انتشار أنظمة تخزين طاقة البطاريات في حاويات (بيس) على مستوى الشبكة-لقد أحدثت التطبيقات على نطاق واسع تغييرًا جذريًا في كيفية تعامل مهندسي الحماية من الحرائق مع تخفيف المخاطر الحرارية. على عكس التركيبات الكهربائية التقليدية حيث يتبع سلوك الحريق ديناميكيات احتراق يمكن التنبؤ بها نسبيًا، فإن حرائق بطاريات أيون الليثيوم- تمثل وضع فشل متتالي متجذر في الانفلات الحراري الكهروكيميائي-سلسلة تفاعل طاردة للحرارة ذاتية الاستدامة- لم يتم تصميم منهجيات الإخماد التقليدية لمعالجتها مطلقًا. أدى انفجار McMicken عام 2019 في أريزونا، وحادثة Dahongmen في بكين عام 2021، والعديد من الحوادث الوشيكة- التي لم يتم الإبلاغ عنها إلى إعادة النظر بشكل كامل في كيفية تصميم أصول الطاقة هذه الموجودة في كل مكان بشكل متزايد وتقسيمها وحمايتها.
مشكلة الهروب الحراري (ولماذا لا يقتصر الأمر على "النار")
إليك ما لا يفهمه معظم مديري المشاريع بشكل كامل عندما يضغطون من أجل تحسين تكلفة إخماد الحرائق: حريق بطارية أيون الليثيوم- لا يعد حريقًا بالمعنى التقليدي. إنه مفاعل كيميائي أصبح في حالة حرجة.
عندما تدخل الخلية في حالة الهروب الحراري، يبدأ التسلسل عادةً بتحلل طبقة SEI عند درجة حرارة تبلغ حوالي 90-120 درجة. هذا يطلق الأكسجين داخليا. يبدأ القطب السالب بالتفاعل مع الإلكتروليت. تخضع مواد القطب الموجب للتحولات الطورية وتتحلل. يتبخر المنحل بالكهرباء ويحترق. كل هذا يحدث في علبة معدنية محكمة الغلق مضغوطة بتراكم الغازات: الهيدروجين وأول أكسيد الكربون والميثان والإيثيلين وفلوريد الهيدروجين.
الجدول الزمني؟ من الشذوذ الأولي إلى التنفيس العنيف: أحيانًا دقائق، وأحيانًا ثوانٍ.
ما يجعل أنظمة الحاويات غادرة بشكل خاص هو هندسة الفضاء الضيق. لديك مئات، وأحيانًا آلاف الخلايا، معبأة في حاوية ISO مقاس 20-قدمًا أو 40 قدمًا. تفشل إحدى الخلايا، وتسخن جيرانها من خلال التوصيل والإشعاع، وفجأة لا تتعامل مع حدث خلية واحدة، بل تشاهد الانتشار المتتالي عبر حامل كامل، ثم الرفوف المجاورة.
لقد قمت بمراجعة تقارير الحوادث حيث كان الوقت من الإنذار الحراري الأول إلى مشاركة الحاوية الكاملة أقل من أربع دقائق.
المشهد التنظيمي: خليط يتقارب ببطء
وبصراحة، يظل وضع المعايير في حالة من الفوضى-على الرغم من تحسنه.
لقد برز معيار NFPA 855 كمرجع فعلي في أسواق أمريكا الشمالية. وشددت نسخة 2023 المتطلبات بشكل كبير بعد سلسلة الأحداث في 2019-2021. تشمل الأحكام الرئيسية سعة الطاقة القصوى البالغة 600 كيلووات في الساعة لكل وحدة دون التحقق من صحة اختبار الحريق الإضافي، وحدود 50 كيلووات في الساعة لكل مجموعة بطارية، والحد الأدنى من التباعد بمقدار 3 أقدام بين الوحدات أو على الجدران.
تتخذ صحيفة بيانات FM Global 5-33 نهجًا أكثر تحفظًا في العديد من النواحي، لا سيما فيما يتعلق بمتطلبات تنفيس الحريق.
