Schwache Netze und häufige Ausfälle: Festlegung der Entladungstiefe für afrikanische Basisstationen

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22. August 2017

Wenn die Netzverfügbarkeit von 99 % auf 60 % sinkt, hört eine Batterie auf, sich im Erhaltungszustand zu befinden, und beginnt mit dem täglichen Zyklus. In Nigeria, Südafrika, Ghana und Tansania fallen in den UPS-Annahmen angegebene Batterien innerhalb von achtzehn Monaten aus – das Problem ist die Zollannahme, nicht das Produkt. Dieser Artikel quantifiziert die Entladungstiefe im Verhältnis zur Zyklenlebensdauer und gibt eine Kapazitätsfaktortabelle nach Netzverfügbarkeit.

Eine Batterie, zwei völlig unterschiedliche Aufgaben

Gewerbegebiete in Lagos, Provinzen in ganz Südafrika während des Lastabwurfs, Ghana während seiner „Dumsor“-Lastmanagementphase, die Stadtrandgebiete von Tansania und Uganda sowie Städte im Westen Kenias sind alle mit der gleichen Netzrealität konfrontiert: Der Strom fällt nicht gelegentlich aus, sondern mehrmals am Tag für mehrere Stunden am Stück. Das scheint eine Frage der Frequenz zu sein, ersetzt aber den gesamten Betriebsmodus der Batterie. Bei einer Verfügbarkeit von 99 % entlädt sich eine Batterie weniger als zehn Mal pro Jahr und bleibt im Erhaltungszustand; Die Lebensdauer wird durch Gitterkorrosion bestimmt und eine zwölfjährige Lebensdauer beträgt in Wirklichkeit zwölf Jahre. Bei einer Verfügbarkeit von 60 % durchläuft die Batterie jeden Tag ein oder zwei vollständige Zyklen – über 500 pro Jahr – und die Lebensdauer wird durch die Anzahl der Zyklen bestimmt. Die Lebensdauer desselben Produkts kann sich zwischen den beiden Belastungen um mehr als das Fünffache unterscheiden. In den Beschaffungsspezifikationen wird jedoch in der Regel nur „vier Stunden Backup“ angegeben, ohne dass die Zyklen erwähnt werden, und diese Auslassung ist genau der Grund, warum Batterien nach achtzehn Monaten leer sind.

Die quantitative Beziehung zwischen DOD und Leben

Der Einfluss der Entladungstiefe auf die Lebensdauer ist stark nichtlinear und es geht nicht einfach darum, weniger zu verbrauchen, um länger zu halten. Bei herkömmlicher AGM kann ein DOD von 30 % etwa 1.200 Zyklen ergeben, 50 % etwa 600, 80 % nur etwa 300 und 100 % weniger als 200. Mit anderen Worten: Eine Erhöhung des DOD von 50 % auf 80 % erhöht die Energie pro Entladung um 60 %, halbiert aber die Anzahl der Zyklen, sodass der Gesamtdurchsatz über die gesamte Lebensdauer – Zyklen mal Energie pro Zyklus – tatsächlich sinkt. Diese Kurve erklärt, warum es eine Illusion ist, es intensiver zu nutzen: Es werden nur früher Ersatzprodukte gekauft. Der richtige Ansatz besteht darin, den DOD zu finden, der den lebenslangen Durchsatz maximiert, normalerweise zwischen 50 % und 70 %, vorbehaltlich einer wichtigen Einschränkung: der Wiederaufladezeit nach einer Tiefentladung. Wenn das Stromnetz nur wenige Stunden am Tag vorhanden ist, dauert es mehr als zehn Stunden, bis eine 80-prozentige Entladung vollständig aufgeladen ist. Am nächsten Tag kann es sein, dass sie nicht vollständig aufgeladen ist, und die Batterie bleibt chronisch unterladen, da die Sulfatierung zunimmt – was der wahre Killer ist.

Warum „Four Hours of Backup“ in Afrika scheitert

Bei vier Stunden Backup handelt es sich um eine Kapazitätsangabe, nicht um eine Lebensdauerangabe, und sie versagt im schwachen Netzbetrieb auf drei Wegen. Erstens wird die Anzahl der Zyklen völlig ignoriert: Vier Stunden Backup bedeuten ungefähr 50 % bis 60 % DOD, sodass bei einem Zyklus pro Tag und 365 pro Jahr eine herkömmliche Hauptversammlung mit 600 Zyklen in etwa zwanzig Monaten erschöpft ist – fast genau den achtzehn Monaten, die man in der Praxis beobachtet. Zweitens reicht das Ladefenster nicht aus: Ein String, der für vier Stunden Last ausgelegt ist, lädt sich typischerweise mit nur 0,1 °C auf, so dass der Übergang von 50 % auf 100 % mehr als zehn Stunden dauert, während das Netz nur vier bis sechs Stunden am Tag verfügbar ist; Der Akku erreicht nie die volle Ladung und lebt dauerhaft im PSoC. Drittens kommt es durch die Hitze noch schlimmer: An vielen Standorten in Afrika herrscht eine Temperatur von 35 bis 45 °C, und bei diesen Temperaturen wird die Lebensdauer noch einmal reduziert. Kombiniert man die drei, erhält man achtzehn Monate. Eine Spezifikation muss daher drei Dinge zusammen angeben: Zielanzahl der Zyklen, verfügbares Ladefenster und Umgebungstemperatur am Standort.

