Technologieën voor ononderbroken stroomvoorziening (UPS) worden al vele jaren in verschillende toepassingen gebruikt om de voortdurende werking van belangrijke belastingen te ondersteunen tijdens stroomonderbrekingen van het elektriciteitsnet. Deze systemen zijn op veel verschillende locaties gebruikt om extra immuniteit te bieden tegen netonderbrekingen die de werking van gedefinieerde belastingen verstoren. UPS-systemen worden vaak gebruikt om computers, computerfaciliteiten en telecommunicatieapparatuur te beschermen. Met de recente evolutie van nieuwe energietechnologieën hebben energieopslagsystemen (ESS) zich snel verspreid. ESS, met name die welke batterijtechnologieën gebruiken, worden doorgaans geleverd door hernieuwbare bronnen zoals zonne- of windenergie en maken de opslag mogelijk van door deze bronnen geproduceerde energie voor gebruik op verschillende tijdstippen.

De huidige Amerikaanse ANSI-norm voor UPS is UL 1778, de norm voor Uninterruptible Power Systems. en CSA-C22.2 nr. 107.3 voor Canada. UL 9540, de norm voor energieopslagsystemen en -apparatuur, is de Amerikaanse en Canadese nationale norm voor ESS. Hoewel zowel de volwassen UPS-producten als de snel evoluerende ESS die geproduceerd worden enige overeenkomst vertonen wat betreft technische oplossingen, werking en installatie, zijn er belangrijke verschillen. In dit artikel worden de kritische differentiaties beoordeeld, worden de toepasselijke productveiligheidseisen beschreven die daarmee samenhangen en wordt samengevat hoe codes zich ontwikkelen bij het aanpakken van beide soorten installaties.

Even voorstellenUPS

Vorming

Een UPS-systeem is een elektrisch systeem dat is ontworpen om onmiddellijke tijdelijke op wisselstroom gebaseerde stroom te leveren voor kritieke belastingen in het geval van een storing in het elektriciteitsnet of andere uitval van de netvoeding. De UPS is zo gedimensioneerd dat hij een onmiddellijke voortzetting van een vooraf bepaalde hoeveelheid stroom gedurende een bepaalde tijdsduur kan leveren. Hierdoor kan een secundaire stroombron, bijvoorbeeld een generator, online komen en doorgaan met stroomback-up. De UPS kan niet-essentiële belastingen veilig uitschakelen, terwijl hij stroom blijft leveren aan belangrijkere apparatuurbelastingen. UPS-systemen bieden deze cruciale ondersteuning voor verschillende toepassingen al vele jaren. Een UPS maakt gebruik van opgeslagen energie uit een geïntegreerde energiebron. Dit is doorgaans een batterijbank, een supercondensator of de mechanische beweging van een vliegwiel als energiebron.

Een typische UPS die een batterijbank gebruikt voor zijn voeding bestaat uit de volgende hoofdcomponenten:

Gelijkrichter/oplader – Deze UPS-sectie neemt de wisselstroomvoeding, corrigeert deze en produceert een gelijkspanning die wordt gebruikt om de batterijen op te laden.

• Omvormer – In geval van een stroomstoring zal de omvormer de in de batterijen opgeslagen gelijkstroom omzetten in schone wisselstroom die geschikt is voor de ondersteunde apparatuur.

• Omschakelaar – Een automatisch en onmiddellijk schakelapparaat dat stroom van verschillende bronnen, bijvoorbeeld het elektriciteitsnet, een UPS-omvormer en een generator, overbrengt naar een kritische belasting.

• Batterijbank – Slaat de energie op die nodig is om de UPS de beoogde functie te laten vervullen.

Huidige normen voor UPS-systemen

• De huidige Amerikaanse ANSI-norm voor UPS is UL 1778/C22.2 nr. 107.3, de norm voor Uninterruptible Power Systems, die een UPS definieert als “een combinatie van omvormers, schakelaars en energieopslagapparaten (zoals batterijen) die een stroombron vormen”. systeem voor het handhaven van de continuïteit van de stroom naar een belasting in geval van een stroomstoring.”

• In ontwikkeling zijn nieuwe edities van IEC 62040-1 en IEC 62477-1. UL/CSA 62040-1 (waarbij UL/CSA 62477-1 als referentiestandaard wordt gebruikt) zal met deze normen worden geharmoniseerd.

Even voorstellen energie opslag systemen (ESS)

ESS’s winnen aan terrein als antwoord op een aantal uitdagingen op het gebied van beschikbaarheid en beschikbaarheid

betrouwbaarheid in de huidige energiemarkt. ESS, met name die welke gebruik maken van batterijtechnologieën, helpt de variabele beschikbaarheid van hernieuwbare bronnen zoals zonne- of windenergie te verzachten. ESS is een bron van betrouwbare stroom tijdens piekuren en kan helpen bij belastingbeheer, stroomschommelingen en andere netgerelateerde functies. ESS wordt gebruikt voor utiliteits-, commerciële, industriële en residentiële toepassingen.

Huidige normen voor ESS

UL 9540, de norm voor energieopslagsystemen en -apparatuur, is de Amerikaanse en Canadese nationale norm voor ESS.

• UL 9540 werd voor het eerst gepubliceerd in 2016 en omvat meerdere technologieën voor ESS, waaronder batterij-energieopslagsystemen (BESS). UL 9540 heeft ook betrekking op andere opslagtechnologieën: mechanische ESS, bijvoorbeeld vliegwielopslag gecombineerd met een generator, chemische ESS, bijvoorbeeld waterstofopslag gecombineerd met een brandstofcelsysteem, en thermische ESS, bijvoorbeeld latente warmteopslag gecombineerd met een generator.
• UL 9540, de tweede editie, definieert een energieopslagsysteem als "Apparatuur die energie ontvangt en vervolgens een middel biedt om die energie in een of andere vorm op te slaan voor later gebruik om elektrische energie te leveren wanneer dat nodig is." De tweede editie van UL 9540 vereist verder dat een BESS wordt onderworpen aan UL 9540A, de standaardtestmethode voor het evalueren van de voortplanting van thermische op hol geslagen brand in batterij-energieopslagsystemen, indien nodig om aan uitzonderingen in de codes te voldoen.
• UL 9540 is momenteel in zijn derde editie.

Vergelijk ESS met UPS

Functies en afmetingen

Een ESS is qua constructie vergelijkbaar met een UPS, maar verschilt qua gebruik. Net als UPS omvat ESS een mechanisme voor energieopslag, zoals batterijen, apparatuur voor stroomconversie, bijvoorbeeld omvormers, en diverse andere elektronica en bedieningselementen. In tegenstelling tot de UPS kan een ESS echter parallel aan het elektriciteitsnet werken, wat resulteert in een grotere cycli van het systeem dan een UPS ooit zou ervaren. Een ESS kan interactief samenwerken met het elektriciteitsnet of in een zelfstandige modus, of beide, afhankelijk van het gebruikte type stroomconversiesysteem. Een ESS kan zelfs als UPS-functionaliteit werken. Net als UPS kan ESS in verschillende maten verkrijgbaar zijn, van een klein woonsysteem dat minder dan 20 kWh aan energie verbruikt, tot nutstoepassingen die gebruik maken van energiecontainersystemen van meerdere megawatt met meerdere batterijrekken in de container.

Chemische samenstelling en veiligheid

De typische batterijchemie die in UPS wordt gebruikt, zijn altijd loodzuur- of nikkel-cadmiumbatterijen geweest. In tegenstelling tot UPS gebruikt BESS vanaf het begin technologieën zoals lithium-ionbatterijen, omdat lithium-ionbatterijen betere cyclusprestaties en een hogere energiedichtheid hebben, wat meer energie kan leveren met een kleinere fysieke voetafdruk. Lithium-ionbatterijen hebben ook veel lagere onderhoudsvereisten dan traditionele batterijtechnologieën. Maar momenteel worden lithium-ionbatterijen ook steeds vaker gebruikt in UPS-toepassingen.

Een ernstig ongeval in Arizona in 2019 waarbij een ESS werd gebruikt die in nutstoepassingen werd gebruikt, resulteerde echter in ernstige verwondingen bij verschillende eerstehulpverleners en trok de aandacht van verschillende belanghebbenden, waaronder toezichthouders en verzekeringsmaatschappijen. Om ervoor te zorgen dat dit groeiende vakgebied niet wordt gehinderd door vermijdbare veiligheidsincidenten, moeten er passende specificaties en normen voor ESS worden ontwikkeld. Om de ontwikkeling van passende veiligheidsspecificaties en -normen voor ESS aan te moedigen, lanceerde het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) in 2015 het eerste jaarlijkse forum over ESS-veiligheid en betrouwbaarheid.

