Versorgungsunternehmen und Industrieanlagen sind auf eine zuverlässige und belastbare Notstromversorgung angewiesen, falls es zu einem Ausfall des Netzes kommt. Die Batterietechnologie ist ein entscheidendes Glied in der Kette und fungiert als primäre Energiespeicher- und -abgabequelle für unterbrechungsfreie Stromversorgungen und für andere Anwendungen. Reine Bleibatterien, wie z. B. Thin Plate Pure Lead (tppl), haben sich als bewährte Technologie für wichtige Installationen herausgestellt, müssen jedoch korrekt dimensioniert und gewartet werden. Dieser E-Guide erläutert die Vorteile von tppl-Batterien für Versorgungs- und Industrieanwendungen und bietet einen Best-Practice-Ansatz für die Implementierung solcher Lösungen, um die Verfügbarkeit zu maximieren und die Kosten für die gesamte Lebensdauer zu senken.
WIE DIE MODERNE DÜNNPLATTEN-TECHNOLOGIE FÜR REINE BLEIBATTERIEN DEN SCHLÜSSEL LIEFERT
EINLEITUNG
Batterien sind für die flexible Stromversorgung in Industrie- und Versorgungsanlagen von entscheidender Bedeutung.
In Umspannwerken beispielsweise sorgen Batterien als Teil einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) für den Fall eines Netzausfalls für eine wichtige Sicherung und gewährleisten so einen kontinuierlichen Betrieb der Geräte. Sie könnten auch für andere Aktivitäten wie Lastausgleich und Peak Shaving sowie für die Integration erneuerbarer Energien aus unvorhersehbaren Quellen wie Windparks verwendet werden.
Mittlerweile werden Batterien auch in einer Vielzahl von Anwendungen in Produktionsstätten weltweit eingesetzt. Sie können potenziell ein hochwirksames Mittel zur Energiespeicherung darstellen, um die Spitzennachfrage während der Spitzenzeiten zu reduzieren und die Stromkosten zu senken.
Kurz gesagt, Batterien gelten als bewährte Technologie, die sowohl in Versorgungsunternehmen als auch in industriellen Anwendungen flexible, zuverlässige und nachhaltige Stromversorgung auf Abruf liefern kann. Untersuchungen zeigen, dass der Markt für Batterien für Anwendungen wie Versorgungsunternehmen und Industrie im Jahr 2023 auf 21,2 Milliarden US-Dollar geschätzt wurde und bis 2029 voraussichtlich 34,7 Milliarden US-Dollar erreichen wird – bei einer jährlichen Wachstumsrate von 10,3 %. Batterien sind ein großes Geschäft und werden es auch bleiben, da Endverbraucher in Industrie und Versorgungsunternehmen zunehmend versuchen, ihren Betrieb zu elektrifizieren.
Dieser e-Guide bietet eine zeitnahe Erläuterung der Vorteile von Batterien für Versorgungs- und Industrieanwendungen, wobei der Schwerpunkt speziell auf etablierten reinen Bleichemien wie Thin Plate Pure Lead (TPPL) liegt. Es bietet auch einen Best-Practice-Ansatz für die Implementierung solcher Batterien in Versorgungs- und Industrieanlagen, um maximale Verfügbarkeit und niedrigere Kosten über die gesamte Lebensdauer zu erreichen.
NASSE BATTERIEN HABEN IHRE NACHTEILE
In der Vergangenheit galt für Batterienutzer, die einen Standby-Schwimmer benötigten, bei dem eine Erhaltungsladung verwendet wird, um die Batterien ständig in einem vollen Ladezustand zu halten, damit sie bereit sind, auf Unterbrechungen der Netzversorgung zu reagieren, die Lebensdauer der Batterien als wichtigstes Kriterium. Bisher hingen die meisten dieser Anwendungen in erster Linie von der Verwendung herkömmlicher Blei-Blei-Säure-Batterien ab, wie z. B. Blei-Säure-Batterien (VLA). Obwohl diese Batterien in Bezug auf die Langlebigkeit attraktiv sind, werden einige Nachteile immer deutlicher.
Erstens: Während die erforderliche Energiedichte durch die richtige Dimensionierung von VLA-Batterien erreicht werden kann, haben TPPL-Batterien eine höhere Energiedichte und bieten mehr Leistung bei gleicher Stellfläche. Dies ist ein wichtiger Aspekt für zunehmend beengte Implementierungen in Versorgungs- und Industrieanlagen.
