Zwakke netwerken en frequente storingen: instelling van de ontladingsdiepte voor Afrikaanse basisstations

Artikel

22 augustus 2017

Wanneer de beschikbaarheid van het elektriciteitsnet daalt van 99% naar 60%, stopt een batterij in float-stand-by en begint deze dagelijks te fietsen. Batterijen die zijn gespecificeerd op basis van de aannames van UPS gaan binnen achttien maanden kapot in Nigeria, Zuid-Afrika, Ghana en Tanzania. Het probleem is de plichtaanname, niet het product. Dit artikel kwantificeert de diepte van de ontlading ten opzichte van de cycluslevensduur en geeft een capaciteitsfactortabel op basis van de beschikbaarheid van het net.

Eén batterij, twee totaal verschillende taken

Commerciële districten van Lagos, provincies in Zuid-Afrika tijdens de belastingafschakeling, Ghana tijdens zijn 'dumsor'-belastingbeheerperiode, de stedelijke randgebieden van Tanzania en Oeganda, en steden in het westen van Kenia worden allemaal geconfronteerd met dezelfde netwerkrealiteit: de stroom valt niet af en toe uit, maar meerdere keren per dag, gedurende meerdere uren achter elkaar. Dat lijkt een kwestie van frequentie, maar vervangt de volledige bedrijfsmodus van de batterij. Bij een beschikbaarheid van 99% ontlaadt een accu minder dan tien keer per jaar en blijft drijven; de levensduur wordt bepaald door roostercorrosie en een ontwerplevensduur van twaalf jaar is in werkelijkheid twaalf jaar. Bij een beschikbaarheid van 60% voltooit de batterij elke dag één of twee volledige cycli (meer dan 500 per jaar) en wordt de levensduur bepaald door het aantal cycli. Hetzelfde product kan tussen de twee taken meer dan vijf keer in levensduur verschillen. Toch vermelden de aanbestedingsspecificaties meestal slechts 'vier uur back-up' zonder melding te maken van cycli, en die weglating is precies de reden waarom batterijen na achttien maanden leeglopen.

De kwantitatieve relatie tussen DOD en leven

Het effect van de ontladingsdiepte op de levensduur van de cyclus is sterk niet-lineair en niet simpelweg een kwestie van minder gebruiken om langer mee te gaan. Voor conventionele AGM kan een DOD van 30% ongeveer 1.200 cycli opleveren, 50% ongeveer 600, 80% slechts ongeveer 300 en 100% minder dan 200. Met andere woorden: het verhogen van de DOD van 50% naar 80% verhoogt de energie per ontlading met 60%, maar halveert het aantal cycli, zodat de totale levenscyclus (cycli maal energie per cyclus) feitelijk daalt. Die curve verklaart waarom 'dieper gebruik ervan' een illusie is: er worden alleen sneller vervangingen gekocht. De juiste aanpak is het vinden van de DOD die de levenslange doorvoer maximaliseert, meestal tussen 50% en 70%, met inachtneming van een belangrijke beperking: oplaadtijd na diepe ontlading. Waar het elektriciteitsnet slechts een paar uur per dag aanwezig is, heeft een ontlading van 80% meer dan tien uur nodig om volledig op te laden, de volgende dag is het mogelijk dat deze niet wordt voltooid en blijft de batterij chronisch onderbeladen door de toenemende sulfatering – wat de echte moordenaar is.

Waarom 'Vier uur back-up' mislukt in Afrika

Vier uur back-up is een capaciteitscijfer, geen levenscijfer, en het faalt in een zwak netwerk langs drie wegen. Ten eerste wordt het aantal cycli volledig genegeerd: vier uur back-up impliceert ruwweg 50% tot 60% DOD, dus bij één cyclus per dag en 365 per jaar is een conventionele AGM met een rating van 600 cycli in ongeveer twintig maanden uitgeput – bijna precies de achttien maanden die in het veld worden gezien. Ten tweede is de oplaadperiode onvoldoende: een string die geschikt is voor een belasting van vier uur laadt doorgaans op bij slechts 0,1 graden Celsius, dus het duurt meer dan tien uur om van 50% naar 100% te gaan, terwijl het elektriciteitsnet slechts vier tot zes uur per dag aanwezig is; de batterij bereikt nooit de volledige lading en leeft permanent in PSoC. In de derde plaats wordt de temperatuur nog verder verergerd: veel Afrikaanse vestigingen draaien op 35 tot 45 °C, en bij die temperaturen wordt de levensduur van de cyclus opnieuw verdisconteerd. Stapel de drie en je krijgt achttien maanden. Een specificatie moet daarom drie dingen samen vermelden: het beoogde aantal cycli, het beschikbare oplaadvenster en de omgevingstemperatuur op de locatie.

