Aké sú opatrenia na zabezpečenie bezpečnosti BESS?

Aké sú opatrenia na zabezpečenie bezpečnosti BESS?

Systém na ukladanie energie v batériách (BESS) zabalený do obmedzeného priestoru obsahuje megawatthodiny energie. Pri prevádzke v rámci návrhových parametrov sa spoľahlivo nabíja a vybíja po niekoľko rokov. Ak sa jedna bunka v stojane s niekoľkými stovkami buniek dostane do stavu tepelnej nestability, reťazová reakcia môže po niekoľkých minútach zničiť celý kontajner. Bezpečnostná architektúra správne navrhnutého systému BESS túto rizikovú situáciu rieši prostredníctvom štyroch nezávislých ochranných vrstiev.

Prvá vrstva: Ochrana na úrovni buniek prostredníctvom systému riadenia batérií

Každá litio-iónová článok v BESS má bezpečné pracovné okno definované napätím, teplotou a prúdom. Systém riadenia batérií (BMS) monitoruje každý článok v intervaloch kratších ako jedna sekunda. Keď sa napätie článku počas nabíjania prekročí 4,25 V – hranicu, nad ktorou sa zvyšuje riziko usadzovania litia a vnútorných skratov – BMS dá pokyn systému premeny energie, aby znížil alebo úplne zastavil nabíjací prúd pre daný sériový spoj. Keď sa teplota článku počas vybíjania prekročí 60 °C, BMS zníži výkon sériového spoja alebo ho úplne odpojí.

BMS sleduje stav zdravia porovnaním skutočnej kapacity s menovitou kapacitou. Bunka, ktorá sa degradovala na 70 % pôvodnej kapacity, generuje viac tepla počas každého cyklu nabíjania a vybíjania ako zdravá bunka, pretože jej vnútorný odpor stúpol. BMS označuje bunky, ktoré je potrebné vymeniť, ešte predtým, než sa stanú tepelnými rizikami. Moderné systémy od skúsených integrátorov používajú redundatné meranie napätia a teploty – dva nezávislé senzory na každý modul buniek – takže zlyhanie jediného senzora nemôže vytvoriť slepú zónu.

Druhá vrstva: Tepelné riadenie a obsahovanie

Teplo je zároveň príznakom aj príčinou poruchy. BESS kontajner, ktorý pracuje v prostredí s okolitou teplotou 40 °C bez aktívneho chladenia, bude mať vnútornú teplotu stojanov vyššiu o 8–12 °C nad okolitou teplotou iba v dôsledku cyklov nabíjania a vybíjania. Trvalý prevádzkový režim nad 35 °C exponenciálne zrýchľuje degradáciu článkov – približne zdvojnásobuje rýchlosť degradácie pri každom zvýšení teploty o 10 °C nad nominálnu hodnotu. Systémy kvapalinového chladenia, ktoré cirkulujú chladiacu kvapalinu cez chladiace dosky v priamom kontakte s každým modulom, udržiavajú rozdiel teplôt medzi jednotlivými článkami v rámci celého stojana v rozmedzí ±2 °C. Vzduchom chladené systémy s núteným prenosom tepla sú vhodné pre inštalácie s nižšou hustotou, avšak umožňujú širšie teplotné gradienty.

Fyzické uzavretie v rámčeku zabraňuje šíreniu poruchy jednej bunky. Oceľové deliace dosky medzi modulmi absorbuje a rozptyľuje lokálne teplo. Požiarovzdorné bariéry s minimálnym hodnotením 60 minút podľa normy IEC 62485-5 oddelujú batériové rámčeky od výkonových elektronických zariadení, transformátorov a prepínačov v kontajneri.

Tretia vrstva: Detekcia a potláčanie požiaru

Termický rozbeh uvoľňuje charakteristický aerosólový signál – paru elektrolytu, oxid uhličitý a vodík – ktorý je možné zistiť pomocou špeciálnych senzorov pre odvádzané plyny 3 až 5 minút pred tým, ako sa bunka začne vyberať alebo sa objavia plamene. Včasná detekcia spustí tri súčasné akcie: elektrické odpojenie postihnutého reťazca, aktiváciu ventilačného systému kontajnera na odstránenie horľavých plynov a spustenie systému potláčania požiaru.

Aerosólové prostriedky na potláčanie požiarov zaplavujú vnútorný priestor kontajnera druhmi častíc založenými na draslíku, ktoré na molekulárnej úrovni prerušujú reťazovú reakciu horenia bez zanechania nečistôt škodlivých pre elektroniku. Na rozdiel od vodných sprinklerov sú aerosólové systémy účinné pri požiaroch triedy B (kvapalné elektrolyty) a nevytvárajú cesty skratu cez nashromáždenú vodu. Norma NFPA 855 vyžaduje, aby inštalácie BESS s kapacitou vyššou ako 50 kWh boli chránené automatickým systémom na potláčanie požiarov vhodným pre chemické zloženie batérií.

