كيفية اختيار حاوية تخزين بطاريات مناسبة لأنظمة الطاقة خارج الشبكة؟

الوظائف المهمة لحاوية تخزين البطاريات الموثوقة

دمج الطاقة والسعة وعمق التفريغ (DoD) مع حجم الحاوية ودعم الأحمال

يبدأ بناء حاويات تخزين البطاريات بقياس ثلاثة عوامل: الطلب الأقصى على الطاقة بالكيلوواط (kW)، وإجمالي طاقة التخزين بالكيلوواط-ساعة (kWh)، وعمق التفريغ (DoD). ويُشير مصطلح عمق التفريغ (DoD) إلى كمية الطاقة التي تُستهلك (أو تُدوَّر) خلال فترة زمنية محددة من البطارية. ولهذا الأمر أهمية كبيرة، لأنه يؤثر تأثيرًا مباشرًا على الحجم الفعلي لحاوية التخزين البطارية. فعلى سبيل المثال، إذا صُمِّمت المنظومة لعمق تفريغ بنسبة ٨٠٪ بدلًا من ٥٠٪، فإن الحاوية ستحتاج إلى سعة أكبر بنسبة تقارب ٢٥٪ لتحقيق نفس الكمية من الطاقة المُستخدمة. وللتوضيح، إذا أراد شخصٌ ما الحصول على ٥٠٠ كيلوواط-ساعة من الطاقة القابلة للاستخدام مع عمق تفريغ بنسبة ٨٠٪، فسيحتاج حينها إلى نحو ٦٢٥ كيلوواط-ساعة من البطاريات. وهذا يؤدي إلى استخدام بطاريات أكبر حجمًا، وبالتالي يتطلب مساحة ساحلية أكبر، كما يتطلب دعمًا أقوى للأرضية في منطقة التركيب.

البنية التحتية غير الكافية تؤدي إلى مشكلات في المحاذاة مع أهداف وزارة الدفاع (DoD)، مثل الإجهادات الحرارية والميكانيكية، ما قد يسبب تدهورًا مبكرًا. فعلى سبيل المثال، يؤدي نشر نظام تخزين طاقة بطاري خارج الشبكة (BESS) دون قدرة كافية على تحمل الأحمال، في المتوسط، إلى تكاليف إصلاح تبلغ ٧٤٠ ألف دولار أمريكي (معهد بونيمون، ٢٠٢٤). ويُظهر هذا أن التخطيط الكافي للسعة يبدأ بالنظر في الدعم الهيكلي.

المبادئ الأساسية لإدارة الحرارة: درجة حماية الغلاف (IP)، وتصميم التهوية، والقدرة على التحمل أمام درجات حرارة البيئة المحيطة.

تبريد أنظمة الليثيوم أمرٌ ضروري. ويحمي الغلاف ذي درجة الحماية IP55 من دخول الغبار والماء، لكن ذلك لا يعني أنه يمكن تجاهل إدارة الحرارة. فبطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePo4) تتحمل نطاق درجات حرارة تشغيل يتراوح بين ٢٠- و٦٠ درجة مئوية، لكن العمل عند درجة الحرارة المثلى يضمن طول عمر البطارية وأداءً أفضل، ما يعني بالضرورة أن إدارة الحرارة أمْرٌ لا غنى عنه. كما تنخفض الكفاءة بنسبة ١٥٪ عن كل ١٠ درجات مئوية تبتعد بها عن النطاق الأمثل الذي يتراوح بين ١٥ و٣٥ درجة مئوية.

