Οι τεχνολογίες αδιάλειπτης τροφοδοσίας (UPS) έχουν χρησιμοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές εδώ και πολλά χρόνια για την υποστήριξη της συνεχούς λειτουργίας των βασικών φορτίων κατά τη διάρκεια διακοπών ρεύματος από το δίκτυο. Αυτά τα συστήματα έχουν χρησιμοποιηθεί σε πολλές διαφορετικές τοποθεσίες για να παρέχουν πρόσθετη ατρωσία από διακοπές δικτύου που παρεμβαίνουν στη λειτουργία καθορισμένων φορτίων. Τα συστήματα UPS χρησιμοποιούνται συχνά για την προστασία υπολογιστών, εγκαταστάσεων υπολογιστών και τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού. Με την πρόσφατη εξέλιξη των νέων ενεργειακών τεχνολογιών, τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας (ESS) έχουν πολλαπλασιαστεί ταχέως. Τα ESS, ιδιαίτερα εκείνα που χρησιμοποιούν τεχνολογίες μπαταριών, συνήθως παρέχονται από ανανεώσιμες πηγές όπως η ηλιακή ή η αιολική ενέργεια και επιτρέπουν την αποθήκευση της ενέργειας που παράγεται από αυτές τις πηγές για χρήση σε διαφορετικούς χρόνους.

Το τρέχον πρότυπο ANSI των ΗΠΑ για το UPS είναι το UL 1778, το πρότυπο για συστήματα αδιάλειπτης ισχύος. και CSA-C22.2 No. 107.3 για τον Καναδά. Το UL 9540, το πρότυπο για συστήματα και εξοπλισμό αποθήκευσης ενέργειας, είναι το αμερικανικό και καναδικό εθνικό πρότυπο για το ESS. Ενώ τόσο τα ώριμα προϊόντα UPS όσο και το ταχέως εξελισσόμενο ESS που παράγονται έχουν κάποια κοινά σημεία σε τεχνικές λύσεις, λειτουργίες και εγκατάσταση, υπάρχουν σημαντικές διαφορές. Αυτό το έγγραφο θα εξετάσει τις κρίσιμες διαφοροποιήσεις, θα σκιαγραφήσει τις ισχύουσες απαιτήσεις ασφάλειας προϊόντων που σχετίζονται με την καθεμία και θα συνοψίσει πώς εξελίσσονται οι κώδικες για την αντιμετώπιση και των δύο τύπων εγκαταστάσεων.

ΠαρουσιάζονταςUPS

Σχηματισμός

Ένα σύστημα UPS είναι ένα ηλεκτρικό σύστημα που έχει σχεδιαστεί για να παρέχει στιγμιαία προσωρινή ισχύ βασισμένη σε εναλλασσόμενο ρεύμα για κρίσιμα φορτία σε περίπτωση βλάβης του ηλεκτρικού δικτύου ή άλλων καταστάσεων διακοπής της πηγής ρεύματος. Το UPS έχει μέγεθος ώστε να παρέχει μια στιγμιαία συνέχιση μιας προκαθορισμένης ποσότητας ισχύος για μια συγκεκριμένη διάρκεια. Αυτό επιτρέπει σε μια δευτερεύουσα πηγή ρεύματος, π.χ. μια γεννήτρια, να συνδεθεί στο διαδίκτυο και να συνεχίσει με την εφεδρική τροφοδοσία. Το UPS μπορεί να τερματίσει με ασφάλεια μη απαραίτητα φορτία, ενώ συνεχίζει να παρέχει ρεύμα σε πιο σημαντικά φορτία εξοπλισμού. Τα συστήματα UPS παρέχουν αυτή την κρίσιμη υποστήριξη για διάφορες εφαρμογές εδώ και πολλά χρόνια. Ένα UPS θα χρησιμοποιεί την αποθηκευμένη ενέργεια από μια ενσωματωμένη πηγή ενέργειας. Αυτό είναι συνήθως τράπεζα μπαταρίας, υπερπυκνωτής ή η μηχανική κίνηση ενός σφονδύλου ως πηγή ενέργειας.

Ένα τυπικό UPS που χρησιμοποιεί μια τράπεζα μπαταριών για την τροφοδοσία του αποτελείται από τα ακόλουθα κύρια εξαρτήματα:

Ανορθωτής/φορτιστής – Αυτό το τμήμα UPS λαμβάνει την τροφοδοσία AC, το διορθώνει και παράγει μια τάση DC που χρησιμοποιείται για τη φόρτιση των μπαταριών.

• Μετατροπέας – Σε περίπτωση διακοπής της παροχής ρεύματος, ο μετατροπέας θα μετατρέψει την ισχύ DC που είναι αποθηκευμένη στις μπαταρίες σε καθαρή έξοδο εναλλασσόμενου ρεύματος κατάλληλη για τον υποστηριζόμενο εξοπλισμό.

