряд необходимо остановить, равно примерно 3,0 В. Таким образом, изменение диапазона напряжения в процессе работы составляет 12 – 16 % относительно номинального. Это значительно меньше по сравнению со свинцово-кислотными и щелочными аккумуляторами.

• Высокая плотность запасаемой энергии.

Плотность запасаемой энергии в литий-ионных аккумуляторах по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами выше в 3 – 10 раз. Соответственно литий-ионные аккумуляторы   имеют значительно меньшие габариты и вес.

• Нечувствительность к изменениям температур.

Литий-ионные аккумуляторы можно эксплуатировать при температурах до +35 ºС без снижения их ресурса. Соответственно в диапазоне меньших температур их емкость снижается значительно меньше по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами.

• Большое количество циклов заряда/разряда.

Некоторые типы литий-ионных аккумуляторов (литий-титанатные) допускают до 20 – 25 тысяч циклов заряда/разряда, что ставит их вне конкуренции по сравнению с другими типами аккумуляторов на электротранспорте и в системах накопления энергии.

• Недостатки

• Несколько дороже по сравнению с остальными типами аккумуляторов.
• Их нельзя эксплуатировать длительное время в режиме поддерживающего заряда в состоянии заряда 100%.
• Для их эксплуатации требуется дополнительное оборудование – BMS (Battery management system).
  • Стоимость

Средняя стоимость 1 Втч запасаемой энергии для литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей составляет примерно 0,4 – 0,5 USD (в зависимости от типа используемой BMS).

Другие типы аккумуляторов

В настоящее время набор выпускаемых химических источников тока не ограничен представленными технологиями.  На рынке сегодня доступны никель-натрий хлорные и натрий-серные   аккумуляторы, в которых электроды находятся в расплавленном состоянии, а также так называемые аккумуляторы проточного типа, в которых электроды и электролит пространственно разнесены друг относительно друга. С точки зрения использования в ИБП натрий-серные и проточные аккумуляторы неактуальны в силу их больших размеров, а никель-натрий хлорные аккумуляторы (производства компании FIAMM) нецелесообразно использовать в силу их высокой стоимости и высокого значения внутреннего сопротивления (их нельзя разряжать быстрее, чем за три часа).

Сравнение различных типов аккумуляторов

• Срок службы

Срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов, изготовленных по технологии Gel, составляет 10 лет, AGM – 5 лет.

Срок службы никель-кадмиевых аккумуляторов может быть значительно больше, и достигает не менее 15 лет.

Результаты ресурсных испытаний, проведенных с литий-железо-фосфатной аккумуляторной батареей, эксплуатирующейся в режиме поддерживающего заряда, позволяют утверждать, что срок эксплуатации такой батареи составит не менее 15 лет.

• Разрядные характеристики

На рисунке 6 представлены зависимость отдаваемого тока от времени разряда для литий-железо-фосфатных и герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов примерно одинакового номинала. При сокращении времени разряда до 30 минут, эффективность применения никель-кадмиевых аккумуляторов снижается в 3 – 4 раза.

Рисунок 6 – Разрядные характеристики различных аккумуляторов

Здесь аккумулятор 2VE225 – изготовлен по технологии AGM, 5 OPzV250 – изготовлен по технологии Gel, LFP240Ah – изготовлен по технологии LiFePO4. Видно, что при уменьшении времени разряда до 0,5 часа эффективность литий-железо-фосфатного аккумулятора больше чем в два раза выше и эта тенденция сохраняется при уменьшении времени разряда.

• Затраты на поддержание климат контроля.

Как было указано, свинцово-кислотные аккумуляторы требуют поддержания определенной температуры в помещении. Рекомендуемая температура их эксплуатации равна +20 + 2ºС. В отличие от них, никель-кадмиевые и литий-ионные батареи не предъявляют жестких требований к температуре помещения. Верхняя граница для них может быть поднята до +35ºС. Выше +35 ºС границу температуры в помещении поднимать не стоит с точки зрения обеспечения устойчивости работы серверного оборудования. Нижняя граница может быть отодвинута до +5 ºС, и также определяется не аккумуляторной батареей, а точкой образования конденсата в помещении с нормальной влажностью (точкой росы). Таким образом, для указанных батарей допустимы следующие диапазоны температур эксплуатации:

Таблица 2 – Температурный диапазон эксплуатации различных типов батарей

Тип батареи	Диапазон
Свинцово-кислотная батарея	+20 + 2 ºС
Никель-кадмиевая батарея	+20 + 15 ºС
Литий-ионная батарея	+20 + 15 ºС

 

Методика расчета затрат на поддержание климат-контроля представлен в приложении А. Из расчета следует, что на поддержание нормальных условий эксплуатации для 1 Втч запасаемой в свинцово-кислотном аккумуляторе энергии требуется затратить в течение 15 лет эксплуатации на 1,31 $ больше по сравнению с литий-железо-фосфатным или никель-кадмиевым аккумулятором.

