Le tecnologie dei gruppi di continuità (UPS) sono utilizzate da molti anni in varie applicazioni per supportare il funzionamento continuo dei carichi principali durante le interruzioni di alimentazione dalla rete. Questi sistemi sono stati utilizzati in molti luoghi diversi per fornire ulteriore immunità dalle interruzioni della rete che interferiscono con il funzionamento di carichi definiti. I sistemi UPS sono spesso utilizzati per proteggere computer, strutture informatiche e apparecchiature di telecomunicazione. Con la recente evoluzione delle nuove tecnologie energetiche, i sistemi di stoccaggio dell’energia (ESS) hanno proliferato rapidamente. Gli ESS, in particolare quelli che utilizzano tecnologie a batteria, sono generalmente forniti da fonti rinnovabili come l’energia solare o eolica e consentono lo stoccaggio dell’energia prodotta da queste fonti per l’utilizzo in momenti diversi.

L'attuale standard ANSI statunitense per gli UPS è UL 1778, lo standard per i sistemi di continuità. e CSA-C22.2 N. 107.3 per il Canada. UL 9540, lo standard per i sistemi e le apparecchiature di accumulo dell'energia, è lo standard nazionale americano e canadese per ESS. Sebbene sia i prodotti UPS maturi che gli ESS prodotti in rapida evoluzione abbiano alcuni punti in comune nelle soluzioni tecniche, nel funzionamento e nell'installazione, esistono differenze importanti. Questo documento esaminerà le differenziazioni critiche, delineerà i requisiti di sicurezza del prodotto applicabili associati a ciascuno e riassumerà come i codici si stanno evolvendo per affrontare entrambi i tipi di installazioni.

PresentazioneUPS

Formazione

Un sistema UPS è un sistema elettrico progettato per fornire energia istantanea e temporanea basata su corrente alternata per carichi critici in caso di guasto della rete elettrica o di altre modalità di guasto della fonte di alimentazione di rete. L'UPS è dimensionato per fornire una continuazione istantanea di una quantità predeterminata di potenza per una durata specifica. Ciò consente a una fonte di alimentazione secondaria, ad esempio un generatore, di tornare online e continuare con il backup dell'alimentazione. L'UPS può spegnere in modo sicuro i carichi non essenziali continuando a fornire alimentazione ai carichi delle apparecchiature più importanti. I sistemi UPS forniscono da molti anni questo supporto fondamentale per varie applicazioni. Un UPS utilizzerà l'energia immagazzinata da una fonte di energia integrata. Si tratta in genere di un banco batterie, di un supercondensatore o del movimento meccanico di un volano come fonte di energia.

Un tipico UPS che utilizza un banco di batterie per la sua alimentazione è costituito dai seguenti componenti principali:

Raddrizzatore/caricabatterie – Questa sezione dell'UPS prende l'alimentazione di rete CA, la raddrizza e produce una tensione CC utilizzata per caricare le batterie.

• Invertitore – In caso di interruzione dell'alimentazione di rete, l'invertitore convertirà la potenza CC immagazzinata nelle batterie in potenza CA pulita adatta all'apparecchiatura supportata.

• Interruttore di trasferimento – Un dispositivo di commutazione automatico e istantaneo che trasferisce l'energia da varie fonti, ad esempio rete, inverter UPS e generatore, a un carico critico.

• Banco batterie: immagazzina l'energia necessaria all'UPS per svolgere la funzione prevista.

Standard attuali per sistemi UPS

• L'attuale standard ANSI statunitense per gli UPS è UL 1778/C22.2 N. 107.3, lo standard per i sistemi di continuità, che definisce un UPS come "una combinazione di convertitori, interruttori e dispositivi di accumulo dell'energia (come le batterie) che costituiscono un sistema di alimentazione sistema per mantenere la continuità dell’alimentazione a un carico in caso di interruzione dell’alimentazione in ingresso.”

• Sono in fase di sviluppo le nuove edizioni delle norme IEC 62040-1 e IEC 62477-1. UL/CSA 62040-1 (utilizzando UL/CSA 62477-1 come standard di riferimento) sarà armonizzato con questi standard.

Presentazione accumulo di energia sistemi (ESS)

Gli ESS stanno guadagnando terreno come risposta a una serie di sfide che riguardano la disponibilità e la disponibilità

affidabilità nel mercato energetico odierno. Gli ESS, in particolare quelli che utilizzano le tecnologie delle batterie, aiutano a mitigare la disponibilità variabile di fonti rinnovabili come l’energia solare o eolica. Gli ESS rappresentano una fonte di energia affidabile durante i periodi di picco di utilizzo e possono assistere nella gestione del carico, nelle fluttuazioni di potenza e in altre funzioni relative alla rete. Gli ESS sono utilizzati per applicazioni di pubblica utilità, commerciali, industriali e residenziali.

Standard attuali per ESS

UL 9540, lo standard per i sistemi e le apparecchiature di accumulo dell'energia, è lo standard nazionale americano e canadese per ESS.

• Pubblicato per la prima volta nel 2016, lo standard UL 9540 include molteplici tecnologie per ESS, inclusi i sistemi di accumulo dell'energia a batteria (BESS). UL 9540 copre anche altre tecnologie di stoccaggio: ESS meccanico, ad esempio, stoccaggio a volano abbinato a un generatore, ESS chimico, ad esempio, stoccaggio di idrogeno abbinato a un sistema di celle a combustibile, ed ESS termico, ad esempio, stoccaggio di calore latente abbinato a un generatore.
• UL 9540, la sua seconda edizione, definisce un sistema di accumulo di energia come "Apparecchiature che ricevono energia e quindi forniscono un mezzo per immagazzinare tale energia in qualche forma per un uso successivo al fine di fornire energia elettrica quando necessario". La seconda edizione di UL 9540 richiede inoltre che un BESS sia sottoposto a UL 9540A, il metodo di prova standard per la valutazione della propagazione termica del fuoco incontrollato nei sistemi di accumulo dell'energia a batteria, se necessario per soddisfare le eccezioni nei codici.
• UL 9540 è attualmente alla sua terza edizione.

Confronto tra ESS e UPS

Funzioni e dimensione

Un ESS è simile nella costruzione a un UPS ma differisce nel suo utilizzo. Come l'UPS, l'ESS include un meccanismo di accumulo dell'energia come batterie, apparecchiature di conversione dell'energia, ad esempio inverter e vari altri componenti elettronici e controlli. A differenza dell'UPS, tuttavia, un ESS può funzionare in parallelo con la rete, il che si traduce in un ciclo del sistema maggiore di quello che un UPS potrebbe mai sperimentare. Un ESS può collaborare in modo interattivo con la rete o in modalità autonoma, o entrambi, a seconda del tipo di sistema di conversione di potenza utilizzato. Un ESS può anche funzionare come funzionalità UPS. Come gli UPS, gli ESS possono essere disponibili in varie dimensioni, da un piccolo sistema residenziale con meno di 20 kWh di energia ad applicazioni di servizi pubblici che utilizzano sistemi di contenitori di energia multi-megawatt con più rack di batterie all'interno del contenitore

Composizione chimica e sicurezza

Le caratteristiche chimiche tipiche delle batterie utilizzate negli UPS sono sempre state batterie al piombo-acido o al nichel-cadmio. A differenza dell’UPS, BESS utilizza fin dall’inizio tecnologie come le batterie agli ioni di litio perché le batterie agli ioni di litio hanno prestazioni di ciclo migliori e una maggiore densità di energia, che possono fornire più energia con un ingombro fisico ridotto. Le batterie agli ioni di litio hanno inoltre requisiti di manutenzione molto inferiori rispetto alle tecnologie delle batterie tradizionali. Ma attualmente le batterie agli ioni di litio sono sempre più utilizzate anche nelle applicazioni UPS.

Tuttavia, un grave incidente in Arizona nel 2019 che ha coinvolto un ESS utilizzato nelle applicazioni dei servizi di pubblica utilità ha provocato lesioni gravi a diversi soccorritori e ha attirato l’attenzione di varie parti interessate, tra cui regolatori e agenzie assicurative. Per garantire che questo settore in crescita non sia ostacolato da incidenti di sicurezza evitabili, è necessario sviluppare specifiche e standard adeguati per l’ESS. Per incoraggiare lo sviluppo di specifiche e standard di sicurezza adeguati per gli ESS, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha lanciato il primo forum annuale sulla sicurezza e l'affidabilità degli ESS nel 2015.

