قضايا سلامة نظام الطاقة
مع تطور الطاقة المتجددة، يتزايد استخدام أنظمة تخزين الطاقة في أنظمة الطاقة. ومع ذلك، برزت أيضًا قضايا السلامة المتعلقة بأنظمة تخزين الطاقة.
هناك العديد من أنواع بطاريات تخزين الطاقة، بما في ذلك بطاريات الرصاص الحمضية، وبطاريات الليثيوم أيون، بطاريات أيون الصوديومبطاريات التدفق، وبطاريات الصوديوم والكبريت، ولكل منها خصائصها الخاصة ومناسبتها لمختلف الظروف. من بينها، أصبحت بطاريات الليثيوم الخيار التقني السائد في مجال تخزين الطاقة بفضل كثافتها العالية من الطاقة، وعمرها الطويل، وكفاءتها العالية، وسرعة استجابتها. تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون 48 فولت و60 فولت و72 فولت على نطاق واسع في المركبات الكهربائية، والإلكترونيات الاستهلاكية وأنظمة الطاقة واسعة النطاق، وتعزيز تطوير التقنيات والتطبيقات ذات الصلة.
ومع ذلك، تواجه بطاريات أيونات الليثيوم أيضًا بعض التحديات الكبيرة، لا سيما فيما يتعلق بالاستقرار الحراري. فقد تتعرض بطاريات أيونات الليثيوم لهروب حراري في ظروف قاسية، مثل ارتفاع درجة الحرارة أو الشحن الزائد أو حدوث قصر في الدائرة، مما قد يتسبب في حريق أو انفجار بطارية الليثيوموتؤدي هذه المخاطر المتعلقة بالسلامة إلى جعل بطاريات أيون الليثيوم تواجه خطرًا كبيرًا للانفجار في أنظمة تخزين الطاقة، لتصبح أحد الأسباب الرئيسية للحوادث المتعلقة بالسلامة.
وفقًا لإحصاءات غير مكتملة، في السنوات الخمس الماضية (2019 إلى 20241)، وقعت عشرات الحرائق أو الانفجارات في محطات تخزين الطاقة حول العالم. ومن بين هذه الحوادث، بلغت نسبة الحوادث الناجمة عن بطاريات الليثيوم أيون ما يصل إلى 80٪. لم تتسبب هذه الحوادث في خسائر في الممتلكات فحسب، بل قد تعرض السلامة الشخصية للخطر أيضًا، مما أثار اهتمامًا واسع النطاق وأبحاثًا حول سلامة بطاريات الليثيوم أيون. ولمواجهة هذا التحدي، تستكشف الصناعة بنشاط الحلول التقنية لتحسين الاستقرار الحراري لبطاريات الليثيوم أيون وتطوير تقنيات جديدة لبطاريات تخزين الطاقة من أجل تحقيق مستوى أعلى من السلامة والموثوقية.
تقرير تحليل الحوادث لمشروع محطة الطاقة المتكاملة لتخزين وشحن الطاقة الكهروضوئية في بكين جيمي داهونغمن بقدرة 25 ميجاوات ساعة في الساعة التابعة لمعهد بحوث الطاقة الكهربائية (EPRI)
وفقًا لتقرير مسح حوادث الحريق والانفجار في محطة تخزين الطاقة بمنطقة فنغتاي في بكين، الذي أعده معهد أبحاث الطاقة الكهربائية الصيني، فقد تعرضت محطة جيمي داهونغمن للطاقة في بكين لحادث في 16 أبريل. ويسرد التقرير ثمانية أسباب للحادث:
- جودة سلامة بطاريات تخزين الطاقة
- الطوبولوجيا الكهربائية لنظام تخزين الطاقة
- نظام إدارة البطارية (BMS)
- تخطيط الكابلات وحزم الأسلاك في الموقع
- تصميم الوقاية من الحرائق في محطة الطاقة
- أنظمة المراقبة والإنذار المبكر وإطفاء الحرائق في محطة الطاقة
- العوامل الجوية والبيئية
- نظام التشغيل وإدارة الموظفين في الموقع
وبناءً على الحوادث المبلغ عنها، يمكن تصنيف أسباب الحوادث المتعلقة بالسلامة في أنظمة تخزين الطاقة عمومًا إلى أربعة أنواع رئيسية: مخاطر البطارية الكامنة، ومخاطر السلامة الخارجية، وتصميم السلامة والحماية غير الكافيين، وعوامل الإدارة التشغيلية.
1. مخاطر سلامة البطارية المتأصلة:
- عيوب التصنيع: قد تحدث الدوائر القصيرة الداخلية بسبب مشكلات مثل نتوءات معدنية أو طلاء قطب كهربائي رديء أثناء الإنتاج.
- شجيرات الليثيوم: يمكن أن يؤدي تكوين شجيرات الليثيوم داخل الخلية إلى اختراق الفاصل، مما يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي داخلي.
- شيخوخة البطارية: قد يؤدي الشيخوخة الطبيعية للبطاريات إلى المساس بالسلامة العامة لنظام تخزين الطاقة.
2. مخاطر السلامة الخارجية:
- المخاطر الكهربائية: تشمل الشحن الزائد، والإفراط في التفريغ، والدوائر القصيرة الخارجية.
- المخاطر الميكانيكية: الأضرار الناجمة عن السحق أو الاختراق (على سبيل المثال، من الأشياء الحادة).
- المخاطر الكهرومغناطيسية: قد يؤدي التداخل الكهرومغناطيسي إلى تعطيل التشغيل الطبيعي للنظام.
- المخاطر الحرارية: يمكن أن تؤثر درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة بشكل مفرط سلبًا على أداء البطارية وسلامتها.
- مخاطر الانفجار: في ظل ظروف معينة، قد تنفجر البطاريات.
- الظروف البيئية غير المناسبة: يمكن أن تشكل الظروف البيئية المعاكسة مخاطر أمنية خطيرة على نظام تخزين الطاقة.
3. تصميم السلامة والحماية غير الكافي:
- مراقبة العزل غير الكافية: يمكن أن تؤدي حماية العزل غير الكافية - مثل أعطال مقاول التيار المستمر، أو فشل عزل قضبان التوصيل، أو احتراق أسلاك مدخل التيار المتردد - إلى تدهور أداء العزل وتؤدي إلى أعطال القوس والحرائق.
- ضعف تنسيق نظام الحماية: إن التنسيق غير الفعال بين أنظمة الحماية يمكن أن يعرض السلامة العامة للخطر.
- فشل التحكم في النظام: يمكن أن يؤدي الفشل في إدارة الحرارة أو أنظمة التحكم الأخرى إلى ارتفاع درجة الحرارة أو حرائق البطارية.
- أعطال المعدات المساعدة: قد تؤثر الأعطال في الأجهزة المساعدة أيضًا على السلامة العامة لنظام التخزين.
4. عوامل نظام التشغيل والإدارة:
- ضعف التنسيق بين الأنظمة: قد يؤدي ضعف التواصل والتنسيق بين نظام إدارة البطارية (BMS) ونظام إدارة الطاقة (PMS) ونظام إدارة الطاقة (EMS)، أو عدم التنسيق بين نظام التحكم في العمليات (PCS) وأنظمة حماية البطارية، إلى تضارب في الأداء على مستوى النظام. على سبيل المثال، قد يؤدي إعادة تشغيل نظام التحكم في العمليات (PCS) دون التحقق من حالة البطارية بعد حدوث عطل إلى مشاكل في واجهة التيار المتردد/المستمر.
- فشل نظام الإدارة: يشمل ذلك أطر الإدارة المعيبة، وضعف التحكم البيئي (على سبيل المثال، الرطوبة الزائدة أو الغبار)، وعدم الإبلاغ بشكل كافٍ عن الأخطاء، مما قد يؤدي إلى تأخير الصيانة وزيادة مخاطر السلامة.
- التشغيل والصيانة غير الكافية لمحطات تخزين الطاقة: قد يؤدي سوء الإدارة والصيانة بعد النشر إلى مشاكل تشغيلية لم يتم حلها، مما قد يتفاقم إلى مخاطر أمنية خطيرة.
