コンテナエネルギー貯蔵システムと従来のバッテリーエネルギー貯蔵システム

 

グリッドスケールのエネルギー貯蔵の普及により、電力システムが断続性とピーク需要を管理する方法が根本的に変わりました。{0}この状況の中で、2 つのアーキテクチャ パラダイムが主要な構成として浮上しています。コンテナ化されたバッテリーエネルギー貯蔵システム(BESS) および専用の構造物内に収容された従来のステーションタイプの設備-。{1}}どちらも表向きは同じ機能を果たしますが、-時間シフト送電に備えて電気エネルギーを蓄える--。エンジニアリング哲学、展開ロジスティクス、および運用特性は大幅に異なります。この違いは、プロジェクトの経済性、スケーラビリティ、長期的な資産管理に重大な影響を及ぼします。-

コンテナ化革命 (そしてそれが起こった理由)

コンテナが引き継ぐことを実際に計画した人は誰もいませんでした。この変化はほとんど偶然に起こりました。

2015 年頃、-2016 年にかけて、遠隔地-特にオーストラリアの鉱山事業や-サハラ以南アフリカ全域のオフグリッド施設の開発者は、6 か月の土木工事を必要としないものを要求し始めました。{4}トラックで到着し、数週間以内に作業を開始できる保管場所が必要でした。その答えは、誰もが直面するものでした。それは、すでに世界の物流に革命をもたらした、同じ標準化されたスチール製の箱でした。

標準の 20- フィート ISO コンテナ (6.1m × 2.4m × 2.6m) またはそれに相当する 40 フィートコンテナが事実上のフォームファクタとなりました。内部には、リチウムイオン電池ラック、電力変換システム、熱管理装置、消火器、監視ハードウェアなど、あらゆるものが詰め込まれています。統合は現場ではなく工場で行われます。それが重要な違いです。

これを技術的に機能させるのはプレエンジニアリングです。{0}テスラがメガパック ユニットを南オーストラリア州のホーンズデール パワー リザーブに出荷したとき、各コンテナは検証およびテストされたサブシステムとして到着しました。現場での作業は基本的に「プラグ アンド プレイ」でした。-エンジニアは使いたがらないが、顧客は好んで聞く言葉です。

伝統的なインスタレーション: もう誰も作りたがらないケース

ここで正直に言わなければいけないことがあります。従来の局タイプの BESS について好意的に書くことは、ファックス機を擁護するのと少し似ています。{1}テクノロジーは機能します。それは証明されています。世界で最も長く運用されているグリッド ストレージ資産の一部では、このアプローチが使用されています。-

しかし、経済状況が劇的に変化したため、特定の状況以外では新しい伝統的な建造物が稀になりつつあります。

問題は、「限界」が再定義され続けていることです。 5 年前、100MWh を超えるものは従来の構造が好まれていました。現在、その閾値はおそらく 300MWh 以上に達しており、さらに上昇し続けています。

熱管理: 興味深いところ

あまり評価されていないので、ここは時間をかけていきたいと思います。

リチウム-イオン電池は温度に敏感です。-最適な動作ウィンドウは 15 度から 35 度の間にあります。この範囲を逸脱すると、劣化が加速し、容量が低下し、熱暴走が発生する可能性があります。 12 年の資産寿命と 7 年の資産寿命の違いは、多くの場合、熱管理に起因します。

コンテナ化されたシステムは主に液体冷却に集約されています。コールド プレートはバッテリー モジュールと直接接触し、外部チラーに接続された閉ループを通してグリコール-水の混合物を循環させます。熱質量は管理可能です。応答時間は速いです。バッテリーパック全体の温度勾配は通常 3 ～ 5 度以内に収まります。

従来の設備は歴史的に室内レベルの空調に依存していました。{0}機能しますが、効率は低くなります。空気は液体に比べて熱伝導率が非常に悪いです。最も暖かいセルを制限内に保つために過剰冷却が行われることになります。これは、最も冷たいセルが最適以下で動作していることを意味します。エネルギー寄生負荷は、暑い気候ではシステム容量の 8-12% に達する可能性がありますが、適切に設計された液冷コンテナでは 3-5% に達します。

一部の新しいステーション-タイプのビルドでは、バッテリー モジュール全体を誘電性流体に浸す浸漬冷却-が採用されています。熱性能は格別です。しかし、運用の複雑さと流動的な管理要件により、特殊なアプリケーションへの採用は限られています。

誰も語らない数字

プロジェクト開発者は、$/kWh の数字を引用するのが好きです。現在の範囲は、化学的性質、期間、地理的要因に応じて、コンテナ化ソリューションのシステム レベルで 150 ～ 250 ドル/kWh の間になります。

しかし、この見出しの数字は、明らかにする以上に曖昧にしてしまいます。

 

 

100MWh プロジェクトの 2 つのシナリオを考えてみましょう。

01.

コンテナ化されたアプローチ:

設備: ~1,800万ドル

サイトの準備: ~120 万ドル

設置と試運転: ~80万ドル

系統相互接続: ~200 万ドル (場所によって大幅に異なります)

スケジュール: 注文から運用まで 8 ～ 14 か月

02.

従来のステーション-タイプ:

設備: 約 1,500 万ドル (バッテリーと PCS はコンテナ化しないと実際のコストがわずかに安くなります)

建物建設: ~400 ～ 600 万ドル

サイトの準備: ~200 万ドル

設置と試運転: ~150万ドル

系統相互接続: ~200 万ドル

スケジュール: 18 ～ 30 か月

コンテナ化されたプロジェクトでは、未加工の機器のコストは高くなりますが、その他のコストは低くなります。そしてその時間軸の違いは？これは、プロジェクトのプロフォーマではめったに現れない機会費用を表します。ストレージ資産が 12 か月早く収益を上げれば、投資計算が完全に変わる可能性があります。

火災と安全: コンテナの中の象

2019年にアリゾナ州で起こったこと、2021年にビクトリア州で起こったこと、あるいは韓国で起きた複数の事件に触れずにこの記事を書くことはできません。

バッテリー火災は理論上は危険ではありません。これらはエンジニアリング上の課題であり、真剣な注意が必要です。

コンテナ化されたシステムには、固有の利点があります。ユニット間の物理的な隔離は、1 つのコンテナ内の熱暴走イベントが必ずしも隣接するユニットに連鎖しないことを意味します。爆燃ベントはコンテナ構造に直接設計できます。緊急対応が簡素化されます。-消防士は建物に占拠される危険を冒すことなく、接近して立ち入り禁止区域を設定し、危険にさらされた部隊を焼き尽くすことができます。

アリゾナ州のマクミッケン事件では、2年近く問題なく稼働していたコンテナが関係していた。熱事象中にガスが蓄積すると、爆発状態が生じました。消防士が調査のためにドアを開けたところ、コンテナが爆発した。 ４人が入院した。

業界の対応は包括的であり、ガス検知システムの強化、自動爆燃パネル、熱事象の疑いがある場合のコンテナの開封を明示的に禁止する緊急時対応手順の改訂などが行われています。 UL 9540A 試験では、火災伝播特性を評価するための標準化された方法が提供されています。

しかし、私が魅力的に感じているのはここです。 -コンテナ化された BESS インシデントの注目度の高い性質により、実際には、従来の設置のリスク プロファイルが拡散するよりも迅速に安全性が向上しました。コンテナに問題が発生すると、ニュースになります。産業施設のバッテリー室で事故が発生した場合、多くの場合、一般労働災害に分類され、あまり精査されません。

市場が本当に求めているもの

私はここ数年、調達仕様の進化を見てきました。シフトは間違いありません。

5 年前、RFP はコンテナ化されたソリューションとステーション タイプのソリューションの両方について詳細な提案を要求していました。{0}}評価者は比較したいと考えていました。