لقد تطورت البيئة التنظيمية في الصين بسرعة. كان معيار بكين المحلي DB11/T 1893 رائدًا عندما تم إصداره في عام 2021-أول معيار إقليمي يفرض مواصفات الحماية من الحرائق على مستوى-الحاوية. حددت T/CEC 373-2020 لأنظمة الكابينة الجاهزة LFP متطلبات القمع على مستوى الوحدة والتي لم تتطابق بعد مع العديد من المعايير الدولية.
ما يحبطني بشأن الوضع الحالي هو أنه لا يوجد حتى الآن أي تنسيق دولي حقيقي. قد لا يفي النظام المصمم وفقًا للمعايير الصينية بمتطلبات اختبار الحرائق على نطاق واسع UL 9540A-. قد لا يتوافق النظام الذي يجتاز موافقة FM مع معايير EN الأوروبية. بالنسبة للمطورين متعددي الجنسيات، يؤدي هذا إلى حدوث مشكلات حقيقية في مجال الشراء.
تخطيط الحاوية: هندسة البقاء
تختلف متطلبات المسافة الفاصلة أكثر مما ينبغي عبر الولايات القضائية، ولكن الفيزياء الأساسية متسقة: أنت تحاول منع انتقال الحرارة الإشعاعي من إشعال الوحدات المجاورة مع الحفاظ على الوصول في حالات الطوارئ.
تحدد المعايير الصينية مسافة 4 أمتار كحد أدنى بين وحدات الحاويات، ويمكن تقليلها فقط باستخدام حواجز حريق مصنفة لمدة 4 ساعات تمتد لمسافة 1 متر خارج غلاف الحاوية من جميع الجوانب. يدعو NFPA إلى خط أساسي يبلغ 20 قدمًا (حوالي 6 أمتار)، ويمكن تقليله إلى الصفر بشكل أساسي مع حواجز مدتها 3 ساعات.
تحاول معظم المشاريع التي رأيتها تقليل مساحة الأرض-التي تكلف أموالاً، في نهاية المطاف. ويصبح نهج الحاجز جذابا. ولكن هنا تكمن المشكلة العملية: تلك الحواجز تحتاج إلى البقاء ليس فقط الحرارة الإشعاعية ولكن أيضًا الضغط الزائد الناتج عن الاحتراق المحتمل. جدار CMU القياسي لن يقطعه. أنت بحاجة إلى خرسانة مسلحة أو ما يعادلها، مثبتة بشكل صحيح، مع عدم وجود اختراقات يمكن أن تؤثر على التقييم.
أصبح نشر القصة الفردية-يصبح عالميًا تقريبًا الآن لسبب وجيه. تمت محاولة تكديس الحاويات لفترة وجيزة من قبل بعض شركات التكامل التي تسعى إلى كثافة الطاقة. لقد قتلت تحديات القمع ومضاعفات الخروج هذا النهج بسرعة.
اعتبارات تحديد الموقع التي غالبًا ما يتم التغاضي عنها:
المسافة إلى خطوط الملكية والطرق العامة لها أهمية كبيرة في الاستجابة لحالات الطوارئ. يوجد ارتداد يبلغ 30- مترًا من خطوط السكك الحديدية وفقًا للمعايير الصينية بسبب سيناريو الانحراف عن المسار + حريق BESS=وهو السيناريو الكارثي الذي لا يرغب أحد في التفكير فيه. لا يقتصر القرب من مصادر المياه الطبيعية على توفير إمدادات إخماد فحسب-بل يتعلق بقدرة التبريد المستدامة لإدارة الحرارة بعد الحادث والتي يمكن أن تستمر لعدة أيام.
ما هو في الواقع داخل الصندوق
إن BESS الحديثة المعبأة في حاويات ليست مجرد بطاريات محشورة في حاوية شحن. لقد تطورت البنية الداخلية بشكل كبير.
ستجد عادةً رفوف البطاريات تشغل منطقة واحدة، مع معدات تحويل الطاقة (العاكسات، ومحولات التيار المستمر-) في حجرة منفصلة مقسمة بحاجز حريق داخلي. الأساس المنطقي: تتصرف حرائق المعدات الكهربائية بشكل مختلف عن أحداث الانفلات الحراري للبطارية وتتطلب أساليب إخماد مختلفة.
تنقسم الإدارة الحرارية إلى قسمين: تبريد الهواء-و تبريد السائل-.
تعتبر أنظمة تبريد الهواء- أبسط وأرخص وملائمة للتركيبات ذات المناخ المعتدل. يمكن أن تصل فروق درجات الحرارة عبر مجموعة البطاريات إلى 8-10 درجات تحت الحمل - وهي ليست مثالية لطول العمر أو هوامش الأمان، ولكنها قابلة للتطبيق.
أصبحت أنظمة التبريد السائل-المعيار المتميز للتركيبات عالية الأداء-. أصبحت الهندسة متطورة: مسارات تدفق متوازية تضمن أن كل خلية ترى درجة حرارة مكافئة لسائل التبريد، وخليط ماء الجليكول-مع تركيز يتم التحكم فيه بعناية، وأنظمة اكتشاف التسرب لأن اتصال سائل التبريد بقضبان التوصيل ذات الجهد العالي-يخلق فئة خطر خاصة به.
أفضل التصميمات المبردة بالسوائل- تحقق تباينًا في درجة حرارة الخلية-إلى-الخلية أقل من 3 درجات. يُترجم هذا التوحيد مباشرةً إلى تقليل مخاطر الانفلات الحراري وإطالة عمر الدورة.
الكشف: السباق ضد الكيمياء
هذا هو المكان الذي أشعر فيه بالشغف، لأن الاكتشاف هو المكان الذي لا تزال معظم الأنظمة تفشل فيه.
إن الكشف التقليدي عن الدخان والحرارة-الأشياء التي تعمل بشكل جيد في مباني المكاتب-غير ملائم على الإطلاق للتعامل مع الانفلات الحراري للبطارية. بحلول الوقت الذي يكون فيه دخان مرئي أو ارتفاع كبير في درجة الحرارة المحيطة في الحاوية، تكون قد خسرت بالفعل. لقد تم إنشاء الهروب، ومن المرجح أن يكون الانتشار، ونظام القمع الخاص بك يقاوم إجراءً خلفيًا.
لا يمكن التفاوض بشأن اكتشاف الغاز-في أي عملية تثبيت جدية.
يعد بصمة الغاز المنبعثة من خلايا أيون الليثيوم- المنبعثة مميزة: يظهر الهيدروجين أولاً ويرتفع بشكل أسرع، يليه أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات المختلفة. نظام جيد التصميم-يراقب على مستوى الحامل، وليس فقط الغلاف الجوي المحيط للحاوية. من المفترض أن يؤدي وصول تركيز الهيدروجين إلى 1000 جزء في المليون إلى إجراء تحقيق فوري. . 5000 جزء في المليون يعني أنك تقترب من حدود الانفجار الأدنى وتحتاج إلى استجابة تلقائية.
تقوم بعض التركيبات الأحدث بتجربة اكتشاف بخار الإلكتروليت-الذي يستهدف على وجه التحديد الكربونات التي تتكون منها معظم تركيبات إلكتروليت أيون الليثيوم-. تعتبر هذه التكنولوجيا واعدة ولكنها ليست ناضجة بدرجة كافية للتطبيقات التي تتطلب تعليمات برمجية-.
يظل اكتشاف شذوذ الجهد والتيار من خلال نظام إدارة المباني هو خط دفاعك الأول.
ستظهر الخلية التي تطور دائرة قصر داخلية انخفاضًا في الجهد قبل أن تصبح التوقيعات الحرارية واضحة. ويتمثل التحدي في التمييز بين الإشارات الأولية الحقيقية وبين التباين التشغيلي الطبيعي عبر آلاف الخلايا التي تتمتع بتفاوتات تصنيعية متأصلة.
الأنظمة المتطورة حقًا تتضمن المراقبة الصوتية الآن. تنتج الخلايا التي تقترب من الهروب الحراري توقيعات بالموجات فوق الصوتية المميزة مع تزايد الضغط الداخلي. لا تزال تجريبية، ولكن الفيزياء سليمة.
القمع: المناقشة الكبرى
قم بزيارة أي جلسة مؤتمر حول الحماية من الحرائق في BESS وستجد خلافًا حادًا حول اختيار عامل الإخماد. سأعطيك وجهة نظري، بناءً على أدبيات البحث وحالات ما بعد الوفاة-الحوادث.
يفوز الماء بالإدارة الحرارية. فترة.
الديناميكا الحرارية لا لبس فيها. يعد الانفلات الحراري لأيون الليثيوم- مشكلة حرارية في الأساس. التفاعلات الداخلية هي -تتأكسد ذاتيًا- ولا يمكنك خنقها بإزاحة الأكسجين. يمكنك فقط امتصاص ما يكفي من الحرارة لخفض درجات حرارة الخلية إلى ما دون عتبة التفاعل.
إن حرارة تبخر الماء (2,260 كيلوجول/كجم) لا مثيل لها من قبل أي بديل عملي. يمنحك رذاذ الماء الناعم امتصاصًا للحرارة من خلال كميات مياه يمكن التحكم فيها وتقليل مخاوف التوصيل الكهربائي.
تعكس متطلبات معيار بكين لقدرة الغمر الكامل للخلايا خلال 10 دقائق هذا الواقع. عندما يفشل كل شيء آخر، تقوم بإغراق الحاوية.
لكن كبح الغازات له دوره-خاصًا في التدخل المبكر.
يمكن لـ Heptafluoropropane (FM-200/HFC-227ea) والبيرفلوروهكسانون الأحدث (Novec 1230/FK-5-1-12) أن يطفئ اللهب المكشوف بسرعة ويوفر بعض التبريد من خلال التبخر. إنها مفيدة في رصد الأحداث مبكرًا، قبل أن ينشأ الانفلات الحراري بشكل كامل، أو لإخماد الحرائق الثانوية في المعدات الكهربائية.
المشكلة:لا يتوقفون عن الانتشار بمجرد حدوثه. لا تزال الخلية تولد الحرارة داخليًا. يتبدد تركيز الغاز. يتبع ذلك عصر النهضة.
يعتبر النهج المركب الآن أفضل الممارسات: إخماد الغاز لإخماد اللهب بشكل فوري، يليه رذاذ الماء للتحكم الحراري المستمر، مع قدرة الطوفان الكاملة كدعم نهائي.
كلمة حول الاهتمامات البيئية للعامل النظيف:ومن المقرر التخلص التدريجي من HFC-227ea بموجب تعديل كيغالي. يتمتع FK-5-1-12 بإمكانية ضئيلة لظاهرة الاحتباس الحراري وليس له أي تأثير على الأوزون. ومن الواضح أن الصناعة تتجه نحو البيرفلوروهكسانون، على الرغم من أن سلاسل التوريد والأسعار لم تستقر بشكل كامل.
التهوية والحماية من الانفجار
هذا هو المكان الذي رأيت فيه أخطر عملية خفض للتكاليف-.
حاوية مليئة بخلايا بطارية التنفيس تتراكم خليط الغاز القابل للاشتعال في مكان ضيق. الحد الأدنى للانفجار للهيدروجين هو 4% في الهواء. للوصول إلى هذا التركيز، قم بإدخال مصدر الإشعال-الذي يمكن أن يكون بسيطًا مثل القوس الناتج عن موصل فاشل-وسوف تحصل على الاحتراق. في حاوية مغلقة، يتحول الحريق إلى انفجار.
لقد علمنا ماكميكن هذا الدرس مع أربعة من رجال الإطفاء المصابين.
التهوية النشطة إلزامية.يدعو المعيار الصيني إلى إجراء 30 تغييرًا للهواء في الساعة كحد أدنى للتهوية في حالات الطوارئ، ويتم تشغيلها تلقائيًا عندما تكتشف أجهزة استشعار الغاز تركيزات تتجاوز 5% من الحد الأدنى للانفجار. يوفر NFPA 69 إرشادات التصميم لأنظمة منع الحريق.