Štvrtá vrstva: Elektrické oddelenie a odpojenie od siete

Keď regulátor BESS zaznamená poruchový stav – tepelný, elektrický alebo štrukturálny – prvou ochrannou akciou je vždy elektrické oddelenie. Kontaktné spínače na DC strane sa otvoria medzi batériovými stojanmi a systémom premeny energie. Súčasne sa otvorí striedavý vypínač v bode spoločného pripojenia k sieti, čím sa celý systém BESS odpojí od zdroja energie (nabíjania zo siete) aj od zaťaženia. Toto galvanické oddelenie zabráni šíreniu poruchového prúdu a zabezpečí, že prvé zásahové tímy, ktoré sa blížia k kontajneru, sa stretávajú len s postupne klesajúcou uloženou energiou, nie s aktívne napájanou elektrickou poruchou.

Prípad: Priemyselná inštalácia BESS odoláva prepäťovému nárazu v sieti

Výrobné zariadenie v juhovýchodnej Ázii inštalovalo BESS s kapacitou 2 MWh na vyrovnávanie špičkového zaťaženia a ako záložný zdroj energie, ktoré dodal integrovaný dodávateľ elektrických zariadení z provincie Liaoning v Číne. Po neplánovanom opätovnom zapnutí siete, ktoré spôsobilo prechodné napätie 2,7-násobku menovitého napätia, systém BMS zaznamenal prebytok napätia do 4 milisekúnd a odpojil DC kontaktory, kým sa prechodný jav nedostal k batériovým článkom. Výrobná linka zariadenia pokračovala v prevádzke pomocou energie z BESS po dobu 22 minút, kým sa sieť nestabilizovala. Po udalosti sa pri kontrolnom prehliadnutí potvrdilo, že žiadny článok netrpel poškodením, čo potvrdzujú záznamy BMS o stave zdravia systému.

Často kladené otázky

V akom teplotnom rozsahu je prevádzka BESS bezpečná?

Lítium-železo-fosfátové (LFP) články sa bezpečne prevádzkujú v rozsahu -20 °C až 60 °C pri vybájaní a v rozsahu 0 °C až 45 °C pri nabíjaní. Prevádzka mimo týchto rozsahov urýchľuje degradáciu. Aktívne tepelné riadenie udržiava články v optimálnom rozsahu 15–35 °C, čím sa dosiahne maximálny počet cyklov.

Ako BMS zisťuje blížiacu sa poruchu článku?

BMS monitoruje pokles napätia za zaťaženia, trendy vnútorného odporu a odchýlku napätia medzi jednotlivými článkami. Upozornenie sa spustí v prípade článku, ktorého vnútorný odpor stúpol o viac ako 30 % oproti východiskovej hodnote, alebo ktorého napätie sa odchýli o viac ako 100 mV od priemerného napätia reťazca.

Sú aerosólové systémy na potláčanie požiarov bezpečné pre BESS?

Áno. Aerosólové systémy používajúce draslíkové činidlá sú špecificky overené pre požiare lítiových batérií podľa testovacích požiadaviek UL 9540A. Nezanechávajú žiadny vodivý zvyšok a nevytvárajú elektrické nebezpečenstvá, ktoré spôsobujú systémy založené na vode.

Aká je minimálna vzdialenosť medzi kontajnermi BESS?

NFPA 855 vyžaduje minimálnu vzdialenosť 3 stopy (0,9 metra) medzi kontajnermi BESS alebo medzi kontajnerom BESS a obývanou budovou. Pre väčšie inštalácie s celkovou kapacitou vyššou ako 250 kWh môžu miestne úpravy požiarnej normy vyžadovať väčšiu vzdialenosť.

Ako často by sa mali testovať bezpečnostné systémy BESS?

Kalibrácia napätia a teploty BMS by sa mala overovať raz ročne. Funkčnosť systému na potláčanie požiarov sa má testovať dvakrát ročne podľa protokolu výrobcu. Úplné testovanie výdrže pri vybíjaní na úrovni stojanu sa odporúča každé dva roky.

Je možné BESS bezpečne inštalovať v obsadenom budove?

Áno, za predpokladu primeranej izolácie a vetrania v súlade s IFC 1206 a NFPA 855. Chemické zloženie LFP je pre inštalácie vo vnútorných priestoroch uprednostňované kvôli vyššej teplote, pri ktorej nastáva tepelný rozbeh, v porovnaní s NMC. Dodávatelia ako Sinotech Group ponúkajú konfigurácie BESS špeciálne navrhnuté pre inštaláciu vo vnútorných priestoroch.