تحديد المخاطر في أنظمة تخزين الطاقة
خطر الهروب الحراري
يشير مصطلح "الهروب الحراري" إلى حالة يتجاوز فيها معدل توليد الحرارة الداخلية للبطارية معدل تبديدها بشكل ملحوظ. يؤدي هذا إلى تراكم سريع للحرارة داخل النظام، والتي لا يمكن إطلاقها بفعالية، مما يؤدي في النهاية إلى فقدان التحكم في درجة الحرارة، وربما نشوب حرائق أو انفجارات.
عادةً ما تتم عملية الاشتعال الحراري للبطارية على النحو التالي: تُولّد الخلية الواحدة تسخينًا ذاتيًا مفرطًا نتيجة سوء الاستخدام الميكانيكي أو الكهربائي. تُسبب ظاهرة السخونة الزائدة هذه ارتفاع درجة حرارة البطارية ودخولها مرحلة سوء الاستخدام الحراري، مما يُحفّز الاشتعال الحراري. تُطلق عملية الاشتعال الحراري غازات قابلة للاشتعال ودخانًا، فتبدأ البطارية بالاحتراق، مُحفّزة تفاعلًا متسلسلًا قد يؤدي في النهاية إلى حريق أو حتى انفجار في محطة تخزين الطاقة.
بالإضافة إلى شيخوخة البطارية والعيوب الداخلية، قد تساهم العوامل التالية أيضًا في الانفلات الحراري:
- الشحن الزائد أو التفريغ الزائد: شحن البطارية أو تفريغها بما يتجاوز حدود التشغيل المصممة لها.
- فشل الاتصال الحرج: فشل نقاط الاتصال الكهربائية، مما يؤدي إلى مخاطر أمنية محتملة.
- فشل نظام الإدارة: فشل نظام إدارة البطارية (BMS) في مراقبة حالة البطارية والتحكم فيها بشكل فعال.
- عيوب التصنيع: مشاكل مثل الدوائر القصيرة الداخلية أو العيوب الأخرى أثناء عملية التصنيع.
- عمر البطارية: بمرور الوقت، يتدهور أداء البطارية، مما قد يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي داخلي أو أعطال أخرى.
- فشل أجهزة حماية الخلية: قد تتشوه أجهزة الحماية أو تفشل، مما يعرض سلامة البطارية للخطر.
- التشغيل في درجات حرارة عالية أو منخفضة: ظروف درجات الحرارة القصوى تؤثر سلبًا على سلامة البطارية وأدائها.
- تشوه البطارية وتسربها: تشوه غلاف البطارية أو تسرب السوائل الداخلية.
- تسرب الغاز أو انطلاق الغازات القابلة للاشتعال: أثناء الاحتراق، قد تطلق البطاريات غازات قابلة للاشتعال، مما يشكل مخاطر إضافية.
المخاطر الكهربائية
تُعد المخاطر الكهربائية من أخطر مخاطر السلامة في أنظمة تخزين الطاقة. ومع استمرار تزايد سعة وجهد أنظمة تخزين الطاقة، ارتفع جهد النظام تدريجيًا من مستويات منخفضة إلى 1500 فولت تيار مستمر. في مجال السلامة الكهربائية، يُعتبر أي جهد يتجاوز 60 فولت تيار مستمر خطرًا، وقد يؤدي التلامس العرضي مع الأجزاء الحية إلى مخاطر التعرض لصدمة كهربائية.
لذلك، يجب أن تتضمن أنظمة تخزين الطاقة إجراءات عزل كهربائي فعّالة لمنع التلامس المباشر أو غير المباشر مع المكونات الكهربائية أثناء التشغيل. على سبيل المثال، خطر التعرض لصدمة كهربائية ناتجة عن انخفاض مقاومة العزل. تشير مقاومة العزل إلى سلامة مواد العزل؛ فعندما تتعرض الكابلات أو التوصيلات للتلف أو التقادم أو تدهور طبقة العزل، قد تنخفض مقاومتها. في مثل هذه الحالات، قد يؤدي تلف طبقة العزل إلى كشف الموصلات داخل الكابلات، مما يؤدي إلى تسرب التيارات. يزيد هذا التسرب من خطر التعرض لصدمة كهربائية لعمال الصيانة.