Il primo forum DOE ESS ha contribuito a una grande mole di lavoro sulle specifiche e sugli standard ESS. Il più degno di nota è lo sviluppo del NEC N. 706 e lo sviluppo di NFPA 855, uno standard per installazioni di sistemi di accumulo di energia stazionari, che influenza direttamente lo standard per i sistemi di batterie stazionarie in ICC IFC e NFPA 1. Oggi, NEC e NFPA 855 hanno stato aggiornato anche per le versioni 2023.

Stato attuale degli standard ESS e UPS

L'obiettivo di tutte le attività di sviluppo di regole e standard è affrontare adeguatamente la sicurezza di questi sistemi. Sfortunatamente, gli standard attuali hanno creato una certa confusione nel settore.

1.NFPA 855. Il documento chiave che riguarda l'installazione di BESS e UPS è la versione 2020 di NFPA 855, Standard per l'installazione di sistemi di accumulo di energia stazionari. NFPA 855 definisce l'accumulo di energia come "un insieme di uno o più dispositivi in ​​grado di immagazzinare energia per la futura fornitura a carichi elettrici locali, reti di servizi o supporto di rete". Questa definizione include le applicazioni per UPS ed ESS. Inoltre, NFPA 855 e i codici antincendio richiedono che gli ESS siano valutati e certificati secondo UL 9540. Tuttavia, UL 1778 è sempre stato il tradizionale standard di sicurezza del prodotto per gli UPS. Il sistema è stato valutato in modo indipendente per verificarne la conformità ai requisiti di sicurezza applicabili e supporta un'installazione sicura. Pertanto, i requisiti della norma UL 9540 hanno causato una certa confusione nel settore.

2.UL9540A. UL 9540A richiede di iniziare dal livello della batteria e di eseguire test passo dopo passo fino a superare il livello di installazione. Questi requisiti fanno sì che i sistemi UPS siano soggetti a standard di marketing che in passato non erano richiesti.

3.UL 1973. UL 1973 è lo standard di sicurezza del sistema batteria per ESS e UPS. Tuttavia, la versione UL 1973-2018 non include disposizioni di test per le batterie al piombo-acido, il che rappresenta anche una sfida per i sistemi UPS che utilizzano la tecnologia delle batterie tradizionale come le batterie al piombo-acido.

Riepilogo

Attualmente, sia il NEC (National Electrical Code) che l'NFPA 855 stanno chiarendo queste definizioni.

• Ad esempio, la versione 2023 della NFPA 855 chiarisce che specifiche batterie al piombo-acido e al nichel-cadmio (600 V o meno) sono elencate nell'UL 1973.
• Inoltre, i sistemi di batterie al piombo certificati e contrassegnati secondo UL 1778 non devono essere certificati secondo UL 9540 se utilizzati come alimentazione di backup.

Per risolvere il problema della mancanza di standard di test per le batterie al piombo-acido e al nichel-cadmio nell'UL 1973, l'Appendice H (Valutazione delle alternative alle batterie al piombo-acido o al nichel-cadmio con valvola regolata o ventilata) è stata specificatamente aggiunta alla terza edizione di UL 1973 rilasciata a febbraio 2022.

Questi cambiamenti rappresentano uno sviluppo positivo per differenziare i requisiti di installazione sicura di UPS ed ESS. Ulteriore lavoro include l'aggiornamento dell'articolo 480 del NEC per soddisfare meglio i requisiti di installazione per tecnologie diverse dal piombo-acido e dal nichel-cadmio. Inoltre, lo standard NFPA 855 necessita di essere ulteriormente aggiornato per fornire maggiore chiarezza sulle normative sulla protezione antincendio, in particolare per quanto riguarda le varie tecnologie utilizzate nelle applicazioni fisse, siano esse UPS o ESS.

L'autore spera che i continui cambiamenti miglioreranno la sicurezza del settore, indipendentemente dal fatto che venga utilizzato un UPS tradizionale o un ESS. Mentre assistiamo alla proliferazione rapida e significativa delle soluzioni di stoccaggio dell’energia, affrontare la sicurezza intrinseca dei prodotti è fondamentale per sbloccare l’innovazione in materia di sicurezza e soddisfare le esigenze della società.