كيف يتم ضمان سلامة بطاريات تخزين الطاقة؟

تخزين الطاقة بطاريات ومخاطر التفاعل الحراري العنيف

فهم انتقال الحرارة في أنظمة البطاريات الليثيوم-أيون

ما يزال التفاعل الحراري العنيف أخطر مشكلة أمان بالنسبة للبطاريات الليثيوم-أيون بطاريات تخزين الطاقة ، والذي يحدث عندما تتجاوز كمية الحرارة المنتولدة معدل تبديدها أثناء التشغيل. يبدأ هذا التأثير المتسلسل عند درجة حرارة تتراوح بين 160 و210 مئوية لأنواع NMC (النيكل المنغنيز الكوبالت)، بينما تقفز إلى 270 مئوية في نوع LFP (ليثيوم حديد الفوسفات) الأفضل أمانًا بسبب تركيب كيميائي أكثر استقرارًا في البلورة (دراسة مختبر طرف ثالث، 2025). هناك ثلاثة عوامل محتملة تحكم تحليل العطل:

• تلف ميكانيكي ناتج عن تأثير أو ضغط
• إساءة استخدام كهربائية ناتجة عن الشحن الزائد أو الدوائر القصيرة
• إجهاد حراري يتجاوز حدود التشغيل المسموحة

العام 2024 التقارير العلمية أظهرت دراسة أن التسخين الجانبي يُسرع من انتشار الحرارة بنسبة 34% أسرع من التسخين العمودي في الأنظمة متعددة الخلايا، مع وصول درجات الحرارة القصوى إلى أكثر من 800°م خلال فشل متسلسل. أصبحت التصاميم الوحدوية مع الفواصل المقاومة للهب تؤخر حدود درجات الحرارة الحرجة بمدة تتراوح بين 12 إلى 18 دقيقة، مما توفر وقت استجابة حيوي لأنظمة الأمان.

استراتيجيات احتواء الحريق لأنظمة تخزين الطاقة الكهربائية (BESS)

تستخدم أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية الحديثة (BESS) بروتوكولات احتواء متعددة الطبقات تجمع بين الإجراءات السلبية والإيجابية:

1. الحواجز السلبية لمقاومة الحريق التي تستخدم ألياف سيراميكية أو طلاءات منتفخة تتحمل 1,200°م لمدة 90 دقيقة فأكثر
2. أنظمة تهوية الغاز إعادة توجيه نواتج التفاعل الحراري بعيدًا عن الوحدات غير المتأثرة
3. الوحدات المحصورة تقييد توفر الأكسجين لإخماد الاشