Борьба с коронавирусом, длящаяся уже многие месяцы, наглядно показала важность надежного энергоснабжения. Подача электричества без сбоев нужна не только для медицинских учреждений, но и для объектов телекоммуникационной инфраструктуры, поскольку значительная часть офисных сотрудников отправлена на «удаленку». Не удивительно, что именно источники бесперебойного питания (ИБП) в сентябре стали главной темой новостей электротехнической отрасли.
Надежная связь
Объекты телекоммуникационной инфраструктуры, будь то базовые станции мобильной связи или же телефонные станции для проводной связи, как правило, должны оснащаются ИБП на основе аккумуляторов, которые обеспечивают работоспособность системы на протяжении 2-4 часов после отключения основного питания.
Там, где требуется обеспечить функционирование связи в течение большего периода отсутствия напряжения в сети, используются еще и дизель-генераторы. Например, такое решение применяется в труднодоступной местности, где на устранение обрыва линии электропередачи уходит более 4 часов. Помимо того, что дизель-генераторы загрязняют атмосферу, есть проблемы с надежностью их автоматического запуска, особенно при сильных морозах.
Израильская компания GenCell Energy создала технологию водородных топливных элементов, пригодную для обеспечения резервного питания телекоммуникационного оборудования. В отличие от дизель-генераторов, такие элементы не содержат движущихся механических частей, что обеспечивает их практически мгновенный запуск, а также позволяет выполнять большинство операций по обслуживанию (кроме, разве что, подвоза баллонов с водородом) дистанционно через Интернет.
Стандартная комплектация водородного ИБП GenCell G5 позволяет обеспечить электропитанием объект с потребляемой мощностью 5 кВт в течение 15 часов. В атмосферу выбрасывается только вода, плюс вырабатывается тепло, которое, в том числе, используется ИБП на свои нужды в условиях низких температур. ИБП дает напряжение 230 В переменного тока, 130 В постоянного тока, и, что самое важное, 48 В постоянного тока, а ведь именно такое напряжение питания обычно характерно для базовых станций сетей 5G. Таким образом, дополнительного преобразования напряжения не потребуется. Разработчики GenCell G5 утверждают, что в их детище нашли свое применение технологии, созданные в NASA, а также разработки советских ученых, использовавшиеся на орбитальной станции «Мир».
В сентябре 2020 г. был дан старт массовому применению ИБП GenCell G5 в телекоммуникационной отрасли. Оператор связи Tier One объявил об установке первого такого ИБП на своей базовой станции стандарта 5G, расположенной в одной из европейских стран.
Однако большую часть времени ИБП для объектов связи все же простаивают без работы. Не пустить ли их в дело, в смысле, заставив работать на благо «зеленой» энергетики? Такой эксперимент проводится в Нидерландах, в сентябре подвели его первые итоги. На телефонной станции города Амерсфорт, которая принадлежит общенациональному оператору связи KPN, аккумуляторная батарея ИБП стала работать по специальному алгоритму. В те моменты, когда в энергосистеме страны превалирует «зеленая» энергия (днем при солнечной погоде, а также при сильном ветре), аккумулятор запасает энергию, а телефонная станция работает от сети. Тогда, когда доля «зеленой» энергии небольшая (например, в ночное время), телефонная станция переходит на питание от ИБП. Таким образом, можно считать, что телефонная станция использует для своего питания преимущественно экологически чистую энергию, даже если на ней не установлены солнечная батарея или ветряк. Переключение из одного режима работы в другой и обратно осуществляется на основании прогнозов о доле «зеленой» энергии в общей генерации для заданного интервала времени. Эти прогнозы создаются автоматически компьютерной системой с элементами искусственного интеллекта на основании информации о погоде и ситуации в энергосистеме. В эксперименте используется литий-ионный аккумулятор производства компании Nilar, его емкость составляет 230 кВт·ч.
При правильном алгоритме, такое использование аккумулятора ИБП не вредит его основному назначению. Мало того, регулярные испытания аккумулятора на заряд-разряд позволяют следить за его работоспособностью, то есть, фактически даже повышают надежность резервного электропитания.
Уже первые итоги эксперимента в Амерсфорте оказались положительными и в будущем KPN планирует применить технологию на нескольких сотнях телефонных станций, расположенных по всей стране.
Пожаробезопасные аккумуляторы
Современной тенденцией развития ИБП является переход от свинцово-кислотных к литий-ионным аккумуляторам. При всех преимуществах, литий-ионные аккумуляторы могут при неправильной эксплуатации возгораться и даже взрываться. Но даже если вы правильно эксплуатируете такие аккумуляторы, в случае, когда в здании произошел пожар, они могут способствовать распространению огня. Это, в частности, показали недавние лесные пожары в Калифорнии, которые затронули и жилой сектор, в том числе и дома, оборудованные литий-ионными аккумуляторами.
Поэтому, параллельно с развитием литий-ионной технологии, шли поиски негорючей альтернативы. Наиболее перспективными в этом плане стали натрий-ионные аккумуляторы. В качестве электролита в них используются соли натрия. Помимо высокой пожаробезопасности, производство и утилизация натрий-ионных аккумуляторов практически не вредит природе. Потребность в повышении надежности энергоснабжения подстегнула разработки в этой области. В результате в сентябре две компании представили первые образцы таких АКБ, пригодных для практического использования.
Американская компания Natron Energy в сотрудничестве с международным гигантом ABB представила натрий-ионную аккумуляторную батарею BlueTray 4000. Она предназначена для систем бесперебойного питания дата-центров и базовых станций стандарта 5G. Сообщается, что данный продукт является первым в мире натрий-ионным аккумулятором, получивший сертификат соответствия стандарту безопасности UL. Однако о емкости аккумулятора его создатели публично пока не сообщают.
В Германии компания BlueSky Energy создала свой вариант натрий-ионного аккумулятора, получившего название Greenrock. В нем в качестве электролита применяется водный раствор сульфата натрия.
В сентябре была начата эксплуатация данных аккумуляторов на реальных объектах.
В одном из немецких населенных пунктов были введены два индивидуальных дома площадью 750 кв. м, снабжающихся электроэнергией от солнечных панелей. В каждом из домов стоит аккумуляторная батарея Greеnrock емкостью 30 кВт·ч, используемая в качестве накопителя энергии на случай, когда солнечные панели не вырабатывают достаточное количество электричества.
Новое — хорошо забытое старое!
Сентябрь запомнился специалистам по электроэнергетике громким анонсом нового типа аккумуляторов, разработанных американской компанией Zinc8. Речь идет о так называемых воздушно-цинковых (ВЦ) аккумуляторах. Если очень упрощенно представить принцип их работы, то выработка электроэнергии в них происходит за счет окисления поверхности цинкового электрода кислородом из воздуха. А если пропускать ток через аккумулятор, то пойдет обратный процесс — очистка поверхности электрода от окиси, таким способом и происходит запасание электрической энергии.
Важнейшим преимуществом ВЦ-аккумуляторов, по мнению разработчиков, является низкая стоимость хранения 1 кВт·ч электроэнергии — 95 долл. против 300 долл. у литий-ионных. И, что немаловажно в условиях торговой войны США с Китаем, все материалы для ВЦ-батарей можно добыть на территории Северной Америки (крупнейшие в мире месторождения лития расположены на территории Китая). Также, ВЦ-аккумуляторы менее горючие и более экологичны при производстве и утилизации по сравнению с литий-ионными.
На основе новинки компания Zinc8 планирует создать модульную систему ИБП под названием ESS, позволяющую, в зависимости от собранной конфигурации, питать нагрузку от 20 кВт до 50 МВт на протяжении промежутка времени от 8 до 100 и даже более часов. Первые ВЦ-аккумуляторы должны сойти с конвейера уже в конце текущего года, коммерческое использование технологии должно произойти до 2023 г. Теоретически, ВЦ технология способна обеспечить даже большую плотность хранения энергии, чем литий-ионная.
Однако технология ВЦ-источников питания на самом деле не является принципиально новой. Это ветвь развития накопления энергии некогда признана бесперспективной, а сейчас возрожденная на новой основе.
Принцип работы ВЦ-элементов питания был изобретен в США в 50-х годах XX века. ВЦ-батарейки массово выпускались по всему миру в 60-80-х годах. В СССР огромной популярностью пользовались батарейки «Крона ВЦ». Согласно документации производителя, эти батареи можно было использовать только однократно, но радиолюбители-энтузиасты обнаружили, что данный тип источника питания можно было многократно заряжать, до 5 раз.
Внимание!
Мы настоятельно не рекомендуем повторять данный опыт с современными аналогами «Кроны ВЦ», так как они имеют другой принцип работы, и зарядка может привести к их взрыву.
При большой емкости ВЦ-батарейки имели существенный недостаток — относительно быстрый саморазряд. Непосредственно перед использованием ВЦ-батарею извлекали из герметичной упаковки, не пропускавшей воздух, либо снимали специальную заглушку, после чего начинался процесс окисления электродов даже без нагрузки. Батарейку нужно было использовать в течение полугода после вскрытия упаковки (снятия заглушки). Из-за этого в 90-х годах ВЦ-батареи были вытеснены щелочными (алкалиновыми), их выпуск продолжается только для специальных применений.
Кратность перезарядки современных ВЦ-аккумуляторов измеряется уже тысячами циклов. Правда, о том, как проблема саморазряда была решена компанией Zinc8, не сообщается. Но даже если аккумулятор способен держать заряд всего полгода, для ИБП это вполне приемлемый показатель.
ИБП от «Росэлектроники»
В сентябре публике был представлен первый ИБП, выпущенный холдингом «Росэлектроника» (входит в госкорпорацию «Ростех»). Предполагается, что он будет выпускаться с 2021 г. на мощностях Специального конструкторско-технологического бюро по релейной технике (СКТБ РТ), входящего в холдинг.
Для осуществления проекта по программе «Конверсия» был привлечен льготный займ от Фонда развития производства в размере 80 млн руб. Планируемый объем производства — 50 тыс. штук в год.
О технических характеристиках ИБП из официального пресс-релиза известно только то, что он является универсальным, работает по принципу двойного преобразования и способен питать нагрузку (мощность не указана) на протяжении не менее 5 минут. Для увеличения этого времени можно подключить дополнительные аккумуляторы.
В России давно есть собственные производители ИБП. Но, как правило, это либо предприятия по сборке продукции зарубежных брендов, либо небольшие бизнесы по разработке и производству оригинальной российской продукции, созданные без какой-либо государственной поддержки. Во втором случае производятся ИБП под нужды узкого круга заказчиков. Привлечение к производству ИБП госкорпорации «Ростех» демонстрирует понимание властями важности данного вида продукции в нынешних условиях. Будем надеяться, что создан важный прецедент и в будущем государственная поддержка выпуска ИБП коснется и других ведущих отечественных производителей.
Автор: Алексей Васильев
