ما هي إجراءات الحماية الأمنية لأنظمة تخزين طاقة البطاريات؟

ما هي إجراءات الحماية الأمنية لأنظمة تخزين طاقة البطاريات؟

نظام تخزين طاقة البطاريات (BESS) يُخزِّن ميغاواط-ساعة من الطاقة في مساحة محدودة. وعند التشغيل ضمن المعايير التصميمية، يشحن النظام ويُفرغ طاقته بموثوقيةٍ لسنواتٍ عديدة. أما عند دخول خلية واحدة فقط في رفٍّ يحتوي مئات الخلايا في حالة انفلات حراري، فقد تنتشر هذه الحالة بشكل متسلسل وتدمِّر الحاوية بأكملها خلال دقائق. ويتناول هيكل السلامة في نظام BESS المصمم بشكل سليم هذا الخطر عبر أربعة طبقات مستقلة من الحماية.

الطبقة الأولى: حماية على مستوى الخلية عبر نظام إدارة البطارية

كل خلية ليثيوم-أيون في نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) لها نطاق تشغيل آمن مُعرَّف بجهد الكهرباء ودرجة الحرارة والتيار. ويقوم نظام إدارة البطارية (BMS) برصد كل خلية على فترات أقصر من ثانية واحدة. وعندما يتجاوز جهد الخلية ٤,٢٥ فولت أثناء الشحن — أي العتبة التي تزداد عندها احتمالات ترسيب الليثيوم والدوائر القصيرة الداخلية — يوجِّه نظام إدارة البطارية (BMS) نظام تحويل الطاقة إلى خفض تيار الشحن المُرسل إلى تلك السلسلة أو إيقافه تمامًا. وعندما تتجاوز درجة حرارة الخلية ٦٠°م أثناء التفريغ، يقوم نظام إدارة البطارية (BMS) بتخفيض قدرة السلسلة أو فصلها كليًّا.

يتعقّب نظام إدارة البطارية (BMS) حالة الصحة من خلال مقارنة السعة الفعلية بالسعة الاسمية. وينتج الخلية التي تدهورت سعتها إلى ٧٠٪ من سعتها الأصلية حرارةً أكثر في كل دورة شحن وتفريغ مقارنةً بالخلية السليمة، لأن مقاومتها الداخلية ازدادت. ويُحدّد نظام إدارة البطارية الخلايا المرشحة للتبديل قبل أن تصبح مصادر خطر حراري. وتستخدم الأنظمة الحديثة الصادرة عن مُدمِّجين ذوي خبرة استشعارًا مكررًا للجهد ودرجة الحرارة — أي مستشعرَين مستقلَّين لكل وحدة خلية — لذا لا يمكن لعطل أحد المستشعرات أن يخلق نقطة عمياء.

الطبقة الثانية: الإدارة الحرارية والاحتواء

الحرارة هي عَرَضٌ وسببٌ في آنٍ واحدٍ للفشل. فحَوْضُ نظامِ تخزين الطاقة البطاريّة (BESS) الذي يعمل في بيئةٍ محيطةٍ تبلغ حرارتها ٤٠°م دون تبريدٍ نشطٍ سيشهد ارتفاع درجة حرارة الرفوف الداخلية بمقدار ٨–١٢°م فوق الحرارة المحيطة بسبب دورة الشحن والتفريغ وحدها. أما التشغيل المستمر عند درجات حرارة تفوق ٣٥°م فيُسرّع تدهور الخلايا بشكلٍ أسيٍّ — إذ يضاعف تقريباً معدل التدهور عن كل زيادةٍ قدرها ١٠°م فوق القيمة الاسمية. وتُحافظ أنظمة التبريد السائلة، التي تُجري تدوير سائل التبريد عبر ألواح التبريد المتصلة مباشرةً بكل وحدة، على اختلاف درجات الحرارة بين الخلايا ضمن نطاق ±٢°م على طول الرف بالكامل. أما أنظمة التبريد بالهواء ذات التهوية القسرية فهي كافيةٌ للتركيبات منخفضة الكثافة، لكنها تسمح بتدرجات حرارية أوسع.

يمنع الاحتواء المادي داخل الرف انتشار فشل خلية واحدة. وتقوم الصفائح الفولاذية الفاصلة بين الوحدات بامتصاص الحرارة المحلية وتبدديها. وتفصل الحواجز المقاومة للحريق، التي تتمتع بمدة مقاومة لا تقل عن ٦٠ دقيقة وفق معيار آي إي سي ٦٢٤٨٥-٥، رفوف البطاريات عن إلكترونيات الطاقة والمحولات ومعدات التبديل داخل الحاوية.

الطبقة الثالثة: كشف الحرائق وإخمادها

يطلق الانهيار الحراري إشارات جوية مميزة — وهي أبخرة الإلكتروليت وأول أكسيد الكربون والهيدروجين — التي يمكن اكتشافها بواسطة حساسات الغاز الخارجة المتخصصة قبل انفجار الخلية أو ظهور اللهب بـ ٣ إلى ٥ دقائق. ويؤدي الكشف المبكر إلى ثلاث إجراءات متزامنة: قطع التوصيل الكهربائي للسلسلة المتضررة، وتشغيل نظام تهوية الحاوية لإخراج الغازات القابلة للاشتعال، وتفعيل نظام الإخماد.

تُغمر عوامل إخماد الحرائق القائمة على الأيروسول داخل الحاوية بجسيمات تعتمد على البوتاسيوم، والتي تُعطّل سلسلة التفاعل الاحتراقـي على المستوى الجزيئي دون ترك أي بقايا تُلحق الضرر بالإلكترونيات. وعلى عكس أنظمة الرش المائية، تكون أنظمة الأيروسول فعّالة في إخماد حرائق الفئة باء (السوائل الإلكتروليتية) ولا تُحدث مسارات قصر كهربائي عبر المياه المتجمعة. وتشترط المواصفة NFPA 855 أن تُحمى تركيبات أنظمة تخزين البطاريات (BESS) التي تتجاوز سعتها ٥٠ كيلوواط ساعة بنظام أوتوماتيكي لإخماد الحرائق مناسبٍ لتركيب البطارية الكيميائي.

الطبقة الرابعة: العزل الكهربائي وفصل الشبكة

عندما يكشف وحدة تحكم نظام تخزين الطاقة البطارية (BESS) عن حالة عطل — حرارية أو كهربائية أو هيكلية — فإن أول إجراء وقائي يتم اتخاذه دائمًا هو العزل الكهربائي. وتُفتح مفاتيح التلامس على الجانب المستمر (DC) بين رفوف البطاريات ونظام تحويل الطاقة. وفي الوقت نفسه، يُفتح القاطع الكهربائي على الجانب المتناوب (AC) عند نقطة الاتصال المشتركة مع الشبكة، مما يفصل نظام تخزين الطاقة البطاري بالكامل عن مصدر الطاقة (مثل الشحن من الشبكة) وعن الحمل. ويمنع هذا العزل الغالفاني انتشار تيار العطل، ويضمن أن فرق الاستجابة الأولية التي تقترب من الحاوية تتعرض فقط للطاقة المخزَّنة التي تتناقص تدريجيًّا، وليس لعطل كهربائي نشط يتغذى باستمرار.

حالة: تركيب نظام صناعي لتخزين الطاقة البطارية يصمد أمام ارتفاع مفاجئ في جهد الشبكة

أَقَامَ مَنْشَأةٌ صِنَاعِيَّةٌ فِي جَنُوبِ شَرْقِ آسِيَا نِظَامَ طَاقَةٍ بَاتِرِيِّاً (BESS) سَعَتُهُ ٢ مِيجَاوَاطٍ-سَاعَةٍ لِتَخْفِيفِ أَذْرُعِ الذُّرُوَةِ وَتَأْمِينِ طَاقَةٍ احْتِيَاطِيَّةٍ، وَجَاءَ هَذَا النِّظَامُ مِنْ مُوَرِّدٍ مُكَامِلٍ لِلمُعَدَّاتِ الكَهْرَبَائِيَّةِ فِي إِقْلِيمِ لِيَاوْنِينغَ فِي الصِّينِ. وَأَثْنَاءَ حَدَثٍ غَيْرِ مَخْطُوطٍ لِإِغْلاَقِ الشَّبَكَةِ وَإِعَادَةِ تَوصِيلِهَا، نَشَأَ ارْتِفَاعٌ فِي الجَهْدِ بِمِقْدَارِ ٢,٧ مَرَّةٍ مِنْ قِيمَتِهِ الاسْمِيَّةِ، فَكَشَفَ نِظَامُ إِدَارَةِ البَطَّارِيَاتِ (BMS) عَنْ هَذَا الارْتِفَاعِ فِي غِضُونِ ٤ مِلْلِيثَانِيَةٍ وَفَصَلَ المُتَّصِلاتِ التَّيَارِيَّةِ المُتَغَيِّرَةِ المُبَاشِرَةِ (DC contactors) قَبْلَ وُصُولِ المَوْجَةِ الصَّادِمَةِ إِلَى خَلاَيَا البَطَّارِيَةِ. وَاسْتَمَرَّتْ سِلْسِلَةُ الإِنْتَاجِ فِي المَنْشَأةِ فِي العَمَلِ بِطَاقَةِ نِظَامِ الطَّاقَةِ البَاتِرِيِّ (BESS) لِمُدَّةِ ٢٢ دَقِيقَةً حَتَّى اسْتَقَرَّتِ الشَّبَكَةُ. وَأَظْهَرَ الفَحْصُ البَعْدِيُّ لِلحَدَثِ عَدَمَ وُقُوعِ أَيِّ ضَرَرٍ فِي الخَلاَيَا، مَا أَكَّدَتْهُ سَجِلاَتُ نِظَامِ إِدَارَةِ البَطَّارِيَاتِ (BMS) لِحَالَةِ الصِّحَّةِ.

الأسئلة الشائعة

مَا هُوَ المَدى الحراري الآمن لِعَمَلِ نِظَامِ الطَّاقَةِ البَاتِرِيِّ (BESS)؟

تَعْمَلُ خَلاَيَا فُوسْفَاتِ الحَدِيدِ اللِّيثِيُومِ (LFP) بِأَمَانٍ فِي مَدى حراري يَتَراوَحُ بَيْنَ ٢٠- دَرْجَةً مِئَوِيَّةً وَ٦٠ دَرْجَةً مِئَوِيَّةً عِنْدَ التَّفْرِيغِ، وَبَيْنَ ٠ دَرْجَةٍ مِئَوِيَّةٍ وَ٤٥ دَرْجَةً مِئَوِيَّةً عِنْدَ الشَّحْنِ. وَيُسَرِّعُ العَمَلُ خَارِجَ هَذِهِ المَداخِلِ مِنْ تَدهُورِ الخَلاَيَا. وَيُحَافِظُ نِظَامُ التَّحْكُّمِ النَّشِيطِ فِي الدِّفْءِ عَلَى بَقَاءِ الخَلاَيَا فِي المَدى المُثْلَى الَّذِي يَتَراوَحُ بَيْنَ ١٥ وَ٣٥ دَرْجَةً مِئَوِيَّةً لِأَعْلَى عَدَدٍ مُمْكِنٍ مِنْ دَوْرَاتِ العَمَلِ.

كَيْفَ يَكْشُفُ نِظَامُ إِدَارَةِ البَطَّارِيَاتِ (BMS) عَنْ فَشَلٍ وَشِيكٍ فِي إِحْدَى الخَلاَيَا؟

يقوم نظام إدارة البطاريات (BMS) برصد انخفاض الجهد تحت التحميل، واتجاهات المقاومة الداخلية، والانحراف في الجهد بين الخلايا. ويُفعِّل هذا النظام تنبيهًا عند ارتفاع المقاومة الداخلية لخلية ما بنسبة تزيد على ٣٠٪ مقارنةً بالقيمة المرجعية، أو عند انحراف جهدها أكثر من ١٠٠ ملي فولت عن متوسط جهد السلسلة.

هل أنظمة إخماد الحرائق بالرذاذ الجوي آمنة لاستخدامها مع أنظمة تخزين الطاقة البطارية (BESS)؟

نعم. وقد أُجريت عمليات تحقق محددة لأنظمة الرذاذ الجوي التي تستخدم عوامل قائمـة على البوتاسيوم لمكافحة حرائق بطاريات الليثيوم-أيون وفقًا لمتطلبات اختبار UL 9540A. ولا تترك هذه الأنظمة أي بقايا موصلة، ولا تُحدث المخاطر الكهربائية التي تُحدثها الأنظمة القائمة على الماء.

ما أدنى مسافة فصل مسموح بها بين حاويات أنظمة تخزين الطاقة البطارية (BESS)؟

تشترط معايير NFPA 855 وجود مسافة لا تقل عن ٣ أقدام (٠٫٩ متر) بين حاويات أنظمة تخزين الطاقة البطارية (BESS)، أو بين حاوية BESS وأي هيكل مأهول. وقد تتطلب التنصيبات الأكبر التي تتجاوز سعتها ٢٥٠ كيلوواط ساعة مسافات فصل أكبر وفقًا للتعديلات المحلية على لوائح مكافحة الحرائق.

ما تكرار فحص أنظمة السلامة الخاصة بأنظمة تخزين الطاقة البطارية (BESS)؟

يجب التحقق من معايرة جهد ودرجة حرارة نظام إدارة البطاريات (BMS) سنويًّا. ويجب اختبار وظيفة نظام إخماد الحرائق نصف سنويًّا وفقًا لبروتوكول الشركة المصنِّعة. ويُوصى بإجراء اختبار السعة الكاملة للتفريغ على مستوى الرف كل سنتين.

هل يمكن تركيب نظام تخزين طاقة بطاري (BESS) بأمان في مبنى مأهول؟

نعم، شرط توفر احتواءٍ وتهويةٍ مناسبين وفقًا للبند ١٢٠٦ من قواعد الإنشاء الدولية (IFC) والمعيار ٨٥٥ من الجمعية الوطنية لحماية من الحرائق (NFPA). وتُفضَّل كيمياء ليثيوم حديد فوسفات (LFP) للتركيبات الداخلية بسبب ارتفاع درجة حرارة بدء الانفلات الحراري فيها مقارنةً بكيمياء نيكل منغنيز كوبالت (NMC). وتوفِّر شركات مثل مجموعة سينوتك (Sinotech Group) تشكيلات أنظمة تخزين طاقة بطارية (BESS) مصمَّمة خصيصًا للنشر الداخلي.