ما المزايا التي تقدمها حاويات تخزين البطاريات المبردة بالسوائل لأنظمة تخزين الطاقة على نطاق واسع؟

ضمن إدارة حرارية لا مثيل لها لتعزيز الأداء الموثوق عبر الشبكة الكهربائية

أهمية التوحُّد في درجة الحرارة (±١٫٥°م) لتحقيق تحكُّمٍ ثابتٍ في التردد

تُحافظ التبريد السائل على درجة حرارة حاويات تخزين البطاريات ضمن نطاق ±١٫٥ درجة مئوية بشكلٍ مثالي. وتُعد استقرار درجة الحرارة عند هذا المستوى أمرًا بالغ الأهمية لتمكين البطاريات من الاستجابة بسرعة ودقة للتغيرات في التردد. وفي غياب هذا التحكم الموحَّد في درجة الحرارة، تصبح البطاريات بطيئة الاستجابة ويقل كفاءتها بسرعة. وقد أثبتت هذه الأنظمة قدرتها، كما هو موثَّق، على التحكم في تردد الشبكة ضمن نطاق ٠٫١ هرتز طوال التغيرات المفاجئة في الطلب. وعلى النقيض من ذلك، فإن أنظمة التبريد بالهواء تُظهر دائمًا تقريبًا فرقًا في درجة الحرارة يبلغ ٥ درجات مئوية، ما يؤدي – بالإضافة إلى عوامل أخرى – إلى مشكلات في التحكم في التردد ويؤثر سلبًا على إنتاج القدرة العكسية. وتُظهر اختبارات UL 9540A أن الإدارة السليمة للحرارة تؤدي إلى خفضٍ بنسبة ٤٠٪ في المشكلات المرتبطة بالتردد مقارنةً بأنظمة التبريد بالهواء. وفي التطبيقات الشبكية الكبيرة النطاق لمصادر الطاقة المتجددة، يلزم تحقيق هذا المستوى من التجانس الحراري لتفادي حالات الفشل النظامي الأكبر.

الأدلة المتعلقة بالحالة: مشروع AES Alamitos للتخزين البطاري بسعة ٤٠٠ ميغاواط ساعة – توافر بنسبة ٩٩,٢٪ باستخدام حاويات تخزين بطاريات مبردة سائلًا

حقَّق مشروع AES Alamitos بسعة ٤٠٠ ميغاواط ساعة نسبة توافر سنوية بلغت ٩٩,٢٪ باستخدام حاويات تخزين الطاقة بالبطاريات المبرَّدة سائلًا. وتشير هذه النسبة العالية من التوافر إلى فعالية التصميم الحراري للنظام، وكذلك إلى متانة الأداء التشغيلي للنظام ككل. وقد ظل هذا التكوين قيد التشغيل والتعاقد مع الشبكة الكهربائية طوال عامٍ كامل، بما في ذلك فترات التفريغ المستمر، وتعديل أحمال الطلب، والمدد التشغيلية الطويلة. كما تم التعاقد على هذا التكوين لتوفير خدمة الاستجابة الترددية النشطة وتوازن الأحمال خلال الفترة المذكورة. وكيف تحقَّق ذلك؟ لقد نجح نظام التبريد السائل المدمج في النظام في التخلُّص الفعّال من المشكلات الحرارية التي تسببها الأنظمة الأخرى، والحفاظ على درجة حرارة مثلى ثابتة لكل خلية على حدة. ونتيجةً لذلك، انخفضت حالات الصيانة غير المخطط لها والمشكلات الحرارية بنسبة ٥٠٪. وبفضل هذا التكوين، حقَّق المشروع عائدات إضافية من خدمات الدعم التشغيلية ذات الاستجابة السريعة خلال فترة تشغيله، إضافةً إلى خفض تكاليف التشغيل والصيانة (O&M). ويمثِّل هذا المشروع دليلاً إضافيًّا وحلًّا عمليًّا يلبِّي الحاجة المتزايدة بسرعة إلى الحاويات المبرَّدة سائلًا في مشاريع تخزين الطاقة على نطاق واسع.

تحسين السلامة مع التخفيف المتكامل الإضافي لاندلاع الحرارة

البيانات من اختبار UL 9540A: لماذا تُعزى ٧٨٪ من حوادث أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية (BESS) إلى نقاط سخونة موثوقة تعتمد على التبريد بالهواء

