Milyen biztonsági védelmi intézkedéseket alkalmaznak a BESS rendszerek?

Milyen biztonsági védelmi intézkedéseket alkalmaznak a BESS rendszerek?

Egy akkumulátoros energiatároló rendszer (BESS) megawattórányi energiát tömörít egy korlátozott területre. Ha a tervezési paraméterek között működik, évekig megbízhatóan töltődik és ürítődik. Amikor egyetlen elem egy százas nagyságrendű állványon belül hőfokozódásba kerül, a láncreakció percek alatt megsemmisítheti az egész konténert. Egy megfelelően tervezett BESS biztonsági architektúrája ezt a kockázatot négy független védelmi réteggel kezeli.

Első réteg: Az elem-szintű védelem az akkumulátor-kezelő rendszer (BMS) segítségével

Minden lítium-ion akkumulátorcella biztonságos működési tartománnyal rendelkezik egy BESS-ben, amelyet feszültség, hőmérséklet és áram határoz meg. Az akkumulátor-kezelő rendszer (BMS) minden cellát másodpercen belüli időközönként figyel. Amikor egy cella feszültsége 4,25 V fölé emelkedik töltés közben – az a küszöbérték, amely felett a lítiumlerakódás és a belső rövidzárlat kockázata gyorsan nő –, a BMS utasítást ad a teljesítményátalakító rendszernek, hogy csökkentse vagy teljesen állítsa le a töltőáramot az adott sorozatra. Amikor egy cella hőmérséklete 60 °C fölé emelkedik kisütés közben, a BMS lecsökkenti a sorozat teljesítményét vagy teljesen leválasztja azt.

A BMS az egészségi állapotot a tényleges kapacitás és a névleges kapacitás összehasonlításával követi nyomon. Egy olyan elem, amely eredeti kapacitásának 70%-ára romlott le, több hőt termel egy töltés–merítés ciklus alatt, mint egy egészséges elem, mert belső ellenállása növekedett. A BMS korai szakaszban azonosítja a cserére szoruló elemeket, mielőtt hőmérsékleti kockázatot jelentenének. A tapasztalt integrátorok modern rendszerei redundáns feszültség- és hőmérsékletérzékelést alkalmaznak – két független érzékelőt minden cellamodulhoz – így egyetlen érzékelő meghibásodása sem okozhat vakfoltot.

Második réteg: Hőkezelés és tartályozás

A hő egyaránt tünet és oka a meghibásodásnak. Egy 40 °C-os környezeti hőmérsékleten működő BESS-tároló konténer passzív hűtés nélkül a töltés–merítés ciklusok miatt a belső állványhőmérséklet 8–12 °C-kal emelkedik a környezeti hőmérséklet fölé. A 35 °C feletti folyamatos üzemelés exponenciálisan gyorsítja az akkumulátorelemek öregedését – kb. minden 10 °C-os növekedés a névleges hőmérséklet fölött megduplázza az öregedési sebességet. A folyadékhűtéses rendszerek, amelyek hűtőfolyadékot vezetnek a modulokkal közvetlen érintkezésben lévő hűtőlemezeken keresztül, az egész állványon belül ±2 °C-on belül tartják az elemről elemre mért hőmérsékletkülönbséget. Az erőltetett konvekciós levegőhűtéses rendszerek alacsonyabb sűrűségű telepítésekhez elegendők, de szélesebb hőmérsékleti gradienseket engednek meg.

A rácson belüli fizikai tartózkodás megakadályozza, hogy egyetlen elem meghibásodása terjedjen. Az egyes modulok között elhelyezett acél válaszfalak elnyelik és elosztják a helyi hőt. A tűzálló akadályok – amelyeknek az IEC 62485-5 szabvány szerint legalább 60 perces tűzállósági értékelése van – elkülönítik az akkumulátorracksokat a tárolóban található hajtástechnikai berendezésektől, transzformátoroktól és kapcsolóberendezésektől.

Harmadik réteg: Tűzérzékelés és tűzoltás

A termikus elszabadulás jellegzetes aeroszol-jelzést bocsát ki – elektrolit-gőzöket, szén-monoxidot és hidrogént –, amelyeket külön, a gázok kiszivárgását érzékelő szenzorok 3–5 perccel az elem felszabadulása vagy láng megjelenése előtt észlelnek. A korai érzékelés három egyidejű intézkedést indít el: az érintett sor villamos lekapcsolását, a tároló szellőztetőrendszerének aktiválását a gyúlékony gázok eltávolítása érdekében, valamint a tűzoltórendszer bekapcsolását.

Aeroszol-alapú tűzoltóanyagok a tartály belsejét káliumalapú részecskékkel töltik meg, amelyek molekuláris szinten megszakítják a égés láncreakcióját, és nem hagynak maradékot, amely károsítaná az elektronikai eszközöket. A vízalapú permetezőrendszerekkel ellentétben az aeroszol-rendszerek hatékonyak B-osztályú (folyékony elektrolit) tűz esetén is, és nem hoznak létre rövidzárlati útvonalakat a meggyűlt víz révén. Az NFPA 855 előírja, hogy az 50 kWh-nál nagyobb teljesítményű BESS-telepítéseket az akkumulátor-kémia típusának megfelelő automatikus tűzoltórendszerrel kell védeni.

