• Новости
• Блоги
• Аналитика
• Новости компаний
• В СНГ и в мире
• Анонсы

Фрикулинг и топливные элементы для телекома

Новые технические решения, такие как фрикулинг и водородные топливные элементы, способны значительно повысить надежность работы базовых станций сетей сотовой и транковой связи, одновременно снизив общую стоимость владения этими объектами. Они уже успешно применяются за рубежом. Пришло время внедрять их и в России.

Фрикулинг – так естественно

В последние годы в регионах с умеренным климатом наметилась тенденция к широкому использованию для охлаждения телекоммуникационного оборудования режима фрикулинга (free cooling), или естественного охлаждения. Отказ от механического охлаждения во многих случаях позволяет многократно сократить расход электроэнергии на охлаждение (см. рисунок),  сохраняя при этом требуемую степень надежности системы кондиционирования. В северных и центральных районах России температура внутри телекоммуникационной стойки, установленной на базовой станции, практически всегда выше температуры наружного воздуха, поэтому охлаждение электронного оборудования может обеспечиваться наружным воздухом б'ольшую часть года.

Оснащение базовых станций системой естественного охлаждения в условиях умеренного климата значительно снижает коэффициент использования компрессора. Микропроцессорное управление автоматически регулирует переход между режимом ассимиляции теплоизбытков по принципу испарительного охлаждения (с работающим компрессором) и режимом фрикулинга. При параллельной работе холодильной установки и системы естественного охлаждения номинальная мощность компрессора может быть значительно снижена.

В мире накоплен большой опыт использования систем естественного охлаждения на различных объектах. Наиболее простое устройство имеет воздушная система фрикулинга. Она может быть достаточно просто добавлена к уже установленным сплит-системам на эксплуатируемых базовых станциях.

Снижение энергопотребления системами охлаждения не только улучшает показатели энергоэффективности станции, но и повышает надежность работы телекоммуникационного оборудования в случае перебоев в электроснабжении. А эта проблема стоит тоже очень остро.

Водород + кислород = …

Масштабная авария электросетей США и Канады, произошедшая в августе 2003 г., выявила недостаточную надежность источников бесперебойного питания систем связи. Ситуация усугублялась жарой (температура выше +30 °С). После отключения внешнего питания базовые станции функционировали в среднем от 2 до 6 часов. Резервные дизель-генераторные установки либо отсутствовали, либо не смогли обеспечить полноценную зарядку аккумуляторов. Продолжительность работы систем связи после отключения основного питания оказалась ниже расчетной вне зависимости от наличия дизель-генераторного агрегата. Эти обстоятельства заставили сервис-провайдеров наращивать емкость аккумуляторных модулей ради увеличения надежности.

В целом требования к резервному электроснабжению постоянно растут, особенно для критических приложений (транспортные, банковские системы и т. п.). Например, в Европе уже много лет развивается система связи на основе стандарта TETRA, которая требует бесперебойной работы узла связи (или базовой станции) в течение пяти суток при отсутствии основного питания. Показатели потребности различных телекоммуникационных объектов в электрической энергии приведены в табл. 1.

Замена открытых батарей на герметичные лишь незначительно уменьшила основные недостатки аккумуляторных источников тока – зависимость срока службы и электрической емкости от температурных условий, не решив проблемы в целом. И вот спустя 30 лет после появления герметичных батарей, благодаря интенсивному развитию водородных технологий, появилась возможность качественного улучшения показателей эффективности и надежности альтернативных источников электричества. Речь идет о водородных топливных элементах, очень эффективных для систем небольшой мощности (до 5–10 кВт), которым необходимо обеспечить продолжительное время автономной работы. Для систем большой мощности более предпочтителен дизель-генераторный агрегат.

Топливный элемент является электрохимическим генератором (ЭХГ), т.е. устройством, обеспечивающим прямое преобразование химической энергии топлива (водорода) и окислителя (чистого кислорода или кислорода воздуха) в электрическую энергию. В аккумуляторе реагенты, вступающие в химическую реакцию, находятся внутри электродов батареи, поэтому батарея требует электрической перезарядки или замены электродов. В установках с ЭХГ реагенты хранятся вне генератора, а это означает, что генератор будет вырабатывать энергию до тех пор, пока поступают реагенты. Благодаря этому энергоемкость таких энергоустановок может быть существенно выше, чем у батарей.

От аккумуляторов к топливным элементам

Необходимость поддержания температуры для нормальной работы аккумуляторов обусловлена двумя основными причинами. Во-первых, при отрицательных температурах емкость аккумулятора сильно уменьшается. Во-вторых, срок службы аккумулятора в значительной степени зависит от колебаний температуры; например, при увеличении температуры эксплуатации на каждые 10 °С срок службы сокращается вдвое.

Топливные элементы, в отличие от аккумуляторов, не столь критичны к температуре. Они могут работать в диапазоне от –30 до +60 °С. Для подтверждения надежности работы водородных элементов в зимних условиях в Швеции по запросу национального оборонного  ведомства были проведены испытания. Тестировался модуль, эквивалентный аккумуляторной батарее емкостью 2500 А•ч и способный непрерывно обеспечивать энергией потребителя в течение 100 суток. Водородные элементы вырабатывали электроэнергию на протяжении всего зимнего периода и показали стабильную работу при температурах ниже –20 °С.

В отличие от аккумуляторных батарей, продолжительность работы топливного элемента в основном зависит от запаса водорода. Показатель надежности работы  MTBF (Mean Time Between Failures) водородного источника тока с топливным элементом сейчас составляет более 20 тыс. операционных часов. У топливных элементов не существует проблемы перезарядки и саморазряда,  что гарантирует стабильность энергетических параметров, облегчает эксплуатацию и хранение резервного источника электропитания.