وفقاً لاختبارات معيار UL 9540A، يُعَد التسخين غير المتجانس أكبر خطرٍ يهدِّد السلامة في أنظمة تخزين الطاقة البطارية على نطاق واسع. وأكبر التحديات التي نواجهها تنبع من بؤر الحرارة الزائدة المذكورة سابقاً في الأنظمة المبرَّدة بالهواء. وعندما لا يمكن تبريد الهواء المستخدم في هذه الأنظمة بمقدار يزيد عن ١٥ درجة مئوية بين حزم البطاريات، فإن بعض البطاريات تُبرَّد إلى ما دون درجات حرارة التشغيل الآمنة لها بكثير، مما يُسرِّع من عملية التدهور. وبذلك تنشأ بسرعةٍ حالةٌ كبيرةٌ من عدم التوازن في المقاومة الكهربائية، وتزداد احتمالية حدوث انفلات حراري خلال دورات الشحن العالية. وحال وصول هذه الحالة الانفلاتية، فإن الحرارة ستنتشر بسرعةٍ إلى الخلايا المجاورة، لأن نظام التبريد المذكور سابقاً لن يكون قادراً على توفير التبريد الكافي، كما سيكون هناك كمية وافرة من الأكسجين المعلَّق في الهواء لتغذية الحريق. وبمرور بضعة دقائق فقط، قد يتطوَّر ما كان في البداية مشكلةً طفيفةً إلى حريقٍ كاملٍ.

سائل تبريد عازل + كشف حراري فوري للحرائق: خفض بنسبة ٦٧٪ في زمن انتشار الحريق

عند دمجه مع تبريد العزل بالغمر، يمكن للتحليلات التنبؤية المتعددة الاستشعار تقليل زمن انتشار الانفجار الحراري بنسبة تصل إلى ٦٧٪. وتتمكّن سائل التبريد الخاص غير الموصل من امتصاص الحرارة بزيادة قدرها ٣٫٥ مرات مقارنةً بالهواء، كما يحجب الأكسجين ويمنع فيزيائيًّا اتصال الخلايا الفاشلة ببعضها البعض. ويمكن لأنظمة المراقبة الفورية اكتشاف المؤشرات المبكرة على وجود مشكلة، مثل التغيرات الطفيفة في الجهد، أو الارتفاع المفاجئ في تركيز ثاني أكسيد الكربون، أو الزيادات المحلية في درجة الحرارة. وبمجرد أن يكتشف النظام هذه الظواهر، يمكنه عزل الوحدات المتأثرة تلقائيًّا خلال ثوانٍ معدودة. وهذا يعني أنه بدلًا من التعامل مع المشكلات التي قد تنتشر إلى حاويات أخرى، فإن هذه المشكلات تُحتوَى في مكان نشوئها بالضبط. وفي دراسات الاختبار الميداني، انخفض متوسط زمن الاستجابة من ٨ دقائق إلى ٢٫٥ دقيقة. ويسهم هذا التحسّن في الزمن بشكل كبير في رفع مستوى احتواء الحوادث، كما يعزز سلامة العاملين الذين قد يتعرضون لظروف خطرة.

عمر افتراضي أطول وتكاليف تشغيل وصيانة أقل بفضل التبريد الدقيق

معيار وزارة الطاقة الأمريكية لعام ٢٠٢٣: دورة حياة تتراوح بين ١٥ و٢٠ سنة مقارنةً بـ ١٠–١٢ سنة لأنظمة التبريد بالهواء

تقرير معايير أداء أنظمة تخزين البطاريات (BESS) لعام 2023 الصادر عن وزارة الطاقة الأمريكية، على سبيل المثال، يشير إلى أن التبريد السائل الدقيق للبطاريات الليثيوم-أيون يتضمَّن دمج آليات تبريدٍ تنظِّم درجة الحرارة ضمن نطاقٍ يبلغ حوالي ±١٫٥°م. ويُسهم ذلك في الحد من فقدان السعة الحاد الذي تشهده الأنظمة المبرَّدة بالهواء. وبالتالي، يساعد هذا النهج البطاريات على تقديم عمر دوراتٍ أطول. فبدلًا من أن تعمل لمدة تتراوح عادةً بين ١٠ و١٢ عامًا مع أنظمة التبريد التقليدية، يمكن للبطاريات أن تعمل لمدة تتراوح بين ١٥ و٢٠ عامًا مع الحفاظ على أكثر من ٨٠٪ من سعتها الأصلية. وبشكل عام، فإن عمر الدورات المتكرر للبطاريات يعني أنها ستتطلَّب الاستبدال بوتيرة أقل بنسبة تصل إلى الثلثين. وينتج عن هذا الانخفاض في تكرار استبدال البطاريات خفضٌ في التكلفة المرتبطة بكل عملية استبدال. وتبيِّن تحليلات معهد بونيمون لتكلفة دورة الحياة، في هذا الصدد، أن الشركات ستوفر ما يقارب ٧٤٠٠٠٠ دولار أمريكي لكل ١٠٠ ميغاواط ساعة من سعة التخزين على المدى الطويل.

القابلية للتبديل الساخن في وحدات تخزين البطاريات تقلل وقت التوقف عن العمل بنسبة ٩٢٪

تم تصميم حاويات التخزين لتمكين الفنيين من إجراء عمليات استبدال وحدات البطاريات في الموقع. وهذا يعني أن الأنظمة بأكملها يمكن أن تظل قيد التشغيل أثناء استبدال الوحدات، كما يمكن خفض الوقت المستغرق في الصيانة بشكل كبير. وقد أكّدت برنامج الاختبار الذي نفّذته هيئة ERCOT عام 2023 أن استخدام هذه الوحدات يقلّل متوسط فترات التوقف الشهري من ١٤٫٥ ساعة إلى ما يزيد قليلاً عن ساعة واحدة. وبالتكامل مع بعض أدوات المراقبة التنبؤية لصحة النظام، يمكن رفع نسبة وقت التشغيل الفعلي للنظام إلى نحو ٩٩٪ تقريبًا، كما يمكن خفض تكاليف العمالة الخاصة بالتشغيل والصيانة بنسبة تصل إلى ٦٠٪ تقريبًا. ومن المزايا المهمة الأخرى لهذه التصميمات الوحدوية سهولة دمج وحدات إضافية في النظام. وتُصمَّم حلول البطاريات الوحدوية لتدمج بسلاسة في الأنظمة القائمة دون الحاجة إلى إعادة تثبيت أو إعادة تهيئة الأساسات أو الأسلاك الكهربائية أو أنظمة التبريد. وهذا يقلّل بشكل كبير من الحاجة إلى عمليات التحديث المكلفة، ويسمح بنشر التجهيزات الجديدة بشكل أسرع بكثير مقارنةً بالحلول التقليدية.

حلول تخزين قابلة للتوسّع وفعّالة من حيث التكلفة والكفاءة في استخدام المساحة لمواقع ذات الكثافة العالية

توفر حاويات تخزين البطاريات المبرَّدة بالسوائل ما يقارب ٤٠٪ أكثر من السعة التخزينية لكل متر مكعب مقارنةً بالحاويات المبرَّدة بالهواء، وبالتالي فهي أكثر فعالية من حيث التكلفة في البيئات الحضرية الكثيفة مثل محطات توزيع الطاقة في المدن ومواقع التصنيع، وكذلك في أنظمة الميكروغريد خارج الشبكة حيث تكون تكاليف الأراضي مرتفعة جدًّا. وبسبب التعبئة الكثيفة التي تتجاوز ميغاواطًا واحدًا لكل وحدة بطارية، فإن الأنظمة المبرَّدة بالهواء تتعرّض لخطر حدوث أعطال ناجمة عن «نقاط ساخنة» وتقليل عمر التجميعات المُعبَّأة. أما حاويات البطاريات المبرَّدة بالسوائل فتوزّع سائل التبريد حتى عند التعبئة التي تتجاوز ميغاواطًا واحدًا لكل حاوية، مما يساعد في التحكم في عدم تجانس درجات الحرارة ويسمح بالتجميع الرأسي للبطاريات وبتقريبها أكثر من بعضها. كما تساهم الحاويات الوحدوية (المودولارية) في خفض الوقت والتكاليف من خلال تقليل عمليات التصنيع الميداني. وبالمقارنة مع تصاميم الحاويات الأخرى، فإن الأنظمة المبرَّدة بالهواء جاهزة للنشر بسرعة تفوق ثلاث مرات.

الأسئلة الشائعة

لماذا يعد التبريد السائل أكثر كفاءة من التبريد بالهواء للبطاريات؟

في حالة البطاريات، غالبًا ما يتسبب التبريد بالهواء في تقلبات حرارية أكبر وتبريد غير متجانس. وهذا يؤدي إلى أداء ضعيف، وانخفاض عمر البطارية، وزيادة الحاجة إلى الصيانة أو الاستبدال. أما التبريد السائل فيتفادى هذه المشكلات من خلال توفير درجات حرارة ثابتة والحفاظ عليها.

لماذا يُعد التبريد الدقيق مفيدًا للبطاريات؟

بمنع ارتفاع درجة حرارة البطارية فوق المستوى الأمثل، يطيل التبريد الدقيق عمر البطارية ويساعد على الحفاظ على سعتها القابلة للاستخدام. وبالتالي، فإن البطاريات المبردة سائلًا ستتمتع بعمر افتراضي يبلغ ٢٠ عامًا، بينما لن تتجاوز البطاريات المبردة بالهواء عمرها الافتراضي ١٠–١٢ عامًا.

ما أهمية التخفيف من خطر الانفلات الحراري فيما يتعلق بسلامة البطاريات؟

تلعب التخفيف من الانهيار الحراري دورًا مهمًا في سلامة البطاريات، لأنها تحد من الانتشار السريع للحرارة والحريق في أنظمة البطاريات. وتؤدي الأنظمة المدمجة للتبريد العازل والكشف النشط عن الحرائق إلى تقليل زمن انتشار الحرارة والتخفيف من الأضرار.