opzvバッテリーとは
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OPzVバッテリーとは? OPzV Batteryの意味。

ヨーロッパのDIN規格では、OPzVはOrtsfest(静止)PanZerplatte(筒状のプレート)Verschlossen(閉じた)の略。 これは明らかに、OPzSバッテリーと同様のチューブラープレート2Vバッテリーセル構造であるが、オープンベントプラグではなくバルブレギュレーションベントプラグを採用している。 しかし、鉛蓄電池に真の密閉型はなく、そのため頭文字のVはVerschlossenではなく「Vented」の略とみなされることが多い。 ベントされているということは、約70〜140ミリバールの内部圧力で開く圧力リリーフバルブを備えているということです。

OPzVとAGMバッテリーの比較

実際には、筒状の電池板構造を持つVRLA電池であるが、固定化された電解質を用いて水素と酸素を再結合する。 この場合、ヒュームドシリカを用いて電解質を固定化し、液体電解質を固体ゲルにします。

これは、他の鉛酸VRLAバッテリーシリーズが、非常に細かい繊維のガラスマットで酸のようなあぶらとり紙を吸収し、このように固定化しているのとは対照的です。 このVRLAバッテリーのシリーズは、AGM(Absorbed or Absorptive, Glass Mat)と呼ばれています。 このガラスマットの技術は、マットの面に均一な圧力がかかっていないと、ガスの再結合プロセスが機能しません。

そのため、筒状の正極板構造には不向きで、平板状の正極板構造のバッテリーにのみ使用されます。

OPzV電池の大きな特徴は、筒状のプレート構造と、固定化された(GEL)電解質の2つです。 筒状のポジティブプレートは、図のように平面ではなく丸みを帯びた形状をしているため、PAMに酸をより多く接触させることができます。 このことから、平板に比べて接触面積が約15%増加していることがわかります。

Fig-2-Typical stationary OPzV battery bank in steel rack.jpg
Fig-2-Typical stationary OPzV battery bank in steel rack.jpg
Figure 1 Additional acid area in contact with tubular plate surface.jpg
Figure 1 Additional acid area in contact with tubular plate surface.jpg

OPzV バッテリー寿命

ガントレットが活物質を導体にしっかりと固定することで、バッテリーの抵抗を最小限に抑え、深いサイクル動作時のシェディングによるPAMの損失を防ぐことができます。
OPzV電池の電解液を固定化することで、様々な向きのセルをこぼさずに動作させることができ、また充電時の水の電気分解で発生するガスを再結合させて水の損失を防ぐことができるという2つのメリットがあります。 Fig. 2は典型的な据置型アプリケーションでの設置例です。 セルを横にして収納できるので、省スペースのラックシステムが可能になり、バッテリー端子へのアクセスが容易になり、保守点検がしやすくなります。

再結合の側面は、多くの、特に遠隔地にある据置型の設備にとって重要です。 水の補充が不要なため、バッテリーのメンテナンス間隔を大幅に伸ばすことができます。 また、充電時に発生する爆発性のガスを除去するための高価な換気装置も必要ありません。
浸水式電池のガス発生の問題は、鉛蓄電池の電気化学的性質に由来する。 非常に低いセル電圧でも、水素と酸素の生成が可能です。 Fig. 3は、ガス発生率と鉛蓄電池の電圧の関係を示しています。

Fig 3 Oxygen and hydrogen evolution as a function of cell potentials
Fig 3 Oxygen and hydrogen evolution as a function of cell potentials
Fig 4 Oxygen recombination with hydrogen in a VRLA cell
Fig 4 Oxygen recombination with hydrogen in a VRLA cell

この図では、正極板と負極板の両方が単一の電位として示されており、その差がセル全体の電圧となります。 このように、2.0V/セルでも、フラッディングシステムから発生するガスは測定可能な量であり、2.4VPCの充電では、水の損失とガスの発生は相当なものです。 このような理由から、通常のサイクル業務での水の損失を最小限またはゼロに抑えて安全に設置するためには、セルの組換え設計が最適なのです。

OPzVバッテリーとは?

ゲル電池がどのようにして再結合反応を促進するのかを理解するには、使用時のゲル化した電解質の構造を見る必要があります。 しかし、まずは水の電気分解に伴う水素や酸素の発生(ガス化)を引き起こす反応について知っておく必要があります。

電気分解による水の分解は非常にわかりやすい。

全体 2H2O → 2H2(g) + O2(g)

正 2H2O → O2(g) + 4H+ +4e- (酸化)

負 2H+ +2e- →H2 (還元)

正極、負極ともに、電子を加える(負極)か、電子を取り除く(正極)かの電気化学的作用により、ガスが放出される。 気体やイオンが再結合して水になる方法は完全には解明されておらず、複数の説明がある。 最も広く受け入れられているのは

O2+ 2Pb → 2PbO

2PbO + 2H2SO4→ 2PbSO4+ 2H2O

2PbSO4+ 4H+ +4e- →2Pb + 2H2SO4

このモデルでは、プラスで発生したガス状の酸素を、マイナスのプレートに移動するように説得する必要があります。 これは、液状の電解質を持つ浸水した鉛酸電池では起こらない。

液体電解質の中で酸素と水素が発生すると、気泡が発生して表面に浮上し、次にセルのヘッドスペースに入り、最終的に大気中に放出されます。 このとき、ガスは再結合に利用できません。 しかし、ゲル化した電解質では、GELが乾燥することで構造体に小さな亀裂やヒビが入り、組み換え作用が生じます。 この場合、水の電気分解によって生成された酸素は、ガスの発生によって生じた圧力により、正極から負極へと移動することができます。

小さな亀裂や裂け目にガスが貯まり、それがゲル内を拡散してマトリックス内の他の空隙に移動し、電極間がガスで満たされるようになる(図4)。 しかし、再結合反応は進化速度に比べて相対的に遅いため、充電中はセルの内圧が上昇してしまう。 このガスは、圧力リリーフバルブによって外に出ないようになっており、充電終了後も再結合できるようになっています。
この製品の特徴は2つあり、まず、充電時に発生する水素と酸素を電解液中の水に戻すため、基本的にメンテナンスフリーで、密閉された空間でも安全に使用できます。

2つ目は、チューブ状のポジティブプレートを採用することで、深い放電状態での活物質の保持力を高め、より長いサイクル寿命を実現しています。 OPzVバッテリーシリーズは、基本的に深放電、高サイクル寿命、メンテナンスフリーの鉛酸バッテリーです。 また、電解質を固定化しているため、動作中は横にして保管することができ、通気口から酸が漏れないというメリットもあります。 要するに、この方向性はバッテリーをフロント・ターミナル・デザインにし、他の利点に加えて同様の運用上の利点をもたらします。

OPzVバッテリーのデメリット

しかし、この2つのメリットにはデメリットもあり、AGM平板型に比べてディープサイクルの寿命が長い分、コストがかかります。 高率放電やコールドクランキング性能を犠牲にして、どちらも大幅に低下します。 AGM平板型と比較すると、深いサイクル寿命が短くなる。 ガスの再結合は、ガスの発生速度よりもかなり遅い。 このため、充電には水浸しのセルよりも時間がかかり、通常は15時間ほどかかります。

以上のことから、このOPzV電池の設計は、電池の保守が困難で、頻繁に、あるいは定期的に深放電を行い、カレンダーやサイクルの寿命が長いことが求められる用途に最も適していることが明らかになりました。 比較的低いCCA性能のため、放電プロファイルは通常、数時間にわたって0.2Cアンペア以下の電流を流すことになる。 しかし、OPzVバッテリーとセルは、通常のデューティサイクルにおいて、最大2Cアンペアの断続的で適度に高い放電電流を供給することができると言ってもよいでしょう。

バッテリーの充電には通常12~15時間かかるため、充電時に生成できるガスの量が制限されます。 これは、セルごとに2.23~2.45ボルトの電圧制限を設けて充電することで実現しています。 Fig. 5は、OPzVバッテリーの典型的な充電プロファイルを示しています。 これにより、バッテリーに流れる電流が減り、結果的に充電時間が長くなります。 これは、異なるバッテリー市場とその運用プロファイルを考慮する際にも重要な要素となります。 このような観点から、OPzVバッテリーに最も適した用途は、主に重作業や産業用です。

OPzV vs OPzSバッテリー

OPzVバッテリーは、密閉型でメンテナンスフリーのチューブラーゲルバッテリーの性能を備えています。 SANコンテナに搭載されたOPzSバッテリーは、20年の寿命を持つフロートアプリケーションの中で、最小限のメンテナンスしか必要ありません。

OPzSバッテリーは、SAN(Styrene Acylonitrile)製の透明な容器に収められている。 OPzVのバッテリーは、ABS(アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン)製の容器に収められています。 透明ではありませんが、非常に頑丈で膨らみません。 トランスペアレントなSANコンテナは、ミッションクリティカルなアプリケーションに必要です。 OPzVバッテリーは遠隔地に設置されることが多く、毎年定期的に補充電を行うことが課題となっていました。

Fig 5 Recharging OPzV at 2.4 VPC
Fig 5 Recharging OPzV at 2.4 VPC
Fig 6 Stationary markets overview
Fig 6 Stationary markets overview

OPzVバッテリーの用途

両市場分野の大まかなカテゴリーを見てみると
– 据え置き型
– 太陽光発電:ディーゼルハイブリッド、オフグリッド発電・蓄電、家庭用蓄電
– BESS
待機電力
– UPS

– レール(鉄道車両アプリケーション)
– 非常用照明
ディーゼル機関車のスターター
シグナリング

動力
牽引力
– ウェアハウジングフォークリフト、電動ハンドトラック、AGV
– EV:ゴルフカート、リキシャ

– レジャーですね。
– マリン
– キャラバン
– キャンピング

上記の用途の中で、OPzVバッテリーが最も適しているのは、頻繁に深い放電を行い、完全に充電する時間を必要とする用途です。 定置型バッテリーの用途では、太陽光発電、BESS、待機電力がすべての条件を満たしていることになります。

鉄道用途では、電車の照明・空調用電池や信号用電池がOPzV電池の最適な用途です。 鉄道では、停電時に深い放電サイクルが可能なディープサイクルバッテリーが必要です。 そのためには、平板なバッテリーではなく、筒状のバッテリープレートが最適です。 鉄道の巨大な運行網を考えると、OPzVバッテリーのようなメンテナンスフリーのバッテリーは、鉄道にとってありがたい存在です。

OPzVバッテリーシリーズは、ゴルフカート用バッテリーやフォークリフト用バッテリーなどの牽引用途には適していません。 例えば、フォークリフトのバッテリーに使用されているポリプロピレン製のケースの代わりに、壊れやすいABS製の容器を使用するなど、実用面での配慮が必要です。 柔軟性のないABS製のセルジャーは、フォークリフトの鉄製のバッテリートレイにぎゅうぎゅう詰めにすると簡単に割れてしまいます。 ゲルOPzV電池の設計では、活物質の体積が大きくなるため、フォークリフト用電池の標準的な寸法が大きくなります。

レジャー市場では、特にキャラバンやキャンピングカー向けに、軽量でエネルギー密度の高いモノブロックが選択されることが多い。 マリンバッテリーの用途も同様で、電動ボート以外にも、冷蔵、航海、照明など、ほぼ同様の用途でマリンバッテリーが使用されており、また、キャンプ場のようにバッテリーを保管するスペースが限られています。

OPzV電池の主な用途は定置用電池市場です。 このセクターのすべての分譲地に共通しているのは、バッテリーの位置が固定されていることです。 Fig. 6は、産業用電池市場の内訳を示しています。主な定置用アプリケーションは、通信、UPS、待機電力、バッテリーエネルギー貯蔵システム(BESS)で、150億米ドル規模の世界市場の約90%のシェアを占めています。 牽引、レジャー、鉄道などの用途(信号を除く)とは異なり、定置型バッテリーは一箇所に固定され、一般的に電源システムにハードワイヤリングされています。 しかし、似ているのはそこまでです。

通信業界のUPSやBESSのロードレベリング/周波数制御などのアプリケーションでは、ランダムな間隔で短時間または短時間の高出力放電を必要とし、寿命の多くの時間を充電に費やしますが、太陽光発電や待機電力などのアプリケーションでは、一定の間隔で深く放電します。
このような理由から、OPzVバッテリーは、定期的または不定期に、しかし確実に頻繁に深い放電が行われる定置型市場の分野に最も適しています。 このカテゴリーには、すべての太陽光発電設備を含めることができますが、大規模なディーゼルとソーラーのハイブリッド設備は、OPzVバッテリーの長持ちする頑丈な構造の理想的な候補となります。

OPzVバッテリーのメンテナンスフリーという点は、特に遠隔地ではバッテリーの補充が非常に高くつき、コストがかさむため、プロバイダーにとってのROIが低下するという点で重要です。 同様に、家庭用の場合は、バッテリーの電解液レベルを維持するための専門知識が必要ないという利点があります。 家庭内でのバッテリーの使用においては、過充電や、間違った充電状態(SoC)での充電、さらには放置もよくあることです。

エネルギー貯蔵・BESS用途のOPzV電池

2035年には5,460億ドルに達するとも言われている急成長中のESS市場こそ、OPzSのデザインを活用するチャンスが最も多いと言えるでしょう。 表1には、BESSというカテゴリーの中で、さまざまな種類の電池が紹介されており、図2には、BESSの中でも特に多くの種類が紹介されています。 7は、主な用途別の世界のストレージ容量のチャートです。 その中でも、定期的な深層放電が必要となる用途としては、デマンドレスポンスやエネルギー販売が考えられます。 これらのケースでは、1MWh以上の設備が発電所や変電所の近くに設置され、自動または遠隔で操作されていると考えられます。

表1 公益事業とメーター裏でのBESSの商業利用

バリューストリーム 派遣の理由 価値 誰が?
デマンドチャージ削減 負荷軽減-ピークカット デマンドチャージの削減による請求額の低減 お客様
使用時間/エネルギーのアービトラージ エネルギーコストが高いピーク時のバッテリーディスパッチ 小売電気料金の低下 電力会社またはお客様
キャパシティ/デマンドレスポンス 電力会社やISOからの信号に応じて電力を供給する キャパシティサービスの支払い ユーティリティー、顧客、DRアグレゲーター
周波数調整 レギュレーション信号に合わせて電力を注入・吸収するバッテリー レギュレーションサービスの支払い ユーティリティー、ISO、サードパーティ
エネルギー販売 局地的限界価格(LMP)が高い時間帯のディスパッチ エネルギーのLMP価格 お客様、サードパーティ
レジリエンス 停電時に重要施設に電力を供給するためのバッテリーディスパッチ 休止コストの回避 ユーティリティ、ISO、サードパーティ
キャピタルディファレンシャル 局所的に電圧を支えたり、負荷を減らしたりする コストのかかるインフラのアップグレードを防ぐ ユーティリティ、ISO
Fig 7 Global battery storage capacity by primary case use
Fig 7 Global battery storage capacity by primary case use

インドのOPzVバッテリー

Fig 8 India’s cumulative installed power capacity mix
Fig 8 India’s cumulative installed power capacity mix

また、まだ限られた用途ではありますが、EVの充電ステーションにも使用されています。 BESSを系統供給と並行して設置することには多くのメリットがあります。
これらの理由から、メンテナンスフリーでサイクル寿命の長い深放電タイプのOPzVバッテリーが最適なのです。 これに加えて、鉛酸は1kWhあたりのコストが低いため、このOPzVバッテリーと化学種の設計は、BESSステーションや変電所において、良好なROIと低資本コストを達成するための理想的なオプションとなります。

OPzV太陽電池

再生可能エネルギー
BESS市場の大きな部分を占めるのが、自然エネルギーです。自然界に存在するエネルギー源、主に太陽光や風力は、多くの国の総エネルギー生産量の主要な担い手として急速に進歩している。図8.図8は、インドの再生可能エネルギーによる発電量が総電力量の35%以上を占めていることを示しています。再生可能エネルギーの中でも、最も急速に成長しているのは、おそらく太陽エネルギーでしょう。.

2018年の太陽エネルギー容量は約24%増加し、アジアが64GWの増加(2018年の世界の拡大の約70%)で世界の成長を独占しました。 風力も太陽光も、注文に応じてスイッチを入れたり切ったりすることができないため、蓄電の理想的な候補となります。 国際再生可能エネルギー協会(ARENA)は、2050年にはPVが8519GWに達し、世界第2位の電源になると予測しています Fig. 9. この傾向は、オングリッドとオフグリッドの両方のアプリケーションに当てはまると考えられ、家庭用の設備は産業用やグリッド規模の企業とほぼ同じ割合で成長しています。

ゲル電池はソーラーに向いているのか? ゲル電池の方がいいの?

はい。 ゲル電池はソーラー用途に適しています。 これは以下のような特徴があるからです。

  • 密閉型のメンテナンスフリーバッテリーです。
  • 広い動作温度範囲:-20°C~55°C
  • 酸性成層の影響を受けない
  • グリッドの腐食が少ない
  • AGM VRLAに比べて早期容量損失(PCL)が少ない
Fig 9 IRENA projection to 2050 for PV installed capacity in total Renewable Sources
Fig 9 IRENA projection to 2050 for PV installed capacity in total Renewable Sources
Fig 10 Site power requirements for Telecom installations for 2G 2 – 4G and 5G according to Huawei
Fig 10 Site power requirements for Telecom installations for 2G 2 – 4G and 5G according to Huawei

最も変化に富んでいるのは明らかに風力エネルギーであり、発電時にエネルギーを蓄え、必要な時に放出することができるのは大きな利点です。 蓄電されたエネルギーを利用することで、風が吹いていなくても、太陽が出ていなくても、ピーク時の需要を満たすことができます。 それは、エネルギー生成のための設備投資の大幅な削減を意味します。 ほとんどの国では、1日のうち数時間だけ、バックグラウンドの使用量の3〜5倍程度のピーク電力が発生します。 例えば英国では、朝夕のピーク時の需要は約69GWで約2時間です。

これに対し、残りの20時間は20〜25GWの安定した需要があります。 少ない風力発電機を一日中フル稼働させ、そのエネルギーをバッテリーに蓄えておき、ピーク時に使用するという方法があります。

テレコムのOPzVバッテリーとは?

通信と待機電力。
現在、世界のエネルギー使用量の約1%を通信塔が占めています。 年間16%の割合でオフグリッドタワーが建設されている中、安全で安定した電力を供給しつつ、CO2排出量を削減するという課題があります。 そのため、ディーゼル発電機、バッテリー、ソーラーパネルなどを組み合わせたオフグリッド電源ソリューションが増えています。 また、燃料費の高騰も営業費用の増加につながっています。 これに加えて、政府や環境の規制がますます厳しくなると、世界的に見ても、ディーゼルの使用が制限され、再生可能エネルギー、つまりバッテリーストレージの使用に道が開かれることになります。

典型的な遠隔地の通信タワーは、ディーゼルと太陽光のハイブリッドエネルギーシステムで駆動され、太陽光エネルギーを蓄えるバッテリーを使用することで、ディーゼル燃料の消費を抑えることができます。 ステーションの大きさによっては、100%太陽光発電を使用し、蓄電池を搭載することで夜間の使用も可能です。 しかし、より多くのタワーが建設されているだけでなく、特に5Gネットワークの導入に伴い、ステーションあたりのエネルギー需要も増加しています Fig. 10. メンテナンスフリーのOPzVバッテリーは、1サイクルあたりのコスト面で大きなメリットがあり、また遠隔地の通信設備において最高レベルの信頼性と性能を提供します。 通常、これらのステーションでは、メンテナンスや定期的なチェックを行わずに、頻繁に長時間のバッテリー放電を行う必要があります。

レジャー
残りのレジャーと鉄道のカテゴリーには、ユニークな側面があります。 どちらも、照明などのサポートシステムの電源となるバッテリーを搭載した車両があります。 ほとんどの場合、バッテリーは車を動かすための動力源ではありませんが、それでも定期的に深く放電しています。 船舶用の場合は、船上のナビゲーションシステムや冷蔵庫などに使用され、船のデザインによってはディーゼルエンジンやソーラーパネルから充電されます。