في معظم البيئات المعتدلة، تعمل أنظمة التهوية بالهواء القسري العادية بكفاءة. ومع ذلك، في البيئات شديدة الحرارة، مثل الصحاري حيث تتجاوز درجات الحرارة ٤٥°م، أو في البيئات شديدة البرودة، مثل البيئات القطبية حيث تنخفض درجات الحرارة إلى ما دون -١٠°م، يصبح من الضروري تركيب أنظمة تبريد سائل إضافية لضمان استمرار تشغيل الأنظمة. ويجب تجهيز كل غلاف (كابينة) بأجهزة استشعار لدرجة الحرارة وأنظمة إيقاف تلقائي لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC). وتشير طبعة عام ٢٠٢٢ من معيار NFPA ٨٥٥ إلى أن وجود نظام تحكم نشط بالتزامن مع أنظمة إيقاف HVAC وأنظمة التحكم في درجة الحرارة يقلل احتمال نشوب حريق بنسبة مذهلة تبلغ ٩٢٪ مقارنةً بالأنظمة التي تعتمد فقط على التبريد السلبي. وهذه الحماية ستكون بالغة الأهمية في البيئات القصوى التي قد تؤدي إلى فشل كارثي للمعدات المتورطة في حريق أو عطل فني.

معايير السلامة والامتثال والاعتماد الخاصة بنشر البطاريات في الحاويات المخصصة للتخزين

معيار UL 9540، والمادة 706 من قانون الكهرباء الوطني (NEC)، ومعيار NFPA 855: الامتثال لهذه المعايير إلزامي لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات خارج الشبكة الكهربائية (BESS)

تواجه أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات خارج الشبكة الكهربائية (BESS) مخاطر الانفلات الحراري، والأعطال الكهربائية، والحرائق وغيرها من المخاطر، لا سيما في حال تأخر وصول خدمات الطوارئ أو انعدام توافرها. ولذلك، يجب أن تمتثل أنظمة BESS للمعايير التالية، التي تشمل العناصر الأساسية لخفض المخاطر:

يُحدد معيار UL 9540 سلامة النظام الكامل لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) من خلال تقييم سلامة انتشار الحرارة والتحقق من توافق جميع مكونات النظام مع بعضها البعض.

تفرض المادة 706 من قانون الكهرباء الوطني (NEC) بروتوكولات السلامة الكهربائية الخاصة بالبطاريات على الأنظمة، مثل تضمين أجهزة حماية من التيار الزائد، ومقصّرات الطوارئ، وتدابير التأريض/التجهيز بالأرضي الوقائي، وهي عناصر أساسية لتثبيت البطاريات في المواقع النائية.

يحدّد معيار NFPA 855 طرق تخفيف مخاطر الحرائق، مثل استخدام أنظمة إخماد تلقائية، واحتواء المخاطر، وتوفير تهوية خاصة لأنظمة BESS المغلقة، والحفاظ على مسافات فاصلة دنيا بين الوحدات.

مخاطر عدم الامتثال باهظة، لأنها تعرّضك لخطر فقدان التغطية التأمينية، ودفع الغرامات، وزيادة احتمالات وقوع الحوادث. ووفقًا لتقارير السلامة من الحرائق لعام ٢٠٢٣، فإن الأنظمة المعتمدة أقل عُرضةً بنسبة ٧٢٪ لحدوث أحداث حرارية مقارنةً بالأنظمة غير المعتمدة، ما يجعل الامتثال إلزاميًّا لتشغيل أنظمة الطاقة خارج الشبكة بشكل مستدام وآمن.