Capaciteitsfactoren op basis van netbeschikbaarheid

Hier is een tabel die u direct kunt gebruiken. Het principe is dat de capaciteit wordt afgestemd op het dagelijkse energietekort, niet op de back-upuren. Boven de 95% beschikbaarheid is de plicht float-stand-by: grootte tot de langste enkele uitvaltijden laden, DOD binnen 50% houden en de standaard front-terminal-serie is voldoende. Tussen 80% en 95%, met ongeveer één uitval van twee tot vier uur per dag, past een cyclusfactor van 1,2 toe bovenop de back-upuren en geeft de voorkeur aan een deep-cycle-serie (FTC, 100-170 Ah, nominaal 1.500 cycli of meer). Tussen 50% en 80% is de accu de dagelijkse drijvende kracht: pas een factor 1,5 tot 1,8 toe en ga over op lood-koolstof (LLC, 300–1.000 Ah, vier tot vijf keer de levensduur in PSoC) of LiFePO4 (SDA10, continue 1C-ontlading). Onder de 50% is de locatie in feite off-grid: capaciteit voor één volledige cyclus per dag plus drie dagen autonomie bij bewolkt weer, wat betekent dat er direct moet worden overgegaan op een hybride ontwerp op zonne-energie. Het toevoegen van batterijen alleen is niet economisch.

Een selectiebeslissingsboom

Verkort de analyse in vier stappen die een werfingenieur kan volgen. Stap één: beschikbaarheid van het elektriciteitsnet: boven de 95%, neem de standaard 12V-frontterminalserie (6-FMX, 50–200Ah, ontwerplevensduur van twaalf jaar) tegen de laagste kosten; 80% tot 95%, neem deep-cycle (FTC) of gel (6-XFMJ, ontwerplevensduur van vijftien jaar, hittetolerant met laag waterverlies); 50% tot 80%, neem lood-koolstof (LLC, ontwerplevensduur van twintig jaar, 30% betere laadacceptatie, zodat de beperkte oplaadperiode daadwerkelijk wordt benut); onder de 50%, ga dan over op hybride zonne-energie en zorg ervoor dat de batterij geschikt is voor dagelijks gebruik. Stap twee, de laadperiode: waar de aanwezigheid op het elektriciteitsnet minder dan zes uur per dag bedraagt, domineert de laadacceptatie en verslaan lood-koolstof of lithium conventionele AGM. Stap drie, omgevingstemperatuur: blijf boven de 45°C, geef de voorkeur aan lood-koolstof of een serie op hoge temperatuur; waar de temperatuur wordt geregeld, kan het volumevoordeel van lithium worden gebruikt. Stap vier, resterende levensduur: een locatie met nog geen vijf jaar huurcontract heeft geen twintigjarige technologie nodig – kies voor de resterende looptijd de goedkoopste conforme optie. Na vier stappen is er weinig ruimte voor discussie.

Vijf verplichte items in de specificatie

Bij een zwak elektriciteitsnet moet de specificatie het recht vermelden, en niet alleen de capaciteit. Vijf items zijn verplicht, en als je er één weglaat, kom je terecht in de mislukkingscyclus van achttien maanden. Ten eerste de beschikbaarheid van het elektriciteitsnet als percentage, waarbij de rapportageperiode wordt vermeld (maandelijks of jaarlijks, omdat deze twee zeer verschillende cijfers opleveren) en dit item alleen al bepaalt of de batterij blijft drijven of cyclisch is. Ten tweede de langste uitvalduur en de gemiddelde uitvalduur per dag, afzonderlijk vermeld: de eerste bepaalt de capaciteit, de tweede bepaalt de levensduur, en de meeste specificaties omvatten alleen de eerste. Ten derde, het beschikbare oplaadvenster per dag, waarin de acceptatievereiste voor het opladen wordt bepaald; binnen zes uur is snellaadtechnologie verplicht, anders wordt de batterij nooit volledig opgeladen. Ten vierde, temperatuurbereik op locatie, aangegeven als kastinterieur in plaats van buiten, met de zomerpiek, omdat kastinterieurs doorgaans meer dan 10°C boven de omgevingstemperatuur liggen. Ten vijfde: streef naar de levensduur en het resterende huurcontract van de locatie, zodat een locatie met nog drie jaar huur niet is voorzien van een batterij voor twintig jaar. Dat is geen voorzichtigheid, maar verspilling. Als deze vijf zijn vermeld, kunnen bieders zich niet langer verschuilen achter een enkele zin van ongeveer vier uur back-up, en heeft de evaluatie een vergelijkbare basis. Veel projecten mislukken niet omdat het verkeerde product is gekozen, maar omdat de accijns nooit is gespecificeerd, zodat leveranciers offertes hebben uitgebracht op basis van de meest gunstige veronderstelling, terwijl exploitanten de locatie onder de minst gunstige realiteit runnen. View Telecom Backup Power Selection