• Διακόπτης μεταφοράς – Μια αυτόματη και στιγμιαία συσκευή μεταγωγής που μεταφέρει ισχύ από διάφορες πηγές, π.χ. ηλεκτρικό δίκτυο, μετατροπέα UPS και γεννήτρια, σε ένα κρίσιμο φορτίο.

• Συστοιχία μπαταριών – Αποθηκεύει την ενέργεια που απαιτείται για να εκτελέσει το UPS την προβλεπόμενη λειτουργία του.

Τρέχοντα πρότυπα για συστήματα UPS

• Το τρέχον πρότυπο ANSI των ΗΠΑ για το UPS είναι το UL 1778/C22.2 No. 107.3, το Πρότυπο για Συστήματα Αδιάλειπτης Ενέργειας, το οποίο ορίζει ένα UPS ως «ένα συνδυασμό μετατροπέων, διακοπτών και συσκευών αποθήκευσης ενέργειας (όπως μπαταρίες) που αποτελούν μια ισχύ σύστημα για τη διατήρηση της συνέχειας της ισχύος σε ένα φορτίο σε περίπτωση διακοπής ρεύματος εισόδου.»

• Υπό ανάπτυξη βρίσκονται οι νέες εκδόσεις του IEC 62040-1 και του IEC 62477-1. Το UL/CSA 62040-1 (χρησιμοποιώντας το UL/CSA 62477-1 ως πρότυπο αναφοράς) θα εναρμονιστεί με αυτά τα πρότυπα.

Παρουσιάζοντας αποθήκευσης ενέργειας συστήματα (ESS)

Τα ESS κερδίζουν έδαφος ως απάντηση σε μια σειρά από προκλήσεις που αντιμετωπίζει η διαθεσιμότητα και

αξιοπιστία στη σημερινή αγορά ενέργειας. Το ESS, ιδιαίτερα εκείνα που χρησιμοποιούν τεχνολογίες μπαταριών, συμβάλλουν στον μετριασμό της μεταβλητής διαθεσιμότητας ανανεώσιμων πηγών, όπως η ηλιακή ή η αιολική ενέργεια. Το ESS είναι μια πηγή αξιόπιστης ισχύος κατά τη διάρκεια των χρόνων αιχμής χρήσης και μπορεί να βοηθήσει με τη διαχείριση φορτίου, τις διακυμάνσεις ισχύος και άλλες λειτουργίες που σχετίζονται με το δίκτυο. Τα ESS χρησιμοποιούνται για εφαρμογές κοινής ωφέλειας, εμπορικές, βιομηχανικές και οικιακές εφαρμογές.

Τρέχοντα πρότυπα για το ESS

Το UL 9540, το πρότυπο για συστήματα και εξοπλισμό αποθήκευσης ενέργειας, είναι το αμερικανικό και καναδικό εθνικό πρότυπο για το ESS.

• Δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά το 2016, το UL 9540 περιλαμβάνει πολλαπλές τεχνολογίες για ESS, συμπεριλαμβανομένων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας (BESS). Το UL 9540 καλύπτει επίσης άλλες τεχνολογίες αποθήκευσης: μηχανικό ESS, π.χ. αποθήκευση σφονδύλου σε συνδυασμό με γεννήτρια, χημικό ESS, π.χ. αποθήκευση υδρογόνου σε συνδυασμό με σύστημα κυψελών καυσίμου και θερμικό ESS, π.χ. αποθήκευση λανθάνουσας θερμότητας σε συνδυασμό με γεννήτρια.
• Το UL 9540, η δεύτερη έκδοσή του ορίζει ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας ως «Εξοπλισμός που λαμβάνει ενέργεια και στη συνέχεια παρέχει ένα μέσο αποθήκευσης αυτής της ενέργειας σε κάποια μορφή για μελλοντική χρήση, προκειμένου να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια όταν χρειάζεται». Η δεύτερη έκδοση του UL 9540 απαιτεί περαιτέρω να υποβληθεί ένα BESS στο UL 9540A, την τυπική μέθοδο δοκιμής για την αξιολόγηση της διάδοσης θερμικής διαφυγής πυρκαγιάς σε συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπαταριών, εάν απαιτείται για να πληρούνται οι εξαιρέσεις στους κωδικούς.
• Το UL 9540 βρίσκεται αυτή τη στιγμή στην τρίτη του έκδοση.