تعتبر لوحات التهوية السلبية-النفخ-المصممة لتخفيف الضغط قبل حدوث فشل هيكلي-مطلوبة في معظم الولايات القضائية. إن حسابات الحجم وفقًا لمعايير NFPA 68 ليست -تافهة وتعتمد على حجم العلبة وضغط تنشيط فتحة التهوية وسرعة اللهب المتوقعة.
تحديد الموقع مهم: يجب أن يتم تفريغ فتحات التهوية بعيدًا عن مسارات الخروج ومناطق انطلاق الاستجابة للطوارئ. لقد قمت بمراجعة التصاميم حيث ستنفجر ألواح التهوية مباشرة في ممر الوصول. هذه وصفة لسقوط ضحايا من رجال الإطفاء.
سؤال LFP مقابل NMC
إن اختيار كيمياء البطارية له آثار تتعلق بالسلامة من الحرائق والتي تمتد إلى ما هو أبعد من مقارنات الاستقرار الحراري البسيطة.
حلت خلايا فوسفات حديد الليثيوم (LFP) محل كيمياء النيكل-المنغنيز-الكوبالت (NMC) إلى حد كبير في تطبيقات التخزين الثابتة، مدفوعة بشكل كبير باعتبارات السلامة. تدعم الأرقام هذا التحول: عادةً ما تحدث بداية الهروب الحراري LFP أعلى من 270 درجة مقابل 150-200 درجة لتركيبات NMC عالية النيكل. معدلات إطلاق الحرارة أثناء الهروب هي النصف تقريبًا. يتم تقليل توليد غاز الفلورايد السام.
لكن LFP ليس "آمنًا" بطبيعته-إنه أكثر أمانًا. يظل الهروب الحراري ممكنًا في ظل ظروف سوء الاستخدام الكافية. لا يزال الانتشار يحدث. يوفر وضع الفشل ببساطة هامشًا أكبر للاكتشاف والتدخل.
ما يقلقني بشأن السرد الحالي للسوق: يتعامل بعض المطورين مع كيمياء LFP كبديل للحماية القوية من الحرائق بدلاً من كونها مكملة لها. هذا تفكير خطير سيؤدي في النهاية إلى وقوع حوادث.
ما يظهره سجل الحادث فعليًا
أحتفظ بقاعدة بيانات غير رسمية لحوادث حريق BESS-التقارير العامة، ومطالبات التأمين التي تمكنت من الوصول إليها، والاتصالات غير الرسمية من جهات الاتصال في الصناعة. الأنماط مفيدة.
تتجمع الأسباب الجذرية حول بضع فئات:
من المحتمل أن تكون عيوب التصنيع-التلوث الداخلي، والمحاذاة غير الكافية للأقطاب الكهربائية، وتلف الفواصل-تمثل الحصة الأكبر، على الرغم من أن الإسناد النهائي غالبًا ما يكون مستحيلًا بعد التدمير الحراري. تساهم حالات فشل BMS التي تسمح بالشحن الزائد أو الشحن غير المتوازن بشكل كبير. لا يتم تقدير الأضرار الخارجية أثناء الشحن والتركيب كبادئ.
قد تتجاوز الأعطال الكهربائية عند منبع البطاريات-أعطال قوس التيار المستمر، وضعف التوصيل الذي يؤدي إلى تسخين مقاوم، والأعطال الأرضية-حالات فشل البطارية الكاملة كمسببات للحريق بشكل إجمالي.
تختلف فعالية الاستجابة بشكل كبير.تحتوي المواقع التي تحتوي على مستوى -وحدة اكتشاف الغاز والقمع الآلي السريع على أحداث على رفوف فردية. كثيرًا ما تفقد المواقع التي تعتمد فقط على اكتشاف مستوى الحاوية-الوحدة بأكملها. لا تزال استجابة إدارة الإطفاء لحوادث BESS غير متسقة-تفتقر العديد من الإدارات إلى التدريب على هذه المخاطر المحددة وتلجأ إلى حماية المحيط الدفاعي بدلاً من القمع النشط.
تعتبر مشكلة الإدارة الحرارية-في مرحلة ما بعد الحادث حقيقية وتؤدي إلى تمديد الجداول الزمنية بشكل كبير. يمكن للبطاريات التي خضعت للهروب الحراري أن تشتعل من جديد بعد ساعات أو أيام حيث تتبدد الطاقة المتبقية من خلال التفاعلات الداخلية المشتعلة. إن متطلبات التبريد والمراقبة الممتدة تضغط على موارد الاستجابة لحالات الطوارئ.
توصيات التصميم العملي
بعد كل التحليل التنظيمي والتحليل الفني، ما الذي يهم بالفعل بالنسبة للتثبيت الجديد؟
احصل على التباعد الصحيح.لا تقلل من توفير الأراضي الهامشية. تكلفة حادث كبير واحد تتجاوز عقودا من دفعات الإيجار الإضافية.
استثمر في الكشفاستشعار متعدد المعلمات-على مستوى الحامل-شذوذ الغاز ودرجة الحرارة والجهد-باستخدام بروتوكولات الاستجابة الآلية. تعتبر التكلفة الإضافية مقارنة بالكشف الأساسي عن الدخان تافهة مقارنة بقيمة تخفيف المخاطر.
تصميم لمنع الانتشار.افترض أن الخلية سوف تفشل. افترض أن الوحدة ستفشل. السؤال هو ما إذا كنت قد احتوته هناك.
خطة لوصول رجال الاطفاء.يحتاج المستجيبون للطوارئ إلى الاقتراب وتطبيق عوامل القمع والانسحاب بأمان. خطوط البصر مهمة. تحول نصف القطر للمادة الجهاز. قدرة إمدادات المياه مهمة.
اللجنة بشكل صحيح.لقد رأيت أنظمة لم يتم فيها اختبار نظام القمع فعليًا باستخدام تدفق الوكيل. حيث لم تتم معايرة أجهزة الكشف عن الغاز بشكل صحيح. حيث لم يعمل تكامل إنذار BMS مع لوحة الحريق. يكلف التشغيل أموالاً ولكنه يجد هذه المشكلات قبل أن تصبح مساهمًا في الحادث.
نتطلع إلى الأمام
تستمر التكنولوجيا في التطور. تعد البطاريات ذات الحالة الصلبة- بتحسينات متأصلة في الاستقرار الحراري والتي يمكن أن تؤدي في النهاية إلى تقليل متطلبات الحماية من الحرائق. تُظهر خوارزميات BMS المتقدمة التي تتضمن التعلم الآلي وعدًا بالكشف المبكر عن الحالات الشاذة. يمكن أن يوفر منع مستوى الوحدة - المدمج في تصميم حزمة البطارية أوقات استجابة مستحيلة حاليًا مع الأنظمة الخارجية.
ولكننا نقوم اليوم بنشر تكنولوجيا اليوم، على نطاق واسع، في الشبكات في جميع أنحاء العالم. يجب أن تتطابق أساليب الحماية من الحرائق مع ملف تعريف المخاطر لما يتم تركيبه فعليًا-وليس التحسينات المستقبلية النظرية.
يبقى التحدي الأساسي دون تغيير: نحن نخزن كميات هائلة من الطاقة الكهروكيميائية في مساحات مدمجة، وهذه الطاقة تريد إطلاقها. مهمتنا هي ضمان إصداره وفقًا لشروطنا، وليس بشروطنا.
شارك المؤلف في هندسة الحماية من الحرائق لأنظمة تخزين الطاقة منذ عام 2017 وقدم استشارات في مشاريع عبر مناطق أمريكا الشمالية-والمحيط الهادئ. الآراء المعبر عنها هي آراء مهنية ويجب ألا تكون بديلاً عن التحليل الهندسي الخاص بالمشروع-.