بالإضافة إلى ذلك، عادةً ما تحتوي أنظمة تخزين الطاقة على عدد كبير من الأجهزة الكهربائية المساعدة، وغالبًا ما تكون بيئة التركيب معقدة. قد تؤدي الأحداث غير المتوقعة، مثل الجهد العالي، والتيارات الكبيرة (مثل البرق أو الارتفاع المفاجئ في التيار الكهربائي)، أو تقادم المعدات والكابلات، مما يؤدي إلى تعطل عناصر الحماية، إلى خلل في وظائف الحماية أو عزل غير طبيعي، مما يؤدي إلى صدمات كهربائية وحوادث سلامة أخرى.
مخاطر السلامة الوظيفية: تشكل السلامة الوظيفية جزءًا مهمًا من سلامة نظام تخزين الطاقة، وذلك بسبب المخاطر الناجمة عن فشل أو تعطل المعدات الخاضعة للرقابة والأنظمة المرتبطة بها.
بيئة عمل غير مناسبة:
تقييم مخاطر أنظمة تخزين الطاقة
إن سلامة أنظمة تخزين الطاقة هي قضية شاملة ومعقدة تنطبق على دورة حياة أنظمة تخزين الطاقة الكهروكيميائية بأكملها، أي من مرحلة التصميم المفاهيمي وتطوير نظام تخزين الطاقة، ومرحلة تصنيع النظام، ومرحلة تشغيل المنتج واستخدامه، ومرحلة الخدمة والصيانة إلى مرحلة إيقاف التشغيل النهائية.
قد تعتمد مخاطر سلامة أنظمة تخزين الطاقة على عوامل عديدة، منها موقع التركيب، والتركيب الكيميائي، والحجم/النطاق (مثل الكهرباء)، ويجب تقييمها وفقًا لذلك. الموقع الآمن لـيمكن استخدام أنظمة تخزين بطاريات الطاقة الشمسية للاستخدام المنزلي, التطبيقات الصناعية والتجارية للأنظمة واسعة النطاق للشبكة؛ ويجب تقييم هذه المخاطر وفقًا لذلك.
عند تحليل مخاطر النظام، يوفر معيار IEC 62933-5-1 العديد من الطرق: التحليل التنازلي والتحليل التصاعدي، مثل تحليل FMEA الشائع، وتحليل شجرة الأعطال، وتحليل HAZOP، وتحليل STAMP. من خلال سلسلة من طرق التحليل لتحديد المخاطر المحتملة، ثم من خلال تصميم نظام السلامة وتطوير الدوائر الإلكترونية لآلية حماية السلامة، يتم تقليل الإجراءات للوصول إلى المستوى المقبول.
تدابير التخفيف من المخاطر لأنظمة تخزين الطاقة
تُعدّ قضايا السلامة الخط الأحمر لجودة المنتج، وقد أصبح ضمان سلامة أنظمة تخزين الطاقة تحديًا رئيسيًا للتنمية المستدامة في قطاع تخزين الطاقة. ونظرًا لخصوصية منتجات تخزين الطاقة، يجب تحقيق سلامتها من خلال الجمع بين وظائف سلامة متعددة. وكما هو موضح في دليل ISO/EC رقم 51، فإن تدابير الحد من المخاطر المتخذة في عملية تصميم تخزين الطاقة هي: "الجوهر"، و"تصميم السلامة"، و"الوسائل الوقائية"، و"معلومات المستخدم النهائي". كما يرد وصف تدابير إضافية لمرحلة الاستخدام (إدارة سلامة دورة الحياة) في دليل ISO/IEC رقم 51.
لا يقتصر تصميم أنظمة تخزين الطاقة على الجانب التقني للنظام ومكوناته، بل يجب أن يأخذ في الاعتبار أيضًا كيفية التنبؤ بالمخاطر المحتملة وتحديدها مسبقًا، وتوفير الحماية الفعالة، وحل المشكلات فور وقوعها. حتى في حالات الحوادث الخطيرة، يمكن أن يوفر ذلك قدرة شاملة لضمان سلامة الأفراد والممتلكات.
تصميم السلامة الجوهرية لأنظمة تخزين الطاقة (ESS)
- اختيار معقول للأنظمة الفرعية
- تصميم وظيفة الحماية
- تصميم سلامة وظيفة النظام
- التصميم الهيكلي
- تصميم الكهربائية
- تصميم الحماية من الحرائق
- تصميم التهوية وتخفيف الانفجار، وما إلى ذلك.
تدابير الضمان والحماية
- لا يمكن للأخطاء الداخلية في الأنظمة الفرعية أن تنتشر إلى خارج النظام الفرعي؛
- نظام الجهد العالي، يمنع التشغيل الخطير عن بعد؛
- يجب أن تكون جميع المكونات ذات الجهد الخطير بسبب عيوب العزل الفردية مؤرضة ومحمية من الصواعق وفقًا للمعايير ذات الصلة؛
- يجب توفير الحماية من التيار الزائد عند التوصيل الخارجي لنظام البطارية الفرعي؛
- يجب ألا تتسبب أعطال توصيل الأنظمة الفرعية لنظام تخزين الطاقة في حدوث مواقف خطيرة، ويجب أن يتم تحميل وتفريغ البطاريات باستخدام معدات الرفع المناسبة؛
- يجب أن يكون غلاف النظام أو قوسه مصنوعًا من مواد غير قابلة للاشتعال؛ ويجب تقسيم منطقة البطارية ومنطقة معدات الشحن ومنطقة دائرة الفصل والتفريغ إلى مناطق مقاومة للحريق داخل النظام؛
- حماية أخطاء النظام المساعد والتحكم والاتصالات: يجب أن تلبي سلامة الخطأ الفردي، ولن يحدث أي خطر حتى في حالة انقطاع مصدر الطاقة أو تقلبه؛
- حماية المخاطر البيئية: يجب أن تلبي أنظمة تخزين الطاقة الخارجية معيار IPX4 على الأقل، كما أن الحماية من رذاذ الملح مطلوبة للتركيب بالقرب من البحر؛
- يجب أن يتمتع كلا الجانبين DC و AC بحماية من خطأ الأرض ووظائف الإنذار؛
- يجب أن يكون هناك إنذار صوتي ومرئي عند شحن البطارية بشكل زائد: يجب الإبلاغ عن حالة التيار الزائد داخل نظام البطارية الفرعي؛
- يجب أن يكون النظام مزودًا بنظام كشف الغاز القابل للاشتعال وتوفير إنذارات صوتية ومرئية؛
- يجب أن يكون النظام مزودًا بنظام تهوية ويلبي المتطلبات التالية: يجب أن يضمن نظام التهوية درجة الحرارة المناسبة داخل الخزانة: يجب توفير عادم قوي عندما تكون التهوية الطبيعية غير كافية؛ يجب أن تكون الفتحات قادرة على منع انتشار الحريق وتدفق المياه؛
التشغيل والصيانة، تدريب الموظفين، المعلومات المقدمة للمستخدمين النهائيين
- معلومات السلامة المقدمة للمستخدمين: علامات وإشارات التحذير، والملصقات التي تشير إلى الأجزاء الخطرة في الموقع، وأجهزة الإنذار الصوتي والضوئي، ومخطط سير عملية تصميم السلامة؛
- يجب أن تكون للتشغيل في الموقع الأولوية على التشغيل عن بعد لحماية سلامة العاملين في الموقع: يجب إعداد خطة طوارئ للسلامة؛ يجب توفير الحماية من التيار الزائد عند الاتصال الخارجي لنظام البطارية الفرعي؛
- يجب توفير أدلة التشغيل والصيانة للمالك، ويجب على الشركة المصنعة أو مُدمج النظام تطوير خطة صيانة منتظمة؛
- يتعين على الشركة المصنعة تقديم إرشادات بشأن قدرات ومتطلبات الترخيص للموظفين الذين يقومون بتشغيل المعدات أو أنظمة السلامة؛
