Le utility e gli impianti industriali dipendono da un'alimentazione di backup affidabile e resiliente in caso di interruzione della rete. La tecnologia delle batterie è un anello cruciale della catena, in quanto funge da fonte primaria di stoccaggio e rilascio di energia per gruppi di continuità e per altre applicazioni. Le batterie al piombo puro, come il piombo puro a piastra sottile (tppl), sono emerse come una tecnologia collaudata per le installazioni essenziali, ma devono essere dimensionate e mantenute correttamente. Questa guida elettronica spiega i vantaggi delle batterie tppl per applicazioni industriali e di pubblica utilità e fornisce un approccio basato sulle migliori pratiche per l'implementazione di tali soluzioni per massimizzare la disponibilità e ridurre i costi di vita.
IN CHE MODO LA MODERNA TECNOLOGIA DELLE BATTERIE AL PIOMBO PURO A PIASTRA SOTTILE FORNISCE LA CHIAVE
INTRODUZIONE
Le batterie sono fondamentali per l'alimentazione flessibile all'interno di impianti industriali e di pubblica utilità.
Nelle sottostazioni elettriche, ad esempio, le batterie forniscono un backup critico come parte di un gruppo di continuità (UPS) in caso di guasto della rete, garantendo il funzionamento continuo delle apparecchiature. Potrebbero anche essere utilizzati per altre attività come il livellamento del carico e la riduzione dei picchi e per l'integrazione di energia rinnovabile da fonti imprevedibili come i parchi eolici.
Nel frattempo, le batterie sono utilizzate anche in un'ampia gamma di applicazioni negli impianti di produzione di tutto il mondo. Possono potenzialmente fornire un mezzo altamente efficace di accumulo di energia per la riduzione dei picchi di domanda durante le ore di punta, riducendo i costi dell'elettricità.
In breve, le batterie sono viste come una tecnologia collaudata e affidabile in grado di fornire energia flessibile, affidabile e sostenibile su richiesta sia nelle utility che nelle applicazioni industriali. La ricerca mostra che il mercato delle batterie per applicazioni come i servizi pubblici e l'industria è stato valutato a 21,2 miliardi di dollari nel 2023 e si prevede che raggiungerà i 34,7 miliardi di dollari entro il 2029 , con un tasso di crescita composto annuo del 10,3%. Le batterie sono un grande business e rimarranno tali poiché gli utenti finali industriali e di pubblica utilità cercano sempre più di elettrificare le loro operazioni.
Questa guida elettronica fornisce una spiegazione tempestiva dei vantaggi delle batterie per applicazioni industriali e di pubblica utilità, concentrandosi in particolare sulle sostanze chimiche del piombo puro ben consolidate come il piombo puro a piastra sottile (TPPL). Fornisce inoltre un approccio basato sulle migliori pratiche per l'implementazione di tali batterie nelle utility e negli impianti industriali per ottenere la massima disponibilità e ridurre i costi di vita.
LE BATTERIE ALLAGATE HANNO I LORO SVANTAGGI
Storicamente, per gli utenti di batterie che necessitano di un galleggiante di standby, in cui viene utilizzata una carica di mantenimento per mantenere costantemente le batterie in uno stato di carica completo in modo che siano pronte a rispondere a qualsiasi interruzione dell'alimentazione di rete, la durata delle batterie è stata considerata il criterio più importante. Fino ad ora, la maggior parte di queste applicazioni si è basata principalmente sull'utilizzo di batterie al piombo acido convenzionali come le batterie al piombo acido ventilate (VLA). Sebbene queste batterie siano interessanti in termini di longevità, alcuni inconvenienti stanno diventando sempre più evidenti.
In primo luogo, mentre la densità di energia richiesta può essere raggiunta dimensionando correttamente le batterie VLA, le batterie TPPL hanno una densità di energia più elevata e forniscono più potenza a parità di ingombro. Si tratta di una considerazione importante per le implementazioni sempre più limitate in termini di spazio negli impianti di pubblica utilità e industriali.
In secondo luogo, la ventilazione è necessaria per i tipi di batterie allagate, il che può avere implicazioni sul layout. Anche le batterie allagate richiedono una manutenzione periodica, con l'elettrolita che deve essere rabboccato regolarmente. Infine, le batterie TPPL accettano una ricarica più rapida rispetto al VLA, il che è utile se si verificano ulteriori interruzioni in stretta successione.
Pertanto, gli operatori di servizi pubblici e impianti industriali stanno ora esaminando altri tipi di batterie industriali che combinano longevità, densità di energia e bassa manutenzione. Di conseguenza, le batterie al piombo-acido regolate da valvole (VRLA), in particolare il TPPL, stanno riscontrando interesse in questa categoria.
COMPRENDERE IL PASSAGGIO AL TPPL
Lo sviluppo delle batterie VRLA ha superato molti dei limiti di VLA. Incorporando separatori AGM (Absorbent Glass Mat) tra gli elettrodi, VRLA è stata in grado di mitigare le perdite di acqua elettrolitica (e lo sforzo di manutenzione che ne deriva). Queste batterie raggiungono anche densità di energia considerevolmente più elevate rispetto alle celle VLA (allagate) e hanno requisiti di ventilazione molto più bassi, il che significa che le batterie possono essere installate accanto alle apparecchiature che alimentano. Le batterie VRLA non devono più essere mantenute in posizione verticale, ma possono essere orientate secondo l'applicazione. Poiché viene eliminata la possibilità di fuoriuscita di elettroliti, sono più facili da trasportare.
Le batterie iniziali utilizzavano griglie composte da materiali come il piombo-calcio (che sono ancora oggi utilizzati in alcune applicazioni). Tuttavia, è importante notare che l'integrità della rete sia nelle batterie al piombo-calcio che in quelle TPPL si deteriora nel tempo a causa della corrosione. La differenza fondamentale risiede nel meccanismo e nella velocità di corrosione; Le griglie piombo-calcio tendono a corrodersi più velocemente del TPPL a causa della loro granulometria e delle inclusioni.
L'avvento della tecnologia TPPL ha fatto progredire con successo le batterie VRLA in modo significativo in altri modi. Lo spessore ridotto delle piastre delle batterie TPPL consente di imballarle strettamente tra loro, fornendo un'ampia superficie reattiva e una bassa resistenza interna, che a sua volta migliora le densità di potenza. Di conseguenza, le batterie TPPL possono essere ricaricate rapidamente e sono in grado di fornire picchi di corrente elevati senza alcuna caduta di tensione.
LE BATTERIE TPPL POSSONO ESSERE RICARICATE RAPIDAMENTE E SONO IN GRADO DI FORNIRE PICCHI DI CORRENTE ELEVATI SENZA ALCUNA CADUTA DI TENSIONE, LE BATTERIE TPPL SONO ANCHE ESENTI DA MANUTENZIONE.
Le batterie TPPL sono inoltre esenti da manutenzione. Sono dotati di valvole limitatrici di pressione che consentono la ricombinazione dei gas e si aprono solo quando la pressione interna supera una soglia predeterminata. A differenza di altri tipi di batterie, le batterie TPPL non hanno cappucci rimovibili o aperture per l'aggiunta di acqua, in quanto non richiedono il rabbocco con acqua, il che elimina la manutenzione e aiuta a ridurre il consumo di acqua. Un altro vantaggio è la tecnologia AGM, che assorbe l'elettrolita in un separatore di vetro tra le piastre. Questo design impedisce all'elettrolita di evaporare o fuoriuscire, eliminando la necessità di rabbocco.
Inoltre, le loro emissioni di gas sono estremamente basse. Hanno un lungo ciclo di vita, soprattutto se sottoposti a ripetuti microcicli di scarica seguiti da uno stato di carica parziale, in prontezza per la successiva interruzione. I bassi tassi di autoscarica consentono inoltre di conservare la batteria per periodi prolungati.