Kapazitätsfaktoren nach Netzverfügbarkeit

Hier ist eine Tabelle, die Sie direkt verwenden können. Das Prinzip besteht darin, dass die Kapazität auf das tägliche Energiedefizit und nicht auf die Backup-Stunden abgestimmt ist. Bei einer Verfügbarkeit von über 95 % ist der Betrieb Float-Standby: Größe auf die Last mit den längsten Einzelausfallzeiten einstellen, DOD innerhalb von 50 % halten und die Standard-Frontterminal-Serie ist ausreichend. Zwischen 80 % und 95 %, mit etwa einem zwei- bis vierstündigen Ausfall pro Tag, wenden zusätzlich zu den Backup-Stunden einen Zyklenfaktor von 1,2 an und bevorzugen eine Deep-Cycle-Serie (FTC, 100–170 Ah, Nennleistung 1.500 Zyklen oder mehr). Zwischen 50 % und 80 % ist die Batterie die treibende Kraft im Alltag: Wenden Sie einen Faktor von 1,5 bis 1,8 an und wechseln Sie zu Blei-Kohlenstoff (LLC, 300–1.000 Ah, vier- bis fünffache Zyklenlebensdauer in PSoC) oder LiFePO4 (SDA10, kontinuierliche 1C-Entladung). Unter 50 % ist der Standort praktisch netzunabhängig: Er ist für einen vollen Zyklus pro Tag ausgelegt und verfügt über drei Tage Autonomie bei bewölktem Wetter. Das bedeutet, dass man direkt auf ein Solar-Hybrid-Design umsteigen muss – das Hinzufügen einer Batterie allein ist nicht wirtschaftlich.

Ein Auswahlentscheidungsbaum

Fassen Sie die Analyse in vier Schritte zusammen, denen ein Bauingenieur folgen kann. Schritt eins, Netzverfügbarkeit: Bei über 95 % können Sie die standardmäßige 12-V-Frontanschlussserie (6-FMX, 50–200 Ah, zwölf Jahre Lebensdauer) zu den niedrigsten Kosten verwenden; 80 % bis 95 %, nehmen Sie Deep-Cycle (FTC) oder Gel (6-XFMJ, 15 Jahre Lebensdauer, hitzebeständig mit geringem Wasserverlust); 50 % bis 80 %, nehmen Sie Blei-Kohlenstoff (LLC, 20 Jahre Lebensdauer, 30 % bessere Ladeakzeptanz, sodass das begrenzte Ladefenster tatsächlich genutzt wird); Wenn der Wert unter 50 % liegt, wechseln Sie zu einem Solar-Hybrid und dimensionieren Sie die Batterie für das tägliche Radfahren. Schritt zwei, Ladefenster: Wenn die Netzpräsenz weniger als sechs Stunden pro Tag beträgt, dominiert die Ladeakzeptanz und Blei-Kohlenstoff oder Lithium schlagen herkömmliche AGM. Schritt drei, Umgebungstemperatur: Dauerhaft über 45 °C, Blei-Kohlenstoff oder eine Hochtemperaturserie bevorzugen; Wo die Temperatur kontrolliert wird, kann der Volumenvorteil von Lithium genutzt werden. Schritt vier, verbleibende Laufzeit: Ein Standort mit einer verbleibenden Mietdauer von weniger als fünf Jahren benötigt keine zwanzigjährige Technologie – wählen Sie für die verbleibende Laufzeit die günstigste konforme Option. Nach vier Schritten gibt es wenig Raum für Diskussionen.

Fünf obligatorische Elemente in der Spezifikation

Im Schwachnetzbetrieb muss in der Spezifikation die Leistung angegeben werden, nicht nur die Kapazität. Fünf Elemente sind obligatorisch, und wenn Sie eines weglassen, kehren Sie zum achtzehnmonatigen Fehlerzyklus zurück. Erstens die Netzverfügbarkeit in Prozent, wobei der Berichtszeitraum angegeben wird – monatlich oder jährlich, da die beiden sehr unterschiedliche Zahlen liefern – und allein dieser Punkt entscheidet darüber, ob die Batterie leer läuft oder zyklisch läuft. Zweitens: die längste Einzelausfalldauer und die durchschnittlichen Ausfälle pro Tag, separat angegeben: Der erste bestimmt die Kapazität, der zweite bestimmt die Zykluslebensdauer und die meisten Spezifikationen erfassen nur den ersten. Drittens das verfügbare Ladefenster pro Tag, das die Ladeannahmeanforderung festlegt; Unter sechs Stunden ist die Schnellladetechnik Pflicht, sonst erreicht der Akku nie die volle Ladung. Viertens der Temperaturbereich am Standort, angegeben als Schrankinnenraum und nicht als Außentemperatur, mit der Sommerspitze, da die Temperatur im Schrankinnenraum normalerweise mehr als 10 °C über der Umgebungstemperatur liegt. Fünftens: angestrebte Nutzungsdauer und verbleibende Pachtdauer des Standorts, sodass ein Standort mit einer verbleibenden Pachtdauer von drei Jahren nicht mit einer Batterie für zwanzig Jahre ausgestattet wird – das ist keine Vorsicht, es ist Verschwendung. Mit diesen fünf Angaben können sich Bieter nicht länger hinter einem einzigen Satz über vier Stunden Backup verstecken, und die Bewertung hat eine vergleichbare Grundlage. Viele Projekte scheitern nicht, weil das falsche Produkt gewählt wurde, sondern weil der Zoll nie festgelegt wurde, sodass die Lieferanten ihre Angebote mit der günstigsten Annahme erstellten, während die Betreiber den Standort unter der ungünstigsten Realität betrieben. View Telecom Backup Power Selection