現在、ほとんどの電力会社規模の調達では、コンテナ化された形式が明示的に指定されています。-標準化は自己強化となっています。-投資家は商品を理解しています。保険引受会社は枠組みを確立しています。 O&M 請負業者は専門知識を開発しました。エコシステムはコンテナーを中心に統合されました。

これは、従来のアプローチが消滅するという意味ではありません。しかし、彼らのニッチは狭まりつつあります。特定のアプリケーション向けのカスタム インストール。既存のインフラストラクチャを活用した改修プロジェクト。コンテナ物流が困難な地域。

5MWh コンテナとその先へ

事態はここに向かっています。

初期のコンテナ化システムは、約 1 ～ 2MWh を 40 フィートの箱に詰めていました。 CATL、BYD、Tesla などの現行世代の製品は、通常 3 ～ 4MWh を達成します。 Megapack 2 XL は 4MWh を目指します。 CATL の EnerOne Plus は 5MWh+. を主張

これを推進する物理学: より高いエネルギー密度のセル (280Ah 角形 LFP が標準になりました)、より効率的な熱管理により、より密なパッキングが可能になり、よりスマートな BMS アルゴリズムにより、同じハードウェアからより多くの使用可能な容量が抽出されます。

しかし限界もあります。約 35-40 トン-を超えると重量が制約となり、特殊な重量輸送要件に対処することになります。熱密度は、熱遮断システムが非線形にスケールすることを意味します。より大容量のユニットの安全認証プロセスには時間がかかり、コストも高くなります。

私の推測では、-これは単なる推測ですが、-市場標準化は 40 フィート相当あたり 5～6MWh あたりになるのではないかと考えています。それを超えると、コンテナを拡大するのではなく追加し始めます。標準化によるロジスティクスは、カスタム サイジングによるわずかな利点を上回ります。

化学に関する簡単なメモ

私は主にリン酸鉄リチウム（LFP）について書いてきました。電力規模の市場がここに到達したからです。-安全性プロファイル、サイクル寿命、コストの推移により、グリッド用途では主流となっています。

しかし、これから起こることを無視しないでください。

ナトリウム-イオンは本物です。 CATL では生産ラインが稼動しています。エネルギー密度は低くなりますが（LFP の約 80-90%）、原材料コストとサプライ チェーンの回復力は魅力的です。重量エネルギー密度がそれほど重要ではない定置型貯蔵の場合、ナトリウムイオン容器が 3 ～ 5 年以内に大きなシェアを獲得する可能性があります。

ソリッドステートは、-まだ先のことです-。おそらく 2030 年までにグリッド規模で商用化されることはありません。しかし、ソリッドステートが到来すると、熱管理の方程式は完全に変わります。液体電解質がないということは、根本的に異なる安全特性を意味します。

最終的な考え

コンテナ化と従来の議論は、市場によって基本的に決着しました。コンテナーが勝ったのは、デプロイメントの問題が解決され、デプロイメントがボトルネックだったからです。エネルギー移行には、すべてのプロジェクトのカスタム エンジニアリングを待つ時間はありません。

依然として興味深いのは、これらの形式間の競争ではなく、コンテナ化されたシステム内で起こっている進化です。大容量、よりスマートな熱管理、グリッド サービスとのより高度な統合。コンテナがプラットフォームになりました。

従来のステーション型の設置は、合理的なニッチ分野で存続します。-ブラウンフィールドプロジェクト。密集した都市コア。独自の要件を持つアプリケーション。しかし、主流のグリッド-スケール ストレージ導入-では、ギガワット-時間の容量が各大陸で毎年追加されています-。コンテナが導入の基本単位となっています。

それはロマンスではありません。それが物流です。そしてインフラストラクチャーでは、通常、物流が勝利します。