Negyedik réteg: villamos elválasztás és hálózati leválasztás

Amikor a BESS vezérlőegysége hibás állapotot észlel – termikus, villamos vagy szerkezeti jellegűt – az első védőintézkedés mindig a villamos elválasztás. A DC-oldali érintkezők kinyílnak a teleprácsok és a teljesítményátalakító rendszer között. Ugyanakkor kinyílik az AC megszakító is a hálózattal való közös csatlakozási ponton, így a teljes BESS leválasztódik mind az energiabefektető forrástól (hálózati töltés), mind a terheléstől. Ez a galvanikus elválasztás megakadályozza a hibajárat terjedését, és biztosítja, hogy a konténerhez közeledő elsősegélynyújtók csak a fokozatosan csökkenő tárolt energiával szembesüljenek, nem pedig egy aktívan táplált villamos hibával.

Esettanulmány: Ipari BESS-telepítés túléli a hálózati feszültségcsúcsot

Egy gyártóüzem Délkelet-Ázsiában 2 MWh-os BESS-t telepített csúcsfogyasztás-csökkentésre és tartalékenergiaellátásra, amelyet egy integrált elektromos berendezéseket gyártó cég szállított Liaoning tartományból, Kínából. Egy tervezetlen hálózati újra-kapcsolódási esemény során 2,7-szeres névleges feszültség-tranziens keletkezett; a BMS 4 milliszekundumon belül észlelte a túlfeszültséget, és leválasztotta a DC érintkezőket, mielőtt a feszültségcsúcs elérte volna az akkumulátorcellákat. Az üzem termelővonalai a BESS-ről 22 percig folytatták a működést, miközben a hálózat stabilizálódott. A későbbi ellenőrzés során semmilyen cellakárosodást nem állapítottak meg, amit a BMS egészségi állapotot (state-of-health) nyilvántartó naplói is megerősítettek.

Gyakran Ismételt Kérdések

Milyen hőmérséklettartomány biztonságos a BESS üzemeltetéséhez?

A litiumvas-foszfát (LFP) cellák kisütés közben -20 °C és +60 °C között, töltés közben 0 °C és +45 °C között működnek biztonságosan. A fenti tartományokon kívüli üzemeltetés gyorsítja a degradációt. Az aktív hőkezelés fenntartja a cellákat az optimális 15–35 °C-os hőmérsékleti sávban a maximális ciklusélettartam érdekében.

Hogyan észleli a BMS a közelgő cellahibát?

A BMS figyeli a feszültségcsökkenést terhelés alatt, a belső ellenállás változásait és az egyes cellák feszültségének eltérését. Ha egy cella belső ellenállása több mint 30%-kal nő a kiindulási értékhez képest, vagy ha feszültsége több mint 100 mV-tal tér el a sor átlagától, figyelmeztetést generál.

Biztonságosak-e az aeroszol tűzoltórendszerek a BESS-hez?

Igen. A kálium-alapú anyagokat használó aeroszol rendszerek kifejezetten érvényesítve vannak a litium-ion akkumulátorokhoz tartozó tűzoltásra a UL 9540A tesztelési követelmények szerint. Nem hagynak hátra vezető maradványt, és nem okoznak elektromos veszélyt, amelyet a vízalapú rendszerek bevezetnek.

Mi a minimális távolság a BESS-tárolók között?

Az NFPA 855 3 láb (0,9 méter) minimális távolságot ír elő a BESS-tárolók között, illetve egy BESS-tároló és egy lakott épület között. A 250 kWh-nál nagyobb kapacitású telepítések esetén a helyi tűzvédelmi szabályzat módosításai szerint nagyobb távolság is szükséges lehet.

Milyen gyakran kell tesztelni a BESS biztonsági rendszereit?

A BMS feszültség- és hőmérséklet-kalibrációját évente ellenőrizni kell. A tűzoltó rendszer működését félévenként, a gyártó által megadott protokoll szerint kell tesztelni. A teljes kismerési kapacitás tesztelését ajánlott minden második évben állvány szintjén elvégezni.

Biztonságosan telepíthető-e egy BESS foglalt épületbe?

Igen, megfelelő burkolattal és szellőzéssel az IFC 1206 és az NFPA 855 előírásai szerint. Az LFP kémiai összetételű akkumulátorokat preferálják beltéri telepítéshez, mivel hőmérsékleti futóreakció-indítási hőmérsékletük magasabb, mint az NMC-é. Olyan szállítók, mint a Sinotech Group, olyan BESS-konfigurációkat kínálnak, amelyeket kifejezetten beltéri üzemeltetésre terveztek.