Jakie są środki ochrony bezpieczeństwa systemów BESS?

Jakie są środki ochrony bezpieczeństwa systemów BESS?

System magazynowania energii w bateriach (BESS) gromadzi megawatogodziny energii w ograniczonej przestrzeni. Działa on niezawodnie przez wiele lat, ładując się i rozładowując, o ile pracuje w ramach zaprojektowanych parametrów. Gdy pojedyncza komórka w rzędzie setek komórek wejdzie w stan termicznego ucieczkowego rozgrzewania się, reakcja łańcuchowa może zniszczyć cały kontener w ciągu kilku minut. Architektura bezpieczeństwa prawidłowo zaprojektowanego systemu BESS eliminuje to ryzyko za pomocą czterech niezależnych warstw ochrony.

Warstwa pierwsza: Ochrona na poziomie komórki poprzez system zarządzania baterią

Każda komórka litowo-jonowa w systemie magazynowania energii (BESS) ma bezpieczny zakres pracy określony napięciem, temperaturą i prądem. System zarządzania baterią (BMS) monitoruje każdą komórkę w odstępach krótszych niż sekunda. Gdy napięcie komórki przekroczy 4,25 V podczas ładowania — próg, powyżej którego wzrasta ryzyko osadzania się litu i zwarć wewnętrznych — BMS wydaje polecenie systemowi konwersji mocy zmniejszenia lub zatrzymania prądu ładowania dla tego łańcucha. Gdy temperatura komórki przekroczy 60 °C podczas rozładowywania, BMS obniża moc dostarczaną przez ten łańcuch lub całkowicie go odłącza.

System zarządzania baterią (BMS) śledzi stan zdrowia, porównując pojemność rzeczywistą z pojemnością nominalną. Komórka, której pojemność spadła do 70% pierwotnej wartości, generuje więcej ciepła w każdym cyklu ładowania i rozładowania niż komórka sprawna, ponieważ jej opór wewnętrzny wzrósł. BMS wskazuje kandydatów do wymiany jeszcze przed tym, jak staną się zagrożeniem termicznym. Nowoczesne systemy od doświadczonych integratorów wykorzystują redundantne pomiary napięcia i temperatury – dwa niezależne czujniki na każdy moduł komórek – dzięki czemu awaria pojedynczego czujnika nie powoduje utraty widoczności.

Warstwa druga: Zarządzanie temperaturą i ograniczanie

Ciepło jest zarówno objawem, jak i przyczyną awarii. Kontener BESS działający w środowisku o temperaturze otoczenia 40°C bez aktywnego chłodzenia doświadczy wzrostu temperatury wewnętrznej w szafie o 8–12°C powyżej temperatury otoczenia wyłącznie na skutek cykli ładowania i rozładowania. Długotrwała praca powyżej 35°C wywołuje wykładniczy wzrost degradacji ogniw — przybliżone podwojenie szybkości degradacji przy każdym wzroście temperatury o 10°C powyżej wartości nominalnej. Systemy chłodzenia cieczowego, w których czynnik chłodzący krąży przez płyty chłodzące w bezpośrednim kontakcie z każdym modułem, utrzymują różnicę temperatur między ogniwami na poziomie ±2°C w całej szafie. Systemy chłodzone powietrzem z wymuszonym przepływem są wystarczające dla instalacji o niższej gęstości mocy, lecz dopuszczają większe gradienty temperatur.

Fizyczne zawarcie w stelażu zapobiega rozprzestrzenianiu się awarii pojedynczej komórki. Stalowe przegrody między modułami pochłaniają i rozpraszają lokalne ciepło. Bariery odpornościowe na ogień z minimalnym czasem odporności 60 minut zgodnie z normą IEC 62485-5 oddzielają stelaże akumulatorów od elektroniki mocy, transformatorów oraz urządzeń przełączowych wewnątrz kontenera.

Warstwa trzecia: wykrywanie i gaszenie pożaru

Ucieczka termiczna emituje charakterystyczną aerozolową sygnaturę – parę elektrolitu, tlenek węgla i wodór – którą można wykryć za pomocą dedykowanych czujników gazów wtórnych 3–5 minut przed wypuszczeniem gazu przez komórkę lub pojawieniem się płomieni. Wczesne wykrycie uruchamia trzy jednoczesne działania: odłączenie elektryczne dotkniętego łańcucha, aktywację systemu wentylacji kontenera w celu usunięcia gazów łatwopalnych oraz uruchomienie systemu gaszenia.

Aerozolowe środki gaśnicze zalewają wnętrze pojemnika cząsteczkami opartymi na potasie, które przerywają łańcuchową reakcję spalania na poziomie molekularnym, nie pozostawiając pozostałości uszkadzających urządzenia elektroniczne. W przeciwieństwie do zraszaczy wodnych systemy aerozolowe skutecznie gaszą pożary klasy B (płynne elektrolity) i nie powodują zwarcia poprzez skupienie się wody. Norma NFPA 855 wymaga, aby instalacje BESS o pojemności przekraczającej 50 kWh były chronione automatycznym systemem gaśniczym odpowiednim dla chemii stosowanych akumulatorów.