Нестабильность параметров сетевого электропитания и периодические отключения сети часто приводят к необходимости перехода на резервные источники тока. У аккумуляторной системы, способной автономно работать в течение двух-четырех часов, время перезарядки батарей достигает 12–24 ч, в течение которых может произойти второй провал напряжения. В таких условиях требуется еще больший батарейный резерв для обеспечения своевременного заряда аккумуляторной батареи после ее разряда и компенсации резкого роста тока при включении на заряд полностью разряженной батареи большой емкости.

Теплота сгорания водорода в три раза выше, чем у дизельного топлива (120 000 кДж/кг против 43 000 кДж/кг). В стандартном 40 литровом баллоне под давлением 15 МПа хранится примерно 0,5 кг водорода, которого достаточно для выработки 7 кВт•ч электро-энергии. Чтобы обеспечить бесперебойную работу в течение суток системы мощностью 2 кВт потребуется 7 баллонов, которые размещаются в шкафу объемом 0,7 м3 (1400 x 1000 x 500 мм). Отсек с баллонами не нуждается в специальной системе охлаждения или подогрева. Его даже можно размещать на некотором расстоянии от электроустановки. Нормативными документами разрешается хранение баллонов с водородом на открытых площадках под навесом, защищающим баллоны от атмосферных осадков и прямых солнечных лучей.

С точки зрения общей стоимости владения интерес представляют исследования, проведенные организацией Battelle Institute. В табл. 2 представлены значения приведенных затрат для альтернативных вариантов резервного электроснабжения базовых станций американского федерального авиационного агентства. Чистая приведенная стоимость (ЧПС) рассчитывалась, исходя из нормы дисконтирования 8%, а срок службы аккумуляторов принимался равным 36 и 60 месяцев. Исследования подтверждают экономическую целесообразность использования водородных топливных элементов в  приложениях, требующих большой автономности ра-боты и несложных профилактических мероприятий.

Очевидно, что водородные источники тока обладают важными преимуществами по массогабаритным показателям, удобству эксплуатации, транспортировки и хранения. Поскольку топливные элементы нетребовательны к температурному режиму, их можно встраивать в шкафы и контейнеры без систем механического охлаждения. Дополнительные блоки со сжатым водородом можно заранее доставить на место в удобное для транспортировки время. С учетом максимально допустимой утечки (6 см3/ч) 50%-ная потеря емкости стандартного баллона произойдет через 95 лет. В отличие от аккумуляторных батарей в водородных элементах не происходит потери емкости из-за химических процессов между электролитом и электродами. Благодаря этому топливные элементы могут находиться в состоянии резерва десятки лет.

Испытания топливных элементов подтверждают надежность работы водородных источников тока не только при низких температурах, но и в условиях многократных циклов старт/стоп. Последнее достоинство особенно важно в российских регионах, где серьезной проблемой является низкое качество системы внешнего энергоснабжения.

Преимущество водородных топливных элементов перед аккумуляторами заключается еще в том, что состояние такого источника просто диагностировать. Удаленный мониторинг всех элементов водородных систем позволяет легко определять остаточный ресурс.

Вместе лучше

Интенсивное развитие водородной энергетики позволяет широко внедрять альтернативные резервные источники тока, что, в свою очередь, дает возможность упростить систему кондиционирования.

Взаимозависимость систем кондиционирования и резервного электроснабжения телекоммуникационного оборудования не всегда очевидна. Выше упоминалось, что аккумуляторные батареи более требовательны к микроклимату, чем современное электронное оборудование. Следовательно, лишь небольшая часть мощности системы охлаждения используется для отвода тепла от основного оборудования, остальная идет на охлаждение систем электропитания. При отказе от использования аккумуляторных батарей и переходе на топливные элементы упрощается система кондиционирования. В свою очередь, снижение мощности системы охлаждения позволяет уменьшить мощность ИБП. В результате объединения достоинств обеих технологий значительно возрастает эффективность и надежность работы всей базовой станции.

Пример реализации преимуществ сочетания рассматриваемых технологий – разработка шведской фирмой Kontrollelektronik комплексной системы CoolRack, предназначенной для обеспечения электрической энергией оборудования базовых станций сотовой связи при дефиците свободного пространства. Размещенный внутри шкафа или стойки топливный элемент не требует специального охлаждения или обогрева, а привод вентиляторов системы фрикулинга расходует сравнительно малую долю мощности резервного источника питания.

Преимущество водородных топливных элементов перед аккумуляторными батареями в системах небольшой мощности уже доказано на практике. Только в США более полутора тысяч базовых станций оснащены резервными источниками на основе водородных элементов. В Нигерии, в экстремальных условиях, работают более сотни базовых станций с топливными элементами в качестве источника резервного, а при необходимости и основного электроснабжения. Инновации в области обеспечения микроклимата и электроснабжения базовых станций приходят и в Россию. В нынешнем году два оператора сотовой связи в Санкт-Петербурге и Москве будут испытывать водородную систему резервного питания в сочетании с фрикулингом.

Часто приходится слышать о проблемах, связанных с обеспечением запаса водородных баллонов. В заключение хотим опровергнуть это мнение: логистика здесь проще, чем в случае с аккумуляторными батареями. При хранении топлива в виде сжатого водорода не происходит сколько-нибудь значительного «саморазряда», а чрезвычайно жесткие требования к водородным системам позволяют гарантировать безопасную эксплуатацию и хранение сжатого водорода на местах. Наличие же в крупных областных центрах поставщиков технического водорода облегчает задачу по обеспечению необходимого запаса водорода на телекоммуникационном объекте.