Σύγκριση ESS με UPS

Λειτουργίες και διάσταση

Ένα ESS είναι παρόμοιο στην κατασκευή με ένα UPS αλλά διαφέρει στη χρήση του. Όπως το UPS, το ESS περιλαμβάνει έναν μηχανισμό αποθήκευσης ενέργειας όπως μπαταρίες, εξοπλισμό μετατροπής ισχύος, π.χ. μετατροπείς και διάφορα άλλα ηλεκτρονικά και χειριστήρια. Σε αντίθεση με το UPS, ωστόσο, ένα ESS μπορεί να λειτουργεί παράλληλα με το πλέγμα, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη ανακύκλωση του συστήματος από ό,τι θα είχε ποτέ ένα UPS. Ένα ESS μπορεί να συνεργαστεί διαδραστικά με το δίκτυο ή σε αυτόνομη λειτουργία ή και τα δύο, ανάλογα με τον τύπο του συστήματος μετατροπής ισχύος που χρησιμοποιείται. Ένα ESS μπορεί να λειτουργήσει ακόμη και ως λειτουργικότητα UPS. Όπως το UPS, το ESS μπορεί να διατεθεί σε διάφορα μεγέθη από ένα μικρό οικιακό σύστημα που είναι λιγότερο από 20 kWh ενέργειας έως εφαρμογές κοινής ωφέλειας που χρησιμοποιούν συστήματα δοχείων ενέργειας πολλών μεγαβάτ με πολλαπλές βάσεις μπαταριών εντός του δοχείου

Χημική σύνθεση και ασφάλεια

Η τυπική χημική σύνθεση των μπαταριών που χρησιμοποιούνται στα UPS ήταν πάντα μπαταρίες μολύβδου-οξέος ή νικελίου-καδμίου. Σε αντίθεση με το UPS, το BESS χρησιμοποιεί εξαρχής τεχνολογίες όπως μπαταρίες ιόντων λιθίου, επειδή οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν καλύτερη απόδοση κύκλου και υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, κάτι που μπορεί να προσφέρει περισσότερη ενέργεια σε μικρότερο φυσικό αποτύπωμα. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν επίσης πολύ χαμηλότερες απαιτήσεις συντήρησης από τις παραδοσιακές τεχνολογίες μπαταριών. Αλλά επί του παρόντος, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται επίσης όλο και περισσότερο σε εφαρμογές UPS.

Ωστόσο, ένα σοβαρό ατύχημα στην Αριζόνα το 2019 με ένα ESS που χρησιμοποιείται σε εφαρμογές κοινής ωφέλειας οδήγησε σε σοβαρούς τραυματισμούς σε αρκετούς πρώτους ανταποκριτές και τράβηξε την προσοχή διαφόρων ενδιαφερομένων, συμπεριλαμβανομένων των ρυθμιστικών αρχών και των ασφαλιστικών φορέων. Για να διασφαλιστεί ότι αυτό το αναπτυσσόμενο πεδίο δεν παρεμποδίζεται από περιστατικά ασφάλειας που μπορούν να αποφευχθούν, πρέπει να αναπτυχθούν κατάλληλες προδιαγραφές και πρότυπα για το ESS. Για να ενθαρρύνει την ανάπτυξη κατάλληλων προδιαγραφών και προτύπων ασφάλειας για το ESS, το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) ξεκίνησε το πρώτο ετήσιο φόρουμ για την ασφάλεια και την αξιοπιστία ESS το 2015.

Το πρώτο φόρουμ DOE ESS συνέβαλε σε μεγάλο όγκο εργασιών σχετικά με τις προδιαγραφές και τα πρότυπα ESS. Το πιο αξιοσημείωτο είναι η ανάπτυξη του NEC No. 706 και η ανάπτυξη του NFPA 855, ενός προτύπου για εγκαταστάσεις σταθερών συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας, το οποίο επηρεάζει άμεσα το πρότυπο για σταθερά συστήματα μπαταριών στο ICC IFC και στο NFPA 1. Σήμερα, το NEC και το NFPA 855 έχουν επίσης ενημερώθηκε για τις εκδόσεις του 2023.

Τρέχουσα κατάσταση των προτύπων ESS και UPS

Ο στόχος όλων των δραστηριοτήτων ανάπτυξης κανόνων και προτύπων είναι η κατάλληλη αντιμετώπιση της ασφάλειας αυτών των συστημάτων. Δυστυχώς, τα τρέχοντα πρότυπα έχουν δημιουργήσει κάποια σύγχυση στον κλάδο.