しかし、例えば電動カナルボートの場合は、FLTやEVと同じ使用パターンのトラクションアプリケーションになります。 いずれの場合も、OPzVバッテリーの深い放電と長いサイクル、そしてメンテナンスの必要性がないことが、これらの用途に必要な特性です。

OPzVバッテリーとは? 鉄道用

鉄道に必要なエネルギーは、ほとんどの標準的な項目に分類することができません。 しかし、そのグループの中には、ステーショナリーシグナリングというカテゴリーがあります。 これは、事実上、太陽光発電と同じバッテリー要件を備えています。 列車の照明用バッテリー&空調用バッテリーのカテゴリーは、動いているプラットフォーム上ではあるが、同様の深放電要件を持つが、不規則で予測不可能であるため、待機電力用途と同様の要件を持つ。

このような理由から、深放電タイプのOPzVバッテリーは、高価なメンテナンスを必要とせず、メンテナンス不足による損傷の可能性を回避できるため、列車用照明バッテリーや空調用バッテリーとして最適な選択となります。 もう一つの鉄道カテゴリーであるディーゼルエンジンの始動は、産業用というよりはSLIに近いもので、OPzVバッテリーはこの用途には適していません。 ディーゼル電気機関車では、ディーゼル機関車用のスターターバッテリーを別に用意しています。

これまで述べてきた電池の用途は、現在の市場の要求に基づいています。 しかし、まだ商業的に導入されていない電気化学エネルギー貯蔵の新しいアプリケーションがあります。 新たな要件として、EVの充電ステーションがあります。 このアプリケーションにおいて、バッテリーによるエネルギー貯蔵が有益である理由はいくつかあります。 まず第一に、EVの急速充電や多重充電により、おそらく入力電源よりも大きな出力サージが発生します。 この場合、蓄電されたエネルギーを使用することで、送電網の需要が減るため、必要な電力のサブステーションが小さくなり、資本コストも低く抑えられます。

第二に、需要のピーク時に蓄えられたバッテリーエネルギーを使用することで、グリッドからの電力消費を常に低く抑えることができるため、ピーク時の需要料金を回避することができます。 3つ目は、太陽光発電や風力発電で発電したエネルギーを蓄え、そのエネルギーを使って系統電力を補うことで、変動する再生可能エネルギーの利用を可能にすることです。 これらにより、設備投資と運用コストの両方を大幅に削減することができます。

また、OPzV電池の応用として、通信塔に余剰の再生可能エネルギーを内蔵し、ミニグリッドを介して周辺地域に電力を販売することで、通信塔の発電を利用することも考えられます。 これにより、通信事業者の収入源が増えることで、通信タワーの建設・運営コストの軽減につながるだけでなく、送電網が未整備の国では、遠隔地のコミュニティに必要な電力を供給することが可能になります。

OPzVバッテリー技術

ここで取り上げたすべてのOPzVゲル電池アプリケーションにおいて、市場の要求を満たす鍵となるのは、OPzV電池の構造、化学、設計です。 OPzVバッテリーは、鉛酸を使用しており、サイクル寿命が長く、資本コストやランニングコストが低く、メンテナンスがほとんど必要ないという特徴があるため、ほとんどの定置用アプリケーションに最適です。 それと同時に、素材、デザイン、構造の質も同様に重要である。 このプレートは、OPzVバッテリーの放電と充電によるPAM(Positive Active Material)の伸縮に耐えられるように、高品質のものでなければなりません。

インドのOPzVバッテリーメーカー

マイクロテックスは、これらすべての面で最高の電池を提供することを約束します。 セルは世界的に著名なドイツ人科学者によって設計されており、素材の品質を確保するために、バッテリーガントレットとセパレーターを独自に製作しています。 現在、世界は多くの未曾有の課題に直面しています。 マイクロテックスは、世界中のビジネスとコミュニティの両方の結果を改善するためのソリューションとバッテリー製品を提供しています。 マイクロテックス社が提供する、信頼性が高く、高品質でエネルギー効率の高い定置用OPzV電池の使用は、これらの課題を解決するために重要な役割を果たします。

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