 

• Затраты на занимаемую площадь

Для примера рассмотрим ИБП мощностью 160 кВт, рассчитанный на время резервирования 30 минут. Пусть напряжение в звене постоянного тока равно 220 В DC. Рассмотрим четыре варианта ИБП:

1. ИБП со свинцово-кислотной батареей типа Gel.
2. ИБП со свинцово-кислотной батареей типа AGM.
3. ИБП с никель-кадмиевой батареей типа KGL.
4. ИБП с литий-ионной батареей типа LiFePO4.

Сделанные допущения и расчет параметров системы сделаны в приложении Б. предполагаем, что стоимость аренды офисного помещения в месяц составляет 8 USD/м2, в год – 96 USD/м2. При расчете площади, занимаемой оборудованием, учитывались ограничения на вес, который может выдержать стандартная полка шкафа. При расчете площади, требующихся для обслуживания оборудования, учитывались требования ПУЭ и ПРЭ ЭП. Результаты, полученные для ИБП мощностью 160 кВА можно мультиплицировать исходя из требуемой мощности оборудования.

Расчет стоимости площади, занимаемой оборудованием представлен в таблице ниже.

Таблица 3 – Расчет стоимости площади, требуемой для 1Втч запасаемой энергии для различных типов батарей

Параметр	OPzV 490	2V 400	LT-LYP240	KGL 450P	Примечание
Площадь, м2	6,48	2,88	0,72	4,32	с учетом запаса на обслуживание
Стоимость площади батареи за год, USD	622,08	276,48	69,12	414,72
Стоимость за 15 лет, USD	9331,2	4147,2	1036,8	6220,8
Стоимость Втч, USD	0,12	0,05	0,01	0,08

 

• Стоимость

В таблице ниже приводится сравнительный расчет стоимости 1Втч запасаемой энергии для различных типов аккумуляторов с учетом стоимости владения, затрат на климат-контроль и стоимость аренды площадей.

Таблица 4 – Расчет стоимости 1 Втч запасаемой энергии с учетом стоимости владения для различных типов аккумуляторных батарей

Параметр	Gel	AGM	KGL	LFP	Примечание
Стоимость, USD/Втч	0,47	0,16	0,22	0,5[1]
Доля доступной емкости при разряде в течение 30 мин и менее	0,33	0,5	0,3	0,9	Определяется исходя из разрядных характеристик
Срок службы в подзаряде, лет	10	5	15	15
Стоимость Втч в течение 15 лет, USD	0,705	0,48	0,22	0,5	С учетом срока службы
Стоимость Втч с учетом разрядных характеристик, USD	2,14	0,96	0,73	0,56	С учетом эффективной емкости в течение короткого разряда
Стоимость с учетом DC/DC конвертора, USD	2,14	0,96	0,88	0,56	Для NiCd аккумулятора необходимо использовать стабилизатор напряжения
Стоимость с учетом разницы в климатике, USD	3,44	2,26	0,88	0,56	Литий-ионные и щелочные аккумуляторы менее критичны к диапазону температур эксплуатации
Стоимость занимаемой площади, USD	0,12	0,05	0,08	0,01	Определяются стоимостью занимаемой площади
Итого, USD/Втч	3,56	2,31	0,96	0,57

 

Видно, что стоимость владения 1 Втч запасаемой энергии для аккумуляторных батарей на основе LFP ниже по сравнению со стоимостью владения для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей в 4 – 6 раз, для никель-кадмиевых батарей в 1,7 раз.