المزايا والمقايضات والملاءمة المحددة لموقع التخزين البطاري عبر حاويات الشحن

اعتبارات المساحة والنقل والتركيب في المواقع النائية

بالنسبة لأنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS)، فإن الحاويات المستخدمة في الشحن تُوفِّر قابلية عالية للتوسُّع. ومع ذلك، عند الاختيار بين الحاويات ذات الطول ٢٠ قدمًا و٤٠ قدمًا، يجب على العملاء أخذ القيود المادية لموقع المشروع والاحتياجات الفعلية المتوقعة من الإنتاج بعين الاعتبار. فحاوية الـ٢٠ قدمًا تمتلك سعة تخزين تبلغ تقريبًا من ٢٠٠ إلى ٥٠٠ كيلوواط ساعة، كما أن وزنها أقل من ١٠٠٠٠ رطل، ما يسمح بنقلها إلى المواقع التي تفتقر إلى طرق ممهدة أو التي تقع في مناطق جبلية أو وعرة أو ذات وصول محدود جدًّا إلى الطرق. ولهذا السبب تُعد حاويات الـ٢٠ قدمًا مثالية للمواقع مثل الجزر أو المناطق الجبلية. أما حاويات الـ٤٠ قدمًا فهي تمتلك سعة تخزين أكبر بكثير، إذ تتراوح سعتها بين ٨٠٠ و٢٠٠٠ كيلوواط ساعة. وبجانب هذه السعة الأكبر، تترتب عليها قيود إضافية: فمقارنةً بحاويات الـ٢٠ قدمًا، تتطلب حاويات الـ٤٠ قدمًا دعمًا أقوى للأساس أثناء التركيب، ومسارات أوسع لنقلها وإعادة توزيعها، ومعدات دعم أكثر متانة لإعادة توزيع الحاويات.

تعديلات مُصمَّمة خصيصًا: تبريد مدمج، وأنظمة إخماد حرائق، وتعزيزات هيكلية لضمان الموثوقية على المدى الطويل

عند تطوير استراتيجيات الصمود في أنظمة الطاقة خارج الشبكة، يجب أولاً الأخذ بعين الاعتبار التحسينات الثلاثة الرئيسية التالية: الإدارة الفعّالة لدرجة الحرارة، وأنظمة إخماد الحرائق سريعة التأثير، والتحسينات البنائية لتحمل الإجهادات. وقد تكفي التهوية السلبية لبطاريات ليثيوم حديد فوسفات في المناطق التي تشهد مناخات معتدلة؛ ومع ذلك، فإن هذه البطاريات تواجه تحديات في الظروف الأكثر قسوة. ففوق درجة حرارة ٣٠°م (٨٦°ف) في الخارج، يتعيَّن علينا تطبيق أنظمة تبريد بالهواء القسري لتفادي فقدان السعة المبكر الذي قد يصل إلى ١٥٪ عند درجات حرارة ٤٥°م (١١٣°ف) وما فوقها. كما يمكن لأنظمة إخماد الحرائق التي تستخدم مواد كيميائية على شكل رذاذ (بدلاً من المياه) إيقاف ظاهرة الانفلات الحراري في غضون دقيقة واحدة أو أقل، مما يُنقذ المعدات المحيطة. وباستخدام تثبيتات مقاومة للزلازل المناسبة ودعامات فولاذية للجدران، يمكن للهيكل أن يصمد أمام آثار الرياح العاتية، والأحمال الثقيلة من الثلوج، بل وحتى النشاط الزلزالي الطفيف. ولضمان الموثوقية على المدى الطويل، فإن هذه التحسينات ليست اختيارية؛ بل هي إلزامية.

أظهر تقرير أعدّه معهد بونيمون (2023) أن إحدى عمليات التعدين وفّرت ٧٤٠٠٠٠ دولار أمريكي من تكاليف التوقف غير المخطط له، وذلك عبر تعزيز العوارض الأرضية لمبناها لمواجهة التضاريس غير المستوية. وهذه ميزة تصميمية بسيطة لكنها أساسية لأي حاوية تخزين بطاريات تُركَّب في بيئة قاسية أو غير مستقرة.

أثر تركيب البطاريا الكيميائي على تصميم حاويات تخزين البطاريات والجوانب المرتبطة بالسلامة في تشغيلها

لماذا يُفضَّل استخدام كيمياء ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) في التطبيقات خارج الشبكة: انخفاض خطر الانفلات الحراري وانخفاض الحاجة إلى تبريد الحاويات

توفر كيمياء ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) تحسينًا جوهريًّا وأساسيًّا في سلامة حاويات تخزين البطاريات بفضل استقرارها الحراري الداخلي. فروابط الأكسجين-الفوسفات في مركب LiFePO4 أقوى ولا تُطلق الأكسجين عند انكسار هذه الروابط، ما يؤدي إلى إبطاء معدل التفاعل. علاوةً على ذلك، فإن درجة حرارة بدء الانهيار الحراري لمركب LiFePO4 أعلى — وتبلغ حوالي ٢٧٠°م، مقارنةً بـ ١٥٠–٢١٠°م لمادة NMC — ولذلك يلزم تهوية أقل.

عامل الاستقرار يوفّر فوائد حقيقية في التصميم من حيث السلامة والجدوى العملية. فعلى سبيل المثال، تُنتج بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) حرارة أقل بنسبة ٧٠٪ تقريبًا في حالات الطوارئ، ما يقلّل بشكل كبير من خطر انتشار الحالة الطارئة ويقلّل كمية الغازات السامة المنبعثة. كما أن أداء بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات أفضل في الظروف القاسية. فبينما تعمل بطاريات نيكل-منغنيز-كوبالت (NMC) بكفاءة قصوى ضمن نطاق درجات حرارة يتراوح بين ١٥ و٣٥ درجة مئوية، يمكن لبطاريات ليثيوم حديد الفوسفات أن تعمل في أي بيئة تقريبًا، بدءًا من درجة حرارة منخفضة تبلغ ٠ درجة مئوية وصولًا إلى درجة حرارة مرتفعة تبلغ ٤٥ درجة مئوية. وهذا يعني أن المهندسين يمكنهم استخدام أنظمة تبريد أقل تعقيدًا وأقل تكلفة، مثل التهوية السلبية أو أنظمة الهواء القسري البسيطة، بدلًا من أنظمة التبريد السائل المتطورة. وبالتالي، فإن أنظمة التدفئة والتبريد في المباني ستستهلك طاقة أقل بنسبة ٥–١٠٪. كما يمكن أن تكون الفتحات أصغر وسمك العزل أرق. وكل هذا يعني أن عملية التركيب تصبح أسهل بكثير، لا سيما في المناطق النائية التي تفتقر إلى المساحة والطاقة.

نتيجةً لذلك، أصبحت معايير NFPA 855 وIEC 62933 تُركِّز الآن على بطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) نظراً لمزاياها. علاوةً على ذلك، فإن البساطة الناتجة عن تبسيط إدارة الحرارة تسهِّل إنجاز إجراءات التوثيق الخاصة بالامتثال للمعيار UL 9540A، مما يُفضَّل في المناطق التي تستغرق فيها عمليات منح شهادات السلامة وقتاً طويلاً، وذلك بسبب الانتشار السريع لتكنولوجيات البطاريات المستقرة حرارياً.

أسئلة شائعة

ما هو عمق التفريغ (DoD) في حاوية تخزين البطاريات؟
عمق التفريغ (DoD) هو الجزء المُستخدَم من السعة الإجمالية للبطارية بشكلٍ متوسِّط. وهو عاملٌ مؤثرٌ في تحديد حجم حاوية تخزين البطاريات والدعائم البنائية اللازمة لها.

لماذا تُعَدُّ إدارة الحرارة مهمةً في حاويات تخزين البطاريات؟
تُعَدُّ إدارة الحرارة الفعَّالة أمراً بالغ الأهمية لتمديد العمر الافتراضي الفعلي للبطارية، ومنع فقدان الكفاءة، والحفاظ على التشغيل الآمن للبطاريات حتى في ظل الظروف القاسية مثل ارتفاع درجات الحرارة الشديد أو الجفاف أو البرودة القارسة.

ما هي المعايير الأساسية للسلامة الخاصة بأنظمة تخزين الطاقة الكهربائية خارج الشبكة (BESS)؟
بعض معايير السلامة الرئيسية هي UL 9540 لسلامة النظام الكامل، والمادة 706 من قانون الكهرباء الوطني (NEC) للحماية الكهربائية، وNFPA 855 لإرشادات السلامة من الحرائق.

كيف تحسّن بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) السلامة والكفاءة؟
تتحسّن سلامة وكفاءة نظام الإدارة الحرارية لأن بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) أكثر استقرارًا حراريًّا، وتتمتّع بخطر أقلّ للانفلات الحراري، وتعمل عند درجات حرارة أقل في جميع سيناريوهات الفشل، وتولّد حرارة أقل.