Het eerste DOE ESS-forum heeft bijgedragen aan een grote hoeveelheid werk aan ESS-specificaties en -normen. Het meest opmerkelijke is de ontwikkeling van NEC nr. 706 en de ontwikkeling van NFPA 855, een norm voor stationaire installaties voor energieopslagsystemen, die rechtstreeks van invloed is op de norm voor stationaire batterijsystemen in ICC IFC en NFPA 1. Tegenwoordig hebben NEC en NFPA 855 ook bijgewerkt voor 2023-versies.

Huidige status van ESS- en UPS-standaarden

Het doel van alle ontwikkelingsactiviteiten op het gebied van regels en standaarden is om de beveiliging van deze systemen adequaat aan te pakken. Helaas hebben de huidige normen voor enige verwarring in de branche gezorgd.

1.NFPA 855. Het belangrijkste document dat van invloed is op de installatie van BESS en UPS is de 2020-versie van NFPA 855, Standaard voor de installatie van stationaire energieopslagsystemen. NFPA 855 definieert energieopslag als “een samenstel van een of meer apparaten die in staat zijn energie op te slaan voor toekomstige levering aan lokale elektrische verbruikers, elektriciteitsnetwerken of netwerkondersteuning.” Deze definitie omvat toepassingen voor UPS en ESS. Bovendien vereisen NFPA 855 en brandcodes dat ESS's worden geëvalueerd en gecertificeerd volgens UL 9540. UL 1778 is echter altijd de traditionele productveiligheidsnorm voor UPS geweest. Het systeem is onafhankelijk beoordeeld op naleving van de toepasselijke veiligheidseisen en ondersteunt een veilige installatie. Daarom heeft de eis van UL 9540 voor enige verwarring in de industrie gezorgd.

2. UL 9540A. UL 9540A vereist het starten vanaf het batterijniveau en het stap voor stap testen totdat het installatieniveau wordt bereikt. Deze vereisten hebben tot gevolg dat UPS-systemen onderworpen zijn aan marketingnormen die in het verleden niet vereist waren.

3.UL 1973. UL 1973 is de veiligheidsnorm voor batterijsystemen voor ESS en UPS. De UL 1973-2018-versie bevat echter geen testbepalingen voor loodzuurbatterijen, wat ook een uitdaging is voor UPS-systemen die traditionele batterijtechnologie gebruiken, zoals loodzuurbatterijen.

Samenvatting

Momenteel verduidelijken zowel de NEC (National Electrical Code) als de NFPA 855 deze definities.

• De 2023-versie van NFPA 855 verduidelijkt bijvoorbeeld dat specifieke loodzuur- en nikkel-cadmiumbatterijen (600 V of minder) worden vermeld in UL 1973.
• Bovendien hoeven loodzuuraccusystemen die zijn gecertificeerd en gemarkeerd volgens UL 1778 niet te worden gecertificeerd volgens UL 9540 wanneer ze worden gebruikt als back-upstroomvoorziening.

Om het probleem van het gebrek aan testnormen voor loodzuur- en nikkel-cadmiumbatterijen in UL 1973 op te lossen, werd specifiek bijlage H (Evalueer alternatieven voor klepgeregelde of geventileerde loodzuur- of nikkel-cadmiumbatterijen) toegevoegd aan de derde editie van UL 1973 uitgebracht in februari 2022.

Deze veranderingen vertegenwoordigen een positieve ontwikkeling om de veilige installatievereisten van UPS en ESS te differentiëren. Verder werk omvat het bijwerken van NEC-artikel 480 om beter tegemoet te komen aan de installatievereisten voor andere technologieën dan loodzuur en nikkel-cadmium. Bovendien moet de NFPA 855-standaard verder worden bijgewerkt om meer duidelijkheid te bieden over de brandbeveiligingsvoorschriften, met name met betrekking tot de verschillende technologieën die worden gebruikt in stationaire toepassingen, of het nu gaat om UPS of ESS.

De auteur hoopt dat voortdurende veranderingen de veiligheid van de industrie zullen verbeteren, ongeacht of een traditionele UPS of ESS wordt gebruikt. Omdat we zien dat oplossingen voor energieopslag zich op aanzienlijke en snelle manieren verspreiden, is het aanpakken van de intrinsieke veiligheid van producten van cruciaal belang om veiligheidsinnovatie te ontsluiten en aan de behoeften van de samenleving te voldoen.