Warstwa czwarta: izolacja elektryczna i odłączenie od sieci

Gdy kontroler systemu BESS wykrywa usterkę — termiczną, elektryczną lub strukturalną — pierwszą czynnością ochronną jest zawsze izolacja elektryczna. Styczniki po stronie prądu stałego otwierają się między szafami baterii a systemem konwersji mocy. Jednocześnie otwiera się wyzwalacz prądu przemiennego w punkcie wspólnego połączenia z siecią, odłączając cały system BESS zarówno od źródła energii (ładowania z sieci), jak i od obciążenia. Ta izolacja galwaniczna zapobiega rozprzestrzenianiu się prądu zwarciowego i zapewnia, że ratownicy przybliżający się do kontenera napotykają jedynie stopniowo malejącą energię zgromadzoną, a nie aktywnie zasilaną usterkę elektryczną.

Przypadek: Instalacja przemysłowa BESS przeżywa skok napięcia w sieci

Obiekt produkcyjny w Azji Południowo-Wschodniej zainstalował system magazynowania energii o pojemności 2 MWh (BESS) do ograniczania szczytowego zapotrzebowania mocy i zapewnienia zasilania awaryjnego, zakupiony od zintegrowanego dostawcy sprzętu elektrycznego z prowincji Liaoning w Chinach. Podczas nieplanowanego zdarzenia ponownego załączenia sieci, które wywołało przejściowe przekroczenie napięcia o 2,7-krotność wartości nominalnej, system zarządzania baterią (BMS) wykrył nadnapięcie w ciągu 4 milisekund i odłączył styczniki prądu stałego zanim fala przepięcia dotarła do komórek akumulatorowych. Linia produkcyjna obiektu kontynuowała pracę zasilana z BESS przez 22 minuty, podczas gdy sieć stabilizowała się. Inspekcja po zdarzeniu wykazała brak uszkodzeń komórek, co potwierdzono danymi logów BMS dotyczących stanu zdrowia systemu.

Często zadawane pytania

W jakim zakresie temperatur można bezpiecznie eksploatować BESS?

Komórki litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP) mogą być bezpiecznie rozładowywane w zakresie od −20 °C do 60 °C oraz ładowane w zakresie od 0 °C do 45 °C. Eksploatacja poza tymi zakresami przyspiesza degradację. Aktywny system zarządzania temperaturą utrzymuje komórki w optymalnym zakresie 15–35 °C, zapewniając maksymalną liczbę cykli życia.

W jaki sposób BMS wykrywa zbliżającą się awarię komórki?

System zarządzania baterią (BMS) monitoruje spadki napięcia pod obciążeniem, trendy oporu wewnętrznego oraz odchylenia napięcia między poszczególnymi ogniwami. Ostrzeżenie jest generowane w przypadku ogniwa, którego opór wewnętrzny wzrósł o ponad 30% w stosunku do wartości wyjściowej lub którego napięcie odchyla się o więcej niż 100 mV od średniej wartości napięcia w łańcuchu.

Czy systemy gaśnicze oparte na aerozolu są bezpieczne dla systemów magazynowania energii (BESS)?

Tak. Systemy aerozolowe wykorzystujące środki oparte na potasie zostały specjalnie zweryfikowane pod kątem pożarów akumulatorów litowo-jonowych zgodnie z wymaganiami testowymi UL 9540A. Nie pozostawiają one żadnych przewodzących pozostałości i nie powodują zagrożeń elektrycznych, jakie wprowadzają systemy oparte na wodzie.

Jaka jest minimalna odległość oddzielająca kontenery BESS?

Norma NFPA 855 wymaga minimalnej odległości 3 stopy (0,9 metra) pomiędzy kontenerami BESS lub pomiędzy kontenerem BESS a budynkiem użytkowym. W przypadku większych instalacji o pojemności przekraczającej 250 kWh może być wymagana większa odległość zgodnie z lokalnymi zmianami w przepisach przeciwpożarowych.

Jak często należy sprawdzać systemy bezpieczeństwa BESS?

Kalibrację napięcia i temperatury systemu BMS należy weryfikować co roku. Funkcjonalność systemu gaszenia pożaru należy testować co pół roku zgodnie z protokołem producenta. Zalecane jest przeprowadzanie pełnego testu pojemności rozładowania na poziomie stojaka co 2 lata.

Czy system BESS można bezpiecznie zainstalować w budynku użytkowym?

Tak, pod warunkiem odpowiedniej izolacji i wentylacji zgodnie z IFC 1206 oraz NFPA 855. Chemia LFP jest preferowana do instalacji wewnątrz budynków ze względu na wyższą temperaturę rozpoczęcia termicznego rozbiegu w porównaniu do chemii NMC. Dostawcy, tacy jak Sinotech Group, oferują konfiguracje BESS specjalnie zaprojektowane do wdrożenia w pomieszczeniach zamkniętych.