Zweitens ist eine Belüftung für geflutete Batterietypen erforderlich, was Auswirkungen auf das Layout haben kann. Nassbatterien müssen auch regelmäßig gewartet werden, wobei der Elektrolyt regelmäßig nachgefüllt werden muss. Schließlich können TPPL-Batterien schneller aufgeladen werden als VLA, was nützlich ist, wenn weitere Ausfälle kurz hintereinander auftreten.
Daher suchen Betreiber von Versorgungs- und Industrieanlagen nun nach anderen Arten von Industriebatterien, die Langlebigkeit, Energiedichte und geringen Wartungsaufwand vereinen. Folglich finden ventilgeregelte Blei-Säure-Batterien (VRLA), insbesondere TPPL, in dieser Kategorie Anklang.
VERSTÄNDNIS DER VERSCHIEBUNG HIN ZU TPPL
Die Entwicklung von VRLA-Batterien hat viele der Einschränkungen von VLA überwunden. Durch den Einbau von AGM-Separatoren (Absorbent Glass Mat) zwischen ihren Elektroden konnte VRLA die Wasserverluste des Elektrolyten (und den damit verbundenen Wartungsaufwand) verringern. Diese Batterien erreichen auch deutlich höhere Energiedichten als VLA-Zellen (geflutete Zellen) und haben einen viel geringeren Belüftungsbedarf, was bedeutet, dass die Batterien neben den Geräten installiert werden können, die sie mit Strom versorgen. VRLA-Batterien müssen nicht mehr aufrecht gehalten werden, sondern können je nach Anwendung ausgerichtet werden. Da die Möglichkeit des Verschüttens von Elektrolyten ausgeschlossen ist, sind sie leichter zu transportieren.
Die ersten Batterien verwendeten Gitter, die aus Materialien wie Blei-Kalzium bestanden (die auch heute noch in einigen Anwendungen verwendet werden). Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass sich die Netzintegrität sowohl bei Blei-Kalzium- als auch bei TPPL-Batterien im Laufe der Zeit aufgrund von Korrosion verschlechtert. Der Hauptunterschied liegt im Korrosionsmechanismus und der Korrosionsrate; Blei-Kalzium-Gitter neigen aufgrund ihrer Korngröße und Einschlüsse dazu, schneller zu korrodieren als TPPL.
Das Aufkommen der TPPL-Technologie hat VRLA-Batterien auf andere Weise erfolgreich vorangetrieben. Die reduzierte Dicke der Platten in TPPL-Batterien ermöglicht es, sie dicht beieinander zu packen, was eine große reaktive Oberfläche und einen geringen Innenwiderstand bietet, was wiederum die Leistungsdichten erhöht. Dadurch können TPPL-Batterien schnell wieder aufgeladen werden und sind in der Lage, hohe Stromspitzen ohne Spannungsabfall zu liefern.
TPPL-BATTERIEN KÖNNEN SCHNELL WIEDER AUFGELADEN WERDEN UND SIND IN DER LAGE, HOHE STROMSPITZEN OHNE SPANNUNGSABFALL ZU LIEFERN, TPPL-BATTERIEN SIND ZUDEM WARTUNGSFREI.
TPPL-Batterien sind zudem wartungsfrei. Sie sind mit Überdruckventilen ausgestattet, die die Rekombination von Gasen ermöglichen und nur öffnen, wenn der Innendruck einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Im Gegensatz zu einigen anderen Batterietypen haben TPPL-Batterien keine abnehmbaren Kappen oder Öffnungen für die Wasserzunahme, da sie nicht mit Wasser nachgefüllt werden müssen – was den Wartungsaufwand überflüssig macht und den Wasserverbrauch reduziert. Ein weiterer Vorteil ist die AGM-Technologie, die den Elektrolyten in einen Glasmattenseparator zwischen den Platten aufnimmt. Diese Konstruktion verhindert, dass der Elektrolyt verdampft oder ausläuft, so dass kein Nachfüllen erforderlich ist.
Zudem sind ihre Gasemissionen extrem gering. Sie haben eine lange Lebensdauer, insbesondere wenn sie wiederholten Mikrozyklen der Entladung ausgesetzt werden, gefolgt von einem teilweisen Ladezustand, um für den nächsten Ausfall gerüstet zu sein. Niedrige Selbstentladungsraten ermöglichen auch die Lagerung von Batterien über längere Zeiträume.
SO FINDEN SIE DIE RICHTIGE DIMENSIONIERUNG VON TPPL-LÖSUNGEN
Das inhärente Design von TPPL-Batterien ermöglicht es Versorgungsunternehmen und industriellen Anwendern, eine Lösung auszuwählen und zu installieren, die mehrere Vorteile bietet, darunter eine längere Lebensdauer, eine verbesserte Ladeakzeptanz, eine hohe Zuverlässigkeit und eine robuste Konstruktion bei gleichzeitiger Maximierung der Betriebszeit und geringerer Wartung. Diese Auswahl kann das Leben von Wartungstechnikern und anderen praktischen Teammitgliedern in solchen Anlagen erheblich erleichtern. Die Einführung von TPPL kann die Ausfallsicherheit erhöhen, das Risiko senken, die Kosten über die gesamte Lebensdauer senken und die Ressourcen der Wartungsteams besser nutzen.
Schauen wir uns genauer an, wie die Einführung von TPPL-Batterien Leistungsvorteile in Versorgungs- und Industrieanwendungen bringen kann. Der erste Punkt auf dem Weg dorthin ist die richtige Dimensionierung des Designs. Mit langjähriger Batterieerfahrung verlässt sich EnerSys auf hochkompetente und erfahrene technische Teams, die den Endverbrauchern bei der Auswahl des am besten geeigneten Produkts helfen. Dieser kollaborative Ansatz stellt sicher, dass optimierte Batteriesysteme für ihre Anwendungen richtig dimensioniert sind. Diese Support-Teams verfolgen einen technologieunabhängigen Ansatz bei der Batteriespezifikation – mit einem breiten Portfolio, das sicherstellt, dass die richtige Batterie, nicht irgendeine Batterie, ausgewählt wird.
Darüber hinaus bieten Online-Tools zur Batteriedimensionierung einen fundierten Ausgangspunkt. Diese Tools können - zusammen mit den Rechnern für den CO2-Fußabdruck und die Gesamtbetriebskosten (TCO) - die besten Konfigurationsoptionen für Racks, Zubehör und verschiedene Raumlayouts ermitteln. Dies ist besonders wichtig in Versorgungs- und Industrieanlagen, in denen der Platz begrenzt ist und die Umgebungsbedingungen erheblich variieren können.
EnerSys verfügt über eine lange Erfolgsbilanz auf dem Versorgungs- und Industriemarkt und verfügt daher über ein umfassendes Know-how im Bereich der Batterietechnologien. Technische Teams werden ermutigt, langfristige Beziehungen aufzubauen und partnerschaftlich mit den Endbenutzern zusammenzuarbeiten. Diese "Trusted Advisor"-Beziehung stellt sicher, dass Endbenutzer geeignete Batteriearchitekturen in der richtigen Konfiguration für jeden Einsatz auswählen.
ERLEICHTERUNG DES LEBENS FÜR WARTUNGSTEAMS
Einmal ausgewählt und vor Ort installiert, können TPPL-Batterien optimierte Wartungsaktivitäten unterstützen und die Effizienz des gesamten Standortbetriebs verbessern. In der Regel sind Wartungsleiter und -mitarbeiter vielbeschäftigte Menschen. Sie üben eine außergewöhnlich vielfältige praktische Rolle aus und führen routinemäßige Inspektionen und vorbeugende Wartungen nach verschiedenen Vor-Ort-Strategien und Zeitplänen durch. Batterien sind nur ein Teil eines komplexen Geflechts miteinander verbundener Technologien. Und wenn sie unterdurchschnittliche Leistungen erbringen oder versagen, erfordert es zeitaufwändige Anstrengungen und Ressourcen, um sie wieder online zu bringen.
Die Verwaltung der Logistik von Wartungsplänen, insbesondere für Großanlagen wie Kraftwerke oder Produktionsanlagen, kann eine große Herausforderung darstellen. Daher ist der wartungsfreie Betrieb von TPPL-Batterien ein kritischer Aspekt. Wie bereits erwähnt, erfordern sie aufgrund ihrer inhärenten Konstruktionsmerkmale keine regelmäßige Bewässerung oder Elektrolytprüfung, wodurch der Bedarf an Wartungsbesuchen vor Ort reduziert wird. Diese Eigenschaft reduziert die Häufigkeit von "Truck-Rolls" von externen Auftragnehmern zum Einsatzort erheblich, wodurch logistische Betriebsunterbrechungen minimiert und die Wartungskosten langfristig gesenkt werden. Es wird geschätzt, dass TPPL über ihre gesamte Lebensdauer hinweg Einsparungen bei den Wartungskosten von bis zu 50 % im Vergleich zu herkömmlichen Nassbatterien erzielen kann, zuzüglich des damit verbundenen Nachhaltigkeitsvorteils, der durch die Reduzierung von "Truck-Rolls" entsteht.
DIE VORTEILE EINER PRAXISERPROBTEN LEBENSDAUER
TPPL bietet auch eine längere, praxiserprobte Lebensdauer als herkömmliche Blei-Kalzium-Batterien. Weniger Ersatzteile können zu verbesserten Gesamtbetriebskosten führen. Zum Beispiel werden die Auswechslungen für TPPL-Batterien in der Regel mit 8-9 Jahren verbucht, verglichen mit 3-5 Jahren für andere Technologien. Diese Faktoren bedeuten, dass TPPL-Batterien nach der Installation seltener ausgetauscht werden müssen, wodurch der Bedarf an externen Vor-Ort-Besuchen und die damit verbundenen Ausfallzeiten reduziert werden. Dies sind wesentliche Überlegungen für Wartungsteams, deren Ressourcen an anderer Stelle besser eingesetzt werden können.
DIESE DESIGNINNOVATION BEDEUTET, DASS TPPL-BATTERIEN MIT KLEINEREN EINHEITEN HÖHERE KAPAZITÄTEN UND LÄNGERE LAUFZEITEN ERREICHEN KÖNNEN, SELBST WENN DIE ENTLADERATEN STEIGEN, WAS SIE EFFIZIENTER UND LANGLEBIGER MACHT ALS HERKÖMMLICHE BLEI-SÄURE-BATTERIEN.
TPPL bietet einen bedeutenden Fortschritt in der VRLA-Blei-Säure-Technologie, indem es die Korrosion des Netzes reduziert, ein häufiges Problem, das zu einer verringerten Batterielebensdauer und -leistung führt.
Bei herkömmlichen Blei-Säure-Batterien stützt das positive Gitter aus Blei oder Bleilegierungen das positive aktive Material (PAM) der Batterie und leitet Strom. Dieses Gitter ist jedoch anfällig für Korrosion, da es in einer Schwefelsäureumgebung betrieben wird, was zu einem Verlust der Leitfähigkeit und einer Zunahme des Gittervolumens führt, da Blei in weniger dichte Bleioxide umgewandelt wird. Diese Korrosion verringert die Fähigkeit der Batterie, Strom zu leiten, und führt zu einem physischen Wachstum des Netzes, das den elektrischen Kontakt zwischen dem PAM und dem Netz unterbrechen kann, was letztendlich zum Ausfall der Batterie führt. Faktoren wie Erhaltungsspannung, Temperatur und vor allem die Reinheit des Bleis beeinflussen die Korrosionsrate, wobei hochreines Blei eine langsamere Korrosionsrate aufweist als Blei, das mit Elementen wie Kalzium legiert ist.
Die TPPL-Technologie verwendet hochreines Blei für den Bau der Batteriegitter, wodurch der Korrosionsprozess erheblich verlangsamt und die Integrität und Leitfähigkeit des Netzes im Laufe der Zeit erhalten bleibt. Diese Technologie ermöglicht dünnere Gitter und damit dünnere Elektroden, wodurch die Anzahl der Elektroden, die in eine Zelle passen, erhöht und die reaktive Oberfläche sowie die Effizienz der aktiven Materialausnutzung verbessert werden. Diese Designinnovation bedeutet, dass TPPL-Batterien mit kleineren Einheiten höhere Kapazitäten und längere Laufzeiten erreichen können, selbst wenn die Entladeraten steigen, was sie effizienter und langlebiger macht als herkömmliche Blei-Säure-Batterien, die auf dickere Gitter angewiesen sind, um schnelle Korrosion auszugleichen.
SCHNELLES AUFLADEN FÜR EINEN AUSFALLSICHEREN BETRIEB
TPPL bietet auch andere technische Leistungsvorteile, die zu einem effizienteren Betrieb in Versorgungs- und Industrieanlagen führen. Zum Beispiel haben sie in der Regel eine bessere Ladungsaufnahme als herkömmliche Blei-Säure-Batterien. Sie können effizienter und effektiver aufgeladen werden und stellen sicher, dass die Batterien bereit sind, Strom zu liefern, ohne lange Ladezeiten oder übermäßige Belastung der Ladesysteme.
Mit einer größeren reaktiven Oberfläche bietet TPPL die Möglichkeit, die Ladezeit einer USV-Batterie nach einem Entladeereignis zu verkürzen (vorausgesetzt, es steht ein ausreichender Ladestrom zur Verfügung). TPPL-Produkte, wie z. B. die PowerSafe® SBS-Batterieserie, benötigen keine Strombegrenzung, sofern die Ladespannung entsprechend geregelt wird. Batterien mit TPPL-Technologie akzeptieren problemlos 1C (100 A für eine 100-Ahr-Batterie), bis sie sich 80 bis 85 % Ladezustand (SoC) nähern, während sie ein sehr hohes Maß an Energieeffizienz beibehalten. Das bedeutet, dass die Batterie nach einer vollständigen Tiefenentladung in etwa 50 Minuten 80 % SoC erreichen kann (und 100 % SoC in weniger als 2,5 Stunden). Unter der typischeren Bedingung einer weniger als vollständigen Entladung sind die erwarteten Ladezeiten kürzer.
In der Zwischenzeit sind TPPL-Batterien aufgrund des geringeren Innenwiderstands auch bei Erhaltungsladung sehr effizient. Der Betrieb mit einem geringeren Erhaltungsstrom als herkömmliche Blei-Säure-Batterien senkt den Stromverbrauch und senkt somit die Scope-2-Emissionen für den Endverbraucher.
ROBUSTE MATERIALIEN UND BAUTECHNIKEN
TPPL-Batterien werden außerdem aus langlebigen Materialien und fortschrittlichen Herstellungstechniken hergestellt, wodurch sie sehr widerstandsfähig gegen mechanische Beschädigungen und Umwelteinflüsse sind. Diese robuste Konstruktion stellt sicher, dass die Batterien rauen Betriebsbedingungen standhalten, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines vorzeitigen Ausfalls und die Notwendigkeit ungeplanter Wartungsarbeiten verringert werden.
Ein Großteil der Robustheit beruht auf einer langen Erfolgsbilanz beim Einsatz in rauen Einsatzumgebungen, einschließlich militärischer Anwendungen, die zu einer Reihe von technischen Verbesserungen geführt haben. Die Anschlüsse wurden verstärkt und zwischen den Platten wurde ein haltbareres AGM-Papier verwendet. Viele der Ideen wurden auf dem Reserveleistungsmarkt angewendet und werden heute verwendet, um die Lebensdauer und Leistung von TPPL-Batterien zu verbessern und sie sehr widerstandsfähig gegen Faktoren wie Stöße und Vibrationen zu machen.
Auch in einigen Teilen der Welt, wie z. B. in den USA, wird erwartet, dass TPPL-Batterien bei seismischen Ereignissen eine zuverlässige Stromversorgung liefern. Daher werden seismische Tests nach Standards wie IEEE 693 durchgeführt, um die seismischen Designempfehlungen für Endbenutzeranwendungen wie Umspannwerke zu erfüllen. Seismische Tests haben im Laufe der Jahre zu bestimmten Designänderungen an Komponenten geführt, wie z. B. den Laschen, die in Batterien verwendet werden, um einen sicheren Verbindungspunkt für die Befestigung von Kabeln oder Drähten zu schaffen. In einer Welt, die vom Klimawandel und extremen Wetterereignissen betroffen ist, setzt sich EnerSys für eine kontinuierliche Produktweiterentwicklung ein, um sicherzustellen, dass Batterien ihren Zweck erfüllen.
ENERSYS: IHR PARTNER IN SACHEN BATTERIELEISTUNG
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass reine Bleibatterien wie TPPL eine zuverlässige und nachhaltige Option für Versorgungs- und Kraftwerke darstellen. Für Wartungsmanager und -mitarbeiter, die die Betriebszeit sicherstellen möchten, oft in schwierigen Umgebungen, bieten sich folgende Vorteile:
- Hohe Zuverlässigkeit
- Schnelles Aufladen
- Großer Temperaturbereich
- Reduzierter Platzbedarf
- Wartungsfrei
- Geringerer Erhaltungsstrom für Energieeinsparungen
EnerSys verfügt über rund 50 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von reinen Bleibatterien wie TPPL. Es bietet ein breites Portfolio an robusten, skalierbaren und wartungsarmen Batteriesystemen, die unabhängig von der Anwendung die richtige Leistung für Versorgungs- und Industriemärkte liefern. Die Produkte werden in erstklassigen Einrichtungen in den USA und Europa nach den höchsten Standards hergestellt, unterstützt durch eine erstklassige Aftermarket-Betreuung. Letztendlich sorgen diese Lösungen für eine zuverlässige und nachhaltige Stromversorgung in Fabriken und Kraftwerken, maximieren die Betriebszeit und senken die Kosten über die gesamte Lebensdauer.