COME DIMENSIONARE CORRETTAMENTE LE SOLUZIONI TPPL
Il design intrinseco delle batterie TPPL consente agli utenti di servizi pubblici e industriali di selezionare e installare una soluzione in grado di offrire molteplici vantaggi, tra cui una maggiore durata, una migliore accettazione della carica, un'elevata affidabilità e una struttura robusta, massimizzando al contempo i tempi di attività e riducendo la manutenzione. Questa selezione può rendere la vita molto più semplice ai tecnici di manutenzione e ad altri membri del team all'interno di tali impianti. L'adozione del TPPL può aumentare la resilienza, ridurre i rischi, migliorare i costi di vita e utilizzare meglio le risorse dei team di manutenzione.
Diamo un'occhiata in modo più dettagliato a come l'adozione delle batterie TPPL può offrire vantaggi in termini di prestazioni nelle applicazioni di pubblica utilità e industriali. Il primo punto del percorso consiste nel dimensionare correttamente il design. Con molti anni di esperienza nel settore delle batterie, EnerSys si affida a team tecnici altamente competenti ed esperti per aiutare a guidare gli utenti finali verso la selezione del prodotto più adatto. Questo approccio collaborativo garantisce che i sistemi di batterie ottimizzati siano dimensionati correttamente per le loro applicazioni. Questi team di supporto adottano un approccio indipendente dalla tecnologia per quanto riguarda le specifiche delle batterie, con un ampio portafoglio che garantisce la scelta della batteria corretta, non di una batteria qualsiasi.
Inoltre, gli strumenti di dimensionamento delle batterie online forniscono un punto di partenza informato. Questi strumenti, insieme ai calcolatori dell'impronta di carbonio e del costo totale di proprietà (TCO), possono determinare le migliori opzioni di configurazione per rack, accessori e vari layout di sala. Ciò è particolarmente importante negli impianti di pubblica utilità e industriali in cui lo spazio è limitato e le condizioni ambientali possono variare considerevolmente.
EnerSys ha una lunga esperienza nei mercati delle utility e dell'industria, quindi ha sviluppato una conoscenza globale delle tecnologie delle batterie. I team tecnici sono incoraggiati a costruire relazioni durature e a lavorare in collaborazione con gli utenti finali. Questa relazione di "consulente di fiducia" garantisce che gli utenti finali scelgano architetture di batterie adeguate nella configurazione corretta per qualsiasi implementazione.
SEMPLIFICARE LA VITA DEI TEAM DI MANUTENZIONE
Una volta selezionate e installate sul campo, le batterie TPPL possono supportare attività di manutenzione più snelle, migliorando l'efficienza delle operazioni complessive del sito. In genere, i responsabili della manutenzione e gli operatori sono persone impegnate. Svolgono un ruolo pratico straordinariamente diversificato, eseguendo ispezioni di routine e manutenzione preventiva secondo varie strategie e tempistiche in loco. Le batterie sono solo una parte di una complessa rete di tecnologie interconnesse. E quando le prestazioni sono insufficienti o falliscono, sono necessarie risorse e sforzi che richiedono tempo per riportarle online.
Gestire la logistica dei programmi di manutenzione, soprattutto per sistemi su larga scala come centrali elettriche o impianti di produzione, può essere estremamente impegnativo. Pertanto, il funzionamento esente da manutenzione delle batterie TPPL è una considerazione fondamentale. Come accennato in precedenza, le loro caratteristiche di progettazione intrinseche significano che non richiedono regolari controlli dell'irrigazione o degli elettroliti, riducendo la necessità di visite di manutenzione in loco. Questa caratteristica riduce significativamente la frequenza degli "spostamenti dei camion" dagli appaltatori esterni al sito, riducendo al minimo le interruzioni logistiche delle operazioni e riducendo i costi di manutenzione a lungo termine. In effetti, si stima che il TPPL possa offrire fino al 50% di risparmio sui costi di manutenzione rispetto alle tradizionali batterie ad acido libero nel corso della loro vita, oltre ai vantaggi di sostenibilità associati creati dalla riduzione dei "rollaggi dei camion".
