صناعة تخزين الطاقة تدخل مرحلة نمو سريعة، مما يعزز زخم حلول السلامة من الحرائق

الحوادث المتكررة في تخزين الطاقة تدفع الطلب المتزايد على السلامة من الحرائق في ESS

تخزين الطاقة الكهروكيميائية جهاز كيميائي متكامل عالي الاستهلاك للطاقة. في حال إساءة استخدام البطارية، كالشحن الزائد، والتفريغ الزائد، والتيار الزائد، والتسرب الحراري، وقصر الدائرة الداخلية، سيؤدي ذلك بسهولة إلى تراكم الحرارة داخلها. بمجرد تجاوز النقطة الحرجة، يحدث تسرب حراري، وينتشر بسرعة، وينتشر بين وحدات البطارية، وخزاناتها، وحتى حجرات تخزين الطاقة. ستؤدي الغازات القابلة للاشتعال المنبعثة عند احتراق البطارية إلى إطالة وقت الاحتراق، وزيادة صعوبة إخمادها، بل وحتى إلى انفجار، مما يؤدي في النهاية إلى أضرار جسيمة على المستوى الاقتصادي والشخصي.

نسب أنواع البطاريات في حوادث تخزين الطاقة (الوحدة: %)

تحدث الحوادث في محطات تخزين الطاقة بشكل متكرر، ويجب معالجة مشكلات سلامة تخزين الطاقة بشكل عاجل: وفقًا للإحصاءات غير المكتملة من الشبكة الدولية للطاقة، وقع ما مجموعه 37 انفجارًا لمحطات تخزين الطاقة في جميع أنحاء العالم من عام 2011 إلى يناير 2022، منها 4 انفجارات في الصين. في 16 أبريل 2021، تسبب حادث محطة تخزين الطاقة في شركة Beijing Guoxuan Fuweis Solar Storage and Charging Technology Co.، Ltd. في وفاة شخص واحد وتوفي اثنان من رجال الإطفاء وأصيب رجل إطفاء واحد وخسائر مباشرة في الممتلكات بلغت 16.61 مليون يوان؛ من منظور حوادث المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة، وفقًا للبيانات الصادرة عن مكتب الإطفاء والإنقاذ التابع لوزارة إدارة الطوارئ، في الربع الأول من عام 2022، تم الإبلاغ عن ما مجموعه 640 حريقًا لمركبات تعمل بالطاقة الجديدة في الصين، بزيادة قدرها 32٪ عن نفس الفترة من العام الماضي؛ من منظور نوع بطارية الحادث، فإن 82% من حوادث تخزين الطاقة كانت بسبب بطاريات الليثيوم الثلاثية، وذلك بشكل أساسي لأن درجة حرارة تحلل مادة القطب الموجب للبطارية الليثيوم الثلاثية هي 200 درجة مئوية فقط، وهي عرضة للهروب الحراري وبالتالي الحريق.

الإنذار المبكر: خط الدفاع الأول لسلامة أنظمة الطاقة المتجددة، مع التطور مع متطلبات أكثر صرامة للحد من الانبعاثات الحرارية

الإنذار المبكر: تتزايد متطلبات التسرب الحراري، مما يزيد من متطلبات تقنية الإنذار المبكر. تدمج تقنية الإنذار المبكر من التسرب الحراري بشكل أساسي آلية سلامة فشل البطارية مع تقنية الذكاء الاصطناعي للبيانات الضخمة لإنشاء نماذج إنذار مبكر للسلامة لمختلف أوضاع الأعطال. تشمل الأمثلة الشائعة قصر الدائرة الداخلية للبطارية، وترسب الليثيوم، واختلال السعة، وغيرها. تتجلى هذه التغيرات غير الطبيعية في البطارية على شكل اختلالات أو مسارات غير طبيعية للجهد ودرجة الحرارة والتيار وغيرها من البيانات في بيانات تشغيل البطارية. من خلال التحليل متعدد الأبعاد للجهد والتيار ودرجة الحرارة وغيرها من البيانات المسجلة بواسطة نظام إدارة البطارية (BMS) أثناء تشغيل البطارية، يمكن تحديد معلومات أعطال البطارية، وتقييم مخاطر سلامتها لتحقيق غرض الإنذار المبكر. مع التحسين المستمر لمتطلبات الصناعة للتسرب الحراري، تمت زيادة هدف التسرب الحراري من 5 دقائق إلى 30 دقيقة و60 دقيقة، وحتى أكثر من 24 ساعة دون نيران مكشوفة/دون انتشار، مما يزيد من متطلبات تقنية الحماية من التسرب الحراري وإخماده لنظام بطاريات الطاقة.

في المستقبل، لا يزال من الضروري تطوير أجهزة استشعار أكثر حساسية وموثوقية بالاعتماد على الأنظمة الحالية وخفض تكلفتها، مع دراسة إمكانية وجود أساليب إنذار مبكر أكثر فعالية لتحسين سلامة وموثوقية أنظمة بطاريات أيونات الليثيوم. على سبيل المثال، في أنظمة الإنذار المبكر التي تعتمد على درجة الحرارة كمعلمة مميزة رئيسية، تُعاني المزدوجات الحرارية أو المستشعرات المستخدمة سابقًا لقياس درجة حرارة السطح مباشرةً من بعض الأخطاء. حاليًا، يدرس الخبراء والباحثون استخدام أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء أو المستشعرات المدمجة لتحسين دقة بيانات درجة الحرارة المقاسة. في المستقبل، يمكن استخدام أساليب قياس درجة حرارة أكثر دقة ومستشعرات درجة حرارة مدمجة مقاومة لدرجات الحرارة العالية وعالية الدقة لمراقبة درجة حرارة البطارية. يجب أن تكون الدقة أعلى على الأقل من أعلى متطلبات معايير الدقة الحالية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن دمج نظام مراقبة البطارية مع تقنية التنبؤ بدرجة حرارة البطارية للحصول على بيانات أكثر دقة لها.

تحديات إخماد الحرائق: ارتفاع مخاطر الحرائق وصعوبة إخمادها في أنظمة تخزين الطاقة

نهاية إطفاء الحريق:
"الهروب الحراري" هو السبب الجذري لمخاطر السلامة في بطاريات الليثيوم أيون: تتكون آلية الهروب الحراري لبطاريات الليثيوم أيون من ثلاث مراحل. المرحلة الأولى: المرحلة الأولية للهروب الحراري لبطاريات الليثيوم. بسبب عوامل داخلية وخارجية، ترتفع درجة الحرارة الداخلية للبطارية بسرعة إلى 90-100 درجة مئوية. في هذه الحالة، تتحلل طبقة التخميل SEI على سطح القطب السالب وتطلق حرارة هائلة، مما يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة الداخلية للبطارية بسرعة؛ عندما تصل درجة الحرارة إلى 135 درجة مئوية و166 درجة مئوية على التوالي، يبدأ غشاء البولي إيثيلين (PE) وغشائي البولي بروبيلين (PP) في الذوبان. مع زيادة درجة الحرارة، يتقلص الغشاء، ويتلامس القطبان الموجب والسالب معًا مسببين قصرًا كهربائيًا، مما يتسبب في إطلاق حرارة مستمرة للبطارية. المرحلة الثانية: مرحلة انتفاخ البطارية، عند درجة حرارة تتراوح بين 250 و350 درجة مئوية تقريبًا، يتفاعل الليثيوم مع المذيب العضوي في الإلكتروليت مُتطايرًا غاز الهيدروكربون القابل للاشتعال. المرحلة الثالثة: الانفلات الحراري للبطارية، مرحلة فشل الانفجار، حيث تستمر مادة القطب الموجب في حالة الشحن في الخضوع لتفاعل أكسدة وتحلل عنيف مع الإلكتروليت، مما يُولّد درجة حرارة عالية وكمية كبيرة من الغازات السامة، مما يُسبب احتراقًا عنيفًا للبطارية أو حتى انفجارها.

أنظمة تخزين طاقة بطاريات الليثيوم أيون تُمثَّل هذه الأنظمة بشكل رئيسي بوحدات تخزين جاهزة على شكل حاويات. تتكون هذه الأنظمة عادةً من عشرات خلايا البطاريات المتصلة على التوالي والتوازي لتشكيل وحدات بطاريات. ثم تُوصَل هذه الوحدات على التوالي لتكوين سلاسل بطاريات، تُدمج بدورها بالتوازي في خزانة بطارية تخزين طاقة واحدة.

تتميز الحرائق التي تنطوي على أنظمة تخزين الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون بالعديد من الخصائص المميزة:

• احتراق شديد وانتشار حراري سريع
• سمية عالية ودخان كثيف وإمكانية خطر كبيرة
• ارتفاع خطر إعادة الاشتعال وصعوبة كبيرة في الإطفاء

ونتيجة لذلك، اكتسبت المخاوف المتعلقة بالسلامة المرتبطة بأنظمة تخزين الطاقة القائمة على بطاريات الليثيوم أيون اهتماما متزايدا في السنوات الأخيرة.

تحديات إخماد الحرائق: نقص عوامل الإطفاء المستهدفة

نقص عوامل إخماد الحرائق المستهدفة لأنظمة تخزين الطاقة:

نظرًا لارتفاع مخاطر الحرائق وصعوبة إخمادها المرتبطة بأنظمة تخزين الطاقة، غالبًا ما تكون عوامل إخماد الحرائق الحالية غير فعالة في إخماد حرائق بطاريات الليثيوم أيون. على سبيل المثال، طفايات المسحوق الجاف قليلة التأثير في إخماد هذه الحرائق. عوامل مثل الهالون 1301، وثاني أكسيد الكربون، وغاز FM-200 (سباعي فلورو البروبان) قادرة فقط على إخماد اللهب المكشوف، لكنها لا تستطيع منع بداية الاشتعال الحراري أو منع إعادة الاشتعال. تفتقر هذه العوامل إلى التبريد وفعالية إخماد الحرائق، مما يجعلها غير مناسبة لحرائق بطاريات الليثيوم.

على الرغم من تطور أنظمة رش المياه تقنيًا وفعاليتها من حيث التكلفة وصديقتها للبيئة، إلا أنها توفر تبريدًا فعالًا وإخمادًا للحرائق. ومع ذلك، فإن استخدام الماء كوسيلة إطفاء له عيوب كبيرة: فهو يتطلب كميات كبيرة، ويطيل مدة إخماد الحرائق، ويشكل خطرًا كبيرًا بالتسبب في قصر كهربائي وتلف لا رجعة فيه للبطاريات، مما يجعل محطة تخزين الطاقة غير صالحة للعمل بعد الحريق.

عوامل إطفاء الحرائق المائية فعالة نسبيًا في تبريد وإطفاء الحرائق: بشكل عام، تكاد تكون عوامل إطفاء الحرائق الصلبة غير فعالة في إطفاء الحرائق في أنظمة تخزين طاقة بطاريات أيونات الليثيوم؛ وتتميز عوامل إطفاء الحرائق الغازية بضعف كفاءتها في إطفاء الحرائق وتأثيرها التبريدي المحدود؛ كما تتميز عوامل إطفاء الحرائق المائية بأنها صديقة للبيئة ومنخفضة التكلفة، بالإضافة إلى تأثيرها التبريدي والإطفاءي الكبير. لذلك، تُطبق إجراءات الحماية من مخاطر الحرائق الناتجة عن بطاريات الليثيوم، وخاصةً أنظمة تخزين الطاقة واسعة النطاق لبطاريات الليثيوم، ويتم تصميم وتطوير عوامل إطفاء حرائق جديدة عالية الكفاءة ومضادة للاشتعال، وأنظمة وأجهزة لإطلاق عوامل إطفاء الحرائق، مما يُسهم في... تطبيق تجاري واسع النطاق لأنظمة تخزين طاقة بطاريات الليثيوم أيون.

بالمقارنة مع بطاريات الطاقة الكهربائية للسيارات، تشكل حرائق أنظمة تخزين الطاقة مخاطر أكبر

بالنظر إلى الاختلافات بين متطلبات الحجم والأداء لبطاريات تخزين الطاقة وبطاريات طاقة المركبات الكهربائية، فإننا نقوم بالتحليل بشكل أساسي من الجوانب التالية:

مقياس نظام البطارية: كل من أنظمة تخزين طاقة أيونات الليثيوم و المركبات الكهربائية بطاريات ليثيوم أيون 48 فولت 60 فولت 72 فولت 96 فولت كوحدات أساسية، ويمكن تقسيم مكوناتها إلى أربعة مستويات: خلايا البطاريات، والوحدات، ومجموعات البطاريات، والأنظمة. ومع ذلك، فإن عدد خلايا البطاريات في أنظمة تخزين الطاقة يفوق بكثير عدد خلايا البطاريات في أنظمة بطاريات المركبات الكهربائية، كما أن الطاقة الإجمالية لأجهزة تخزين الطاقة أعلى بمرتين أو ثلاث مرات من الطاقة الإجمالية لأنظمة بطاريات المركبات الكهربائية، مما يزيد من خطورة حوادث الحريق وتأثيرها.

آلية حوادث الحرائق: تنجم حرائق أنظمة تخزين الطاقة وبطاريات السيارات الكهربائية عن سوء استخدام البطاريات، مما يؤدي إلى هروب حراري لبطارية واحدة، مما يتسبب في حوادث حرائق واسعة النطاق. ومع ذلك، فإن خصائص انتشار الحرائق في كلا النوعين ليست متطابقة تمامًا. في حرائق المركبات الكهربائية، ترتفع درجة حرارة خلية البطارية الهاربة حرارياً، مما يتسبب في اندلاع حرائق في خلايا البطارية المجاورة أو وحداتها؛ في حين أن أنظمة تخزين الطاقة تتكون عادة من أكثر من اثنتي عشرة أو حتى عشرات الوحدات، فإن الانفلات الحراري لبطارية واحدة عادة ما يسبب انتشار الحرائق بين الوحدات.

إجراءات الوقاية من الحرائق ومكافحتها: عادةً ما تتطلب الوقاية من الحرائق ومكافحتها في أنظمة تخزين طاقة بطاريات لايف فوسفات الحديد (LIFPO4) مراعاة تصميم سلامة الوحدة، ونظام إدارة البطارية، ونظام الإنذار من الحرائق، ونظام مكافحة الحرائق. ومع ذلك، نظرًا لمحدودية حجم حجرة البطارية، فإن الوقاية من الحرائق ومكافحتها في أنظمة بطاريات المركبات الكهربائية تقتصر عادةً على المستويين الأولين فقط. بالنسبة لأنظمة تخزين الطاقة، نظرًا لأن التسرب الحراري لبطاريات أيونات الليثيوم يندلع على شكل سلسلة وينتشر الحريق بسرعة، فإن توقيت نظام الإنذار وفعالية نظام مكافحة الحرائق أمران في غاية الأهمية.

معايير تقييم السلامة: لتقييم سلامة بطاريات طاقة المركبات الكهربائية، يُرجى الرجوع إلى معيار UL2580-2013 "مواصفات سلامة بطاريات المركبات الكهربائية" وGB/T 31485-2015 "متطلبات السلامة وطرق اختبار بطاريات الطاقة للمركبات الكهربائية" وغيرها من المعايير والمواصفات. لا يوجد حاليًا معيار تقييم كمي لسلامة بطاريات تخزين الطاقة. في التطبيقات العملية، تُستخدم معظم معايير الاختبار ذات الصلة ببطاريات أيونات الليثيوم للمركبات الكهربائية. يتطلب تحديد نظام تقييم السلامة لأنظمة تخزين الطاقة بحثًا متعمقًا.

مع الأخذ في الاعتبار الزيادة الفعلية في الطلب على نهايات الإنذار المبكر ومكافحة الحرائق لأنظمة تخزين الطاقة والاختلافات والمقارنات مع بطاريات طاقة المركبات الكهربائية، نعتقد أنه مع التطور المزدهر لصناعة تخزين الطاقة، فإن الطلب على مكافحة الحرائق من خلال تخزين الطاقة قد يزيد بشكل كبير، مما يبشر بفرصة جيدة لتطوير الصناعة.

ازدهار مدعوم بالسياسات في مجال تخزين الطاقة والسلامة من الحرائق: مسار نمو طويل الأجل

تُشدد السياسة على سلامة الحماية من حرائق تخزين الطاقة، مما يُسهم في تطوير هذه الصناعة: تُلزم "لوائح سلامة محطات توليد الطاقة الكهروكيميائية (مسودة للتعليقات)" الصادرة في سبتمبر 2021 بدمج الحماية من حرائق تخزين الطاقة في نظام المراقبة بالفيديو، ووضع حلول منهجية أكثر تطورًا وتطورًا من الناحية التكنولوجية، وتنص على متطلبات السلامة المتعلقة بالمتطلبات الفنية لسلامة معدات محطات توليد الطاقة، والتشغيل، والصيانة، والإصلاح، والاختبار، وما إلى ذلك. واقترحت "الخطة الخمسية الرابعة عشرة لأعمال الحماية من الحرائق الوطنية" الصادرة في فبراير 14 تعزيز تصميم الحماية من الحرائق وإدارة المصادر حول مرافق تخزين الطاقة الجديدة. وتضع سياسات مُختلفة متطلبات مُفصلة لبناء وإدارة محطات توليد الطاقة لتخزين الطاقة؛ وتُوجه بناء مرافق الحماية من حرائق تخزين الطاقة الداعمة لتحسين سلامة عمليات محطات توليد الطاقة لتخزين الطاقة؛ وتُحدد أهداف السعة المُركبة المُستهدفة لعام 2022، وخفض التكاليف، وتحسين الكفاءة، وتُوجه السياسات تطوير سوق تخزين الطاقة.

مع تطبيق عدد من السياسات والمعايير المتعلقة بسلامة تخزين الطاقة من الحرائق، يُتوقع أن يزداد حجم السعة المُركّبة لتخزين الطاقة بسرعة. وستستمر المعايير الجديدة في تسليط الضوء على أهمية الحماية من الحرائق في هذا المجال. ومن المتوقع أن تزداد نسبة الاستثمار في الحماية من الحرائق في هذا المجال، وقد يشهد قطاع الحماية من الحرائق في هذا المجال ركودًا كبيرًا.

تطبيقات متنوعة لتخزين الطاقة في مجرى النهر والسلامة من الحرائق على أهبة الاستعداد للتوسع السريع

تتنوع تطبيقات المرحلة النهائية، ومن المتوقع أن يزداد حجم منتجات تخزين الطاقة للحماية من الحرائق خلال الخطة الخمسية الرابعة عشرة. تشمل المواد الخام الأولية لسلسلة صناعة منتجات تخزين الطاقة للحماية من الحرائق بشكل رئيسي الأجزاء الهيكلية، والمكونات الإلكترونية، والهياكل، ومواد إطفاء الحرائق. بالإضافة إلى محطات توليد الطاقة التي تعمل بتخزين الطاقة، تشمل تطبيقات المرحلة النهائية أيضًا مركبات الطاقة الجديدة، والدراجات الكهربائية، وتخزين الطاقة المنزلية. مع توسع نطاق تخزين الطاقة في المرحلة النهائية، ستصبح معايير السلامة من الحرائق أكثر صرامة، وسيشهد الطلب على منتجات تخزين الطاقة للحماية من الحرائق آفاقًا واسعة.

نتوقع أن يصل حجم سوق تخزين الطاقة المحلي للحماية من الحرائق إلى 2025 مليار يوان بحلول عام 6.514، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 113% بين عامي 2021 و2025. وسيكون مسار تخزين الطاقة للحماية من الحرائق في المستقبل طويلًا وصعبًا، ومن المتوقع أن يحقق نموًا سريعًا. وتتمثل الافتراضات الرئيسية فيما يلي:

السعة المُركّبة الجديدة لتخزين الطاقة الكهروكيميائية في الصين: وفقًا للورقة البيضاء لأبحاث صناعة تخزين الطاقة لعام 2023، تبلغ السعة المُركّبة الجديدة لتخزين الطاقة الكهروكيميائية في الصين 2024 ميجاوات في عام 1559.6. ونتوقع أن تنمو السعة المُركّبة التراكمية لتخزين الطاقة الكهروكيميائية بمعدل نمو سنوي مركب قدره 64% بين عامي 2021 و2025؛ واستنادًا إلى نسبة تخزين الطاقة في المقاطعات الرئيسية في الصين، وفقًا لحسابات معهد جي جي آي آي، نفترض أن مدة التخزين هي ساعتان.

نسبة الاستثمار في الحماية من الحرائق: وفقًا لإعلان شركة Qingniao Fire Company، فإن النسبة الحالية لنفقات الحماية من الحرائق في الصين تبلغ حوالي 2٪، وهي أعلى في الخارج؛ نتوقع أنه مع إصدار "لوائح سلامة محطة توليد الطاقة لتخزين الطاقة الكهروكيميائية"، من المتوقع أن تستمر نسبة الاستثمار في الحماية من الحرائق في الزيادة، على افتراض أن نسبة الاستثمار في الحماية من الحرائق ستصل إلى 7٪ في عام 2025؛

متوسط ​​سعر عروض تخزين الطاقة: وفقًا لبيانات شبكة جيبانغ للطاقة الجديدة، بلغ متوسط ​​سعر عروض مشاريع تخزين الطاقة النموذجية في عام ٢٠٢٤ حوالي ١٫٤٧٦ يوان صيني/ساعة. وقد أكدت الإدارة الوطنية للطاقة وجهات أخرى على ضرورة تحسين تكاليف محطات تخزين الطاقة أثناء التطوير. ونتوقع أن تنخفض تكلفة مشاريع تخزين الطاقة بنسبة ٥٪ سنويًا.