1.NFPA 855. Το βασικό έγγραφο που επηρεάζει την εγκατάσταση του BESS και του UPS είναι η έκδοση 2020 του NFPA 855, Πρότυπο για την Εγκατάσταση Σταθερών Συστημάτων Αποθήκευσης Ενέργειας. Το NFPA 855 ορίζει την αποθήκευση ενέργειας ως «ένα συγκρότημα μιας ή περισσότερων συσκευών ικανών να αποθηκεύουν ενέργεια για μελλοντική παροχή σε τοπικά ηλεκτρικά φορτία, δίκτυα κοινής ωφέλειας ή υποστήριξη δικτύου». Αυτός ο ορισμός περιλαμβάνει εφαρμογές για UPS και ESS. Επιπλέον, το NFPA 855 και οι κωδικοί πυρκαγιάς απαιτούν τα ESS να αξιολογούνται και να πιστοποιούνται σύμφωνα με το UL 9540. Ωστόσο, το UL 1778 ήταν πάντα το παραδοσιακό πρότυπο ασφάλειας προϊόντων για το UPS. Το σύστημα έχει αξιολογηθεί ανεξάρτητα ως προς τη συμμόρφωση με τις ισχύουσες απαιτήσεις ασφαλείας και υποστηρίζει την ασφαλή εγκατάσταση. Επομένως, η απαίτηση του UL 9540 έχει προκαλέσει κάποια σύγχυση στον κλάδο.

2. UL 9540A. Το UL 9540A απαιτεί εκκίνηση από το επίπεδο μπαταρίας και δοκιμή βήμα προς βήμα μέχρι να περάσει το επίπεδο εγκατάστασης. Αυτές οι απαιτήσεις έχουν ως αποτέλεσμα τα συστήματα UPS να υπόκεινται σε πρότυπα μάρκετινγκ που δεν απαιτούνταν στο παρελθόν.

3.UL 1973. Το UL 1973 είναι το πρότυπο ασφάλειας του συστήματος μπαταρίας για ESS και UPS. Ωστόσο, η έκδοση UL 1973-2018 δεν περιλαμβάνει διατάξεις δοκιμών για μπαταρίες μολύβδου-οξέος, κάτι που αποτελεί επίσης πρόκληση για τα συστήματα UPS που χρησιμοποιούν παραδοσιακή τεχνολογία μπαταριών, όπως οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος.

Περίληψη

Επί του παρόντος, τόσο το NEC (Εθνικός Ηλεκτρικός Κώδικας) όσο και το NFPA 855 διευκρινίζουν αυτούς τους ορισμούς.

• Για παράδειγμα, η έκδοση 2023 του NFPA 855 διευκρινίζει ότι συγκεκριμένες μπαταρίες μολύβδου-οξέος και νικελίου-καδμίου (600 V ή λιγότερο) αναφέρονται στο UL 1973.
• Επιπλέον, τα συστήματα μπαταριών μολύβδου-οξέος που έχουν πιστοποιηθεί και φέρει σήμανση σύμφωνα με το UL 1778 δεν χρειάζεται να είναι πιστοποιημένα σύμφωνα με το UL 9540 όταν χρησιμοποιούνται ως εφεδρικό τροφοδοτικό.

Προκειμένου να λυθεί το πρόβλημα της έλλειψης προτύπων δοκιμών για μπαταρίες μολύβδου-οξέος και νικελίου-καδμίου στο UL 1973, το Παράρτημα Η (Αξιολόγηση εναλλακτικών μπαταριών μολύβδου-οξέος ή νικελίου-καδμίου με ρύθμιση βαλβίδας ή αερισμού) προστέθηκε ειδικά στο τρίτη έκδοση του UL 1973 που κυκλοφόρησε τον Φεβρουάριο του 2022.

Αυτές οι αλλαγές αντιπροσωπεύουν μια θετική εξέλιξη προκειμένου να διαφοροποιηθούν οι απαιτήσεις ασφαλούς εγκατάστασης του UPS και του ESS. Περαιτέρω εργασίες περιλαμβάνουν την ενημέρωση του άρθρου 480 του NEC για την καλύτερη αντιμετώπιση των απαιτήσεων εγκατάστασης για τεχνολογίες άλλες από το μόλυβδο-οξύ και το νικέλιο-κάδμιο. Επιπλέον, το πρότυπο NFPA 855 πρέπει να ενημερωθεί περαιτέρω για να παρέχει μεγαλύτερη σαφήνεια στους κανονισμούς πυροπροστασίας, ιδιαίτερα όσον αφορά τις διάφορες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σε σταθερές εφαρμογές, είτε είναι UPS είτε ESS.

Ο συγγραφέας ελπίζει ότι οι συνεχείς αλλαγές θα βελτιώσουν την ασφάλεια του κλάδου, ανεξάρτητα από το αν χρησιμοποιείται παραδοσιακό UPS ή ESS. Καθώς βλέπουμε ότι οι λύσεις αποθήκευσης ενέργειας πολλαπλασιάζονται με σημαντικούς και γρήγορους τρόπους, η αντιμετώπιση της εγγενούς ασφάλειας των προϊόντων είναι κρίσιμη για την απελευθέρωση της καινοτομίας στην ασφάλεια και την κάλυψη των αναγκών της κοινωνίας.