I VANTAGGI DI UNA DURATA D'ESERCIZIO COMPROVATA SUL CAMPO
Il TPPL offre inoltre una maggiore durata comprovata sul campo rispetto alle tradizionali batterie al piombo-calcio. Un minor numero di parti di ricambio può equivalere a un miglioramento del TCO. Ad esempio, le sostituzioni per le batterie TPPL sono in genere registrate a 8-9 anni rispetto ai 3-5 anni di altre tecnologie. Questi fattori fanno sì che le batterie TPPL debbano essere sostituite meno frequentemente una volta installate, riducendo la necessità di visite esterne in loco e i relativi tempi di inattività. Queste sono considerazioni essenziali per i team di manutenzione, le cui risorse possono essere utilizzate meglio altrove.
QUESTA INNOVAZIONE PROGETTUALE SIGNIFICA CHE LE BATTERIE TPPL POSSONO RAGGIUNGERE LIVELLI DI CAPACITÀ PIÙ ELEVATI E TEMPI DI FUNZIONAMENTO PIÙ LUNGHI CON UNITÀ PIÙ PICCOLE, ANCHE SE I TASSI DI SCARICA AUMENTANO, RENDENDOLE PIÙ EFFICIENTI E DUREVOLI RISPETTO ALLE TRADIZIONALI BATTERIE AL PIOMBO.
Il TPPL offre un progresso significativo nella tecnologia al piombo acido VRLA riducendo la corrosione della rete, un problema comune che porta a una riduzione della durata e delle prestazioni della batteria.
Nelle tradizionali batterie al piombo-acido, la griglia positiva, realizzata in piombo o leghe di piombo, supporta il materiale attivo positivo (PAM) della batteria e conduce l'elettricità. Tuttavia, questa griglia è soggetta a corrosione a causa del suo funzionamento in un ambiente di acido solforico, portando a una perdita di conduttività e ad un aumento del volume della griglia poiché il piombo si converte in ossidi di piombo meno densi. Questa corrosione riduce la capacità della batteria di condurre corrente e provoca la crescita fisica della rete, che può interrompere il contatto elettrico tra il PAM e la rete, provocando infine il guasto della batteria. Fattori come la tensione di mantenimento, la temperatura e in particolare la purezza del piombo influenzano il tasso di corrosione, con il piombo ad alta purezza che mostra un tasso di corrosione più lento rispetto al piombo legato con elementi come il calcio.
La tecnologia TPPL utilizza piombo ad alta purezza per la costruzione delle griglie delle batterie, rallentando significativamente il processo di corrosione e mantenendo l'integrità e la conduttività della rete nel tempo. Questa tecnologia consente di ottenere griglie più sottili e, quindi, elettrodi più sottili, aumentando il numero di elettrodi che possono essere inseriti all'interno di una cella e migliorando la superficie reattiva e l'efficienza dell'utilizzo del materiale attivo. Questa innovazione di progettazione significa che le batterie TPPL possono raggiungere livelli di capacità più elevati e tempi di funzionamento più lunghi con unità più piccole, anche con l'aumento della velocità di scarica, rendendole più efficienti e durevoli rispetto alle tradizionali batterie al piombo che si basano su griglie più spesse per compensare la rapida corrosione.
RICARICA RAPIDA PER OPERAZIONI RESILIENTI
Il TPPL offre anche altri vantaggi in termini di prestazioni tecniche, con conseguente aumento dell'efficienza operativa all'interno di impianti industriali e di pubblica utilità. Ad esempio, in genere hanno un'accettazione della carica superiore rispetto alle tradizionali batterie al piombo. Possono ricaricarsi in modo più efficiente ed efficace, assicurando che le batterie siano pronte a fornire energia senza tempi di ricarica prolungati o sforzi eccessivi sui sistemi di ricarica.
Con una maggiore superficie reattiva disponibile, il TPPL offre l'opportunità di ridurre il tempo di ricarica di una batteria UPS dopo un evento di scarica (a condizione che sia disponibile un'adeguata corrente di ricarica). I prodotti TPPL, come la serie di batterie PowerSafe® SBS, non richiedono limitatori di corrente, a condizione che la tensione di carica sia regolata in modo appropriato. Le batterie con tecnologia TPPL accettano prontamente 1C (100A per una batteria da 100Ahr) fino a quando non si avvicina all'80-85% di stato di carica (SoC) mantenendo un livello molto elevato di efficienza energetica. Ciò significa che la batteria può raggiungere l'80% di SoC in circa 50 minuti dopo una scarica completa (e il 100% di SoC in meno di 2,5 ore). Nella condizione più tipica di scarica inferiore al totale, i tempi di ricarica previsti saranno più brevi.
Nel frattempo, le batterie TPPL sono anche molto efficienti con la carica di mantenimento grazie alla minore resistenza interna. Il funzionamento a una corrente di mantenimento inferiore rispetto alle tradizionali batterie al piombo riduce il consumo di elettricità, riducendo quindi le emissioni di Scope 2 per l'utente finale.
MATERIALI ROBUSTI E TECNICHE COSTRUTTIVE
Le batterie TPPL sono inoltre costruite con materiali durevoli e tecniche di produzione avanzate, che le rendono altamente resistenti ai danni meccanici e ai fattori di stress ambientale. Questa struttura robusta garantisce che le batterie possano resistere a condizioni operative difficili senza compromettere le prestazioni, riducendo la probabilità di guasti prematuri e la necessità di attività di manutenzione non programmate.
Gran parte della robustezza deriva da una lunga esperienza di dispiegamento in ambienti operativi difficili, comprese le applicazioni militari, che hanno portato a una serie di miglioramenti tecnici. I terminali sono stati rinforzati e tra le piastre è stata utilizzata una carta AGM più resistente. Molte delle idee sono state applicate nel mercato dell'energia di riserva e sono utilizzate oggi per migliorare la durata e le prestazioni delle batterie TPPL, rendendole altamente resistenti a fattori come urti e vibrazioni.
Inoltre, in alcune parti del mondo, come gli Stati Uniti, si prevede che le batterie TPPL forniscano energia affidabile durante gli eventi sismici. Pertanto, i test sismici secondo standard come IEEE 693 vengono eseguiti per soddisfare le raccomandazioni di progettazione sismica per le applicazioni dell'utente finale come le sottostazioni. I test sismici hanno portato ad alcune modifiche progettuali nel corso degli anni a componenti come le alette utilizzate nelle batterie per fornire un punto di connessione sicuro per il collegamento di cavi o fili. In un mondo colpito dai cambiamenti climatici e dagli eventi meteorologici estremi, EnerSys si impegna a continuare l'evoluzione dei prodotti per garantire che le batterie rimangano adatte allo scopo.
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In conclusione, le batterie al piombo puro come il TPPL forniscono un'opzione affidabile e sostenibile per le utenze e le centrali elettriche. Per i responsabili della manutenzione e gli operatori che desiderano garantire l'operatività, spesso in ambienti difficili, i vantaggi includono:
- Alta affidabilità
- Ricarica rapida
- Ampio intervallo di temperatura
- Ingombro ridotto
- Esente da manutenzione
- Corrente di mantenimento inferiore per il risparmio energetico
EnerSys ha circa 50 anni di esperienza nello sviluppo di batterie al piombo puro come il TPPL. Offre un ampio portafoglio di sistemi di batterie robusti, scalabili e a bassa manutenzione che forniscono l'energia delle giuste dimensioni per i mercati delle utility e dell'industria, indipendentemente dall'applicazione. I prodotti sono realizzati in strutture di prima classe negli Stati Uniti e in Europa secondo gli standard più elevati, supportati da un'assistenza post-vendita di alta qualità. In definitiva, queste soluzioni forniscono energia affidabile e sostenibile nelle fabbriche e nelle centrali elettriche, massimizzando i tempi di attività e riducendo i costi di vita.