Выводы

1. Выше предложена методика, позволяющая оцифровать качественные параметры (плотность запасаемой энергии, затраты на климат-контроль и т.п.) и перевести их в стоимость владения Ватт-часа запасаемой энергии для различных типов аккумуляторных батарей.
2. Как правило, при подготовке проектно-сметной документации многие важные параметры не учитываются. Зачастую учитывается только непосредственно стоимость самого оборудования, что не позволяет корректно сравнивать между собой решения, использующие различные аккумуляторные батареи с точки зрения соотношения цена / качество.
3. Внимательный учет всех параметров, позволяет сделать вывод о том, что стоимость батарей для ИБП на основе литий-ионных аккумуляторов существенно ниже как по сравнению со свинцово-кислотными, так и щелочными батареями.
4. Доминирование свинцово-кислотных аккумуляторов на российском рынке ИБП, по-видимому, можно объяснить тем, что в основном только эти аккумуляторы предлагаются зарубежными поставщиками, задающими тренд на рынке оборудования для бесперебойного питания. Это не является оправданным ни с технической, ни с экономической точки зрения, а определяется высокой степенью зависимости России от импортной продукции, которая возникла за последние десятилетия. Очевидно, что использование литий-ионных аккумуляторных батарей в ИБП оправдано с коммерческой точки зрения уже сегодня.
5. Основными факторами, сдерживающими использование литий-ионных аккумуляторных батарей на рынке ИБП, являются отсутствие соответствующего опыта у производителей ИБП. Очевидно, что по мере успешной реализации пилотных проектов, доля рынка, занимаемая литий-ионными аккумуляторными батареями, будет расти.

 

Список литературы

[1]	http://www.tadviser.ru/index.php/Статья:ИБП_(мировой_рынок)
[2]	https://www.crn.ru/numbers/reg-numbers/detail.php?ID=131956

 

Приложение А – Расчет затрат на поддержание климат-контроля

Для климата России характерна резкая зависимость среднемесячных температур от времени года. На рисунке Рисунок 7 показаны графики среднемесячных температур для региона Москвы, Махачкалы и Якутска.

Рисунок 7 – График среднемесячных температур для различных регионов России

Для того чтобы поддержать нужную температуру для эксплуатации аккумуляторной батареи, помещение необходимо отапливать зимой и охлаждать летом. Ниже приводится расчет затрат на климат контроль для региона г. Москвы.

Основные определения

Для характеристики теплоизоляционных свойств различных материалов используют коэффициент теплопроводности k [Вт/(м·К)]. Он численно равен количеству теплоты, которое передается в единицу времени (1 секунда) через единицу поверхности (1 квадратный метр) при разнице температуры внутренней и наружной поверхности 1 К на единицу пути (1 метр) теплового потока.

Мощность теплового потока определяется по формуле:

(1)

Где:

Q –мощность теплового потока;

k – коэффициент теплопроводности;

S – площадь поверхности;

d – толщина теплоизолятора;

DT – разница внутренней и наружной температуры;

 

В качестве характеристики конкретного материала чаще используют термическое сопротивление теплопередаче Rw [м2·К/Вт]

(2)

Тогда формулу (1) можно переписать в следующем виде:

(3)

В случае если речь идет о поддержании температуры внутри помещения, в котором работают нагреватели (например, работают силовые преобразователи напряжения), тепловой баланс наступает в том случае, когда мощность теплового потока через стену станет равной мощности нагревателей:

(4)

Для определения температуры внутри помещения при условии, что система климат-контроля не работает, нужно переписать уравнение (3) и (4):

(5)

Если температура T_in находится ниже нужного диапазона, требуется дополнительный нагрев, если выше – кондиционирование.  В качестве кондиционеров наибольшее распространение получили так называемые сплит-системы, которые состоят как из наружного, так и внутреннего блоков.

Пусть T_max – величина, до которой нужно охладить температуру внутри помещения. Тогда мощность охлаждения кондиционера определяется следующим образом:

(6)

Важно отметить, что мощность охлаждения для этих систем не равна электрической мощности, потребляемой на электропитание кондиционера. Отношение мощности охлаждения к потребляемой электрической мощности кондиционера называется эффективностью охлаждения. Для промышленных сплит-систем, обычно использующихся для охлаждения помещений, типичное значение эффективности охлаждения равно 2,5 – 3. Эффективность охлаждения здесь выше единицы потому, что при кондиционировании горячий воздух (нагретый до температуры примерно +65ºС) выбрасывается в окружающую среду, имеющую существенно меньшую температуру.

Описание модели

Для определения затрат на климат-контроль рассмотрим помещение с серверным оборудованием площадью 20 м2, имеющую две наружные стены общей площадью 22,5 м2, выполненные из двойного силикатного кирпича (500 мм), имеющего коэффициент теплопроводности 0,7 Вт/(м·К).

Пусть в качестве ИБП используется система мощностью 3 кВА, рассчитанная на время резервирования 20 минут (типичные параметры ИБП для сервера небольшого предприятия). Аккумуляторная батарея запасает энергию 1,00 кВтч. Пусть общее тепловыделения оборудования, расположенного в помещении, также равно 3 кВт.

Предполагается, что система климат-контроля обеспечивает температуру внутри помещения в пределах, описанных в п. 7.3. Нагрев осуществляется собственно работающим оборудованием и электрическими нагревателями, при этом мощность затрачиваемой электроэнергии на дополнительный нагрев, равна мощности дополнительного нагрева. Для определения затрат электроэнергии на кондиционирование эффективность охлаждения для помещения и контейнера принимаем равной 2,5. Определяется зависимость затраченной на поддержание климат-контроля электроэнергии от допустимого отклонения температуры внутри объема δt относительно температуры +20ºС. Стоимость 1 кВтч электроэнергии принимается равной 4.0 рублей.

Результаты

График зависимости расходов на климат-контроль представлен на рисунке 8.

Рисунок 8 – зависимость расходов на климат-контроль в течение 15 лет от допустимого диапазона температуры.

Из представленного графика видно, что стоимость электроэнергии, затраченной на климат-контроль, при использовании свинцово-кислотной батареи равна 510 тыс. руб. за 15 лет эксплуатации, при использовании никель-кадмиевой или литий-ионной батареи ­– 425 тыс. рублей. То есть при эксплуатации никель-кадмиевой или литий-ионной батареи по сравнению со свинцово-кислотной батареей расходы на климат-контроль снижаются на 85 тыс. руб. или на 1300 $.

Таким образом, для 1 Втч запасаемой в аккумуляторе энергии получаем разницу 1,31 $ за время эксплуатации 15 лет.

 

Приложение Б – Расчет затрат на занимаемую площадь

Ниже представлен расчет площади, требуемой для размещения и обслуживания батареи для ИБП мощностью 160 кВА, рассчитанный на время резервирования 30 минут при условии чисто активной нагрузки. Напряжение в звене постоянного тока принимается равным 220 В. Рассматриваются четыре варианта батарей для ИБП:

1. Свинцово-кислотная батарея типа Gel.
2. Свинцово-кислотная батарея типа AGM.
3. Никель-кадмиевая батарея типа KGL.
4. Литий-железо-фосфатная батарея.

 

Сделанные допущения и расчет параметров системы.

Параметр	Знач.	Примечание
Мощность, кВт	160	нагрузка активная
Время резервирования, ч	0,5	нет ограничений на ток разряда
Доступная энергоемкость, кВтч	80	энергия батареи, которая доступна для указанного времени разряда
Напряжение в звене DC,	220	типичное значение для АБП
Требуемый ток, А	363,6	Определяется по разрядным характеристикам аккумуляторов
Ограничения по весу полки, кг	200	Для полки толщиной 2 мм со специальной отбортовкой без промежуточной точки крепления
Максимальное количество полок, шт.	4	Включая дно шкафа
Высота шкафа, мм	2000
Площадь шкафа типа 1, м2	0,36	Рассматривается шкаф с поперечными размерами 600х600 мм
Коэффициент заполнения полок	0,9

 

Расчет площади занимаемого оборудования

Параметр	OPzV 490	2VE 400	LFP240	KGL 450P	Примечание
Количество аккумуляторов	104	104	68	180	Определяется исходя из напряжения 220 В
Отдаваемый ток, А	389	361	409	370	Определяется по разр. характеристикам
Вес аккумулятора, кг	42	24	9,6	19,9	Определяется по спецификациям производителей
Высота, мм	520	260	337	411
Длина, мм	166	195	161	174
Ширина, мм	206	208	117	169
Количество полок в шкафу	3	4	4	3	Определяется ограничениями по высоте ора
Кол-во ячеек на полке (ограниченные весом)	4	8	20	10
Площадь ячейки, м2	0,034	0,041	0,019	0,029
Кол-во ячеек на полке (огранич.  площадью)	9	7	17	11
Кол-во ячеек на полке	4	7	17	10
Количество ячеек в шкафу	12	28	68	30
Количество шкафов	9	4	1	6
Общая площадь шкафов, м2	3,24	1,44	0,36	2,16
Площадь с учетом запаса, м2	6,48	2,88	0,72	4,32	Предполагается наличие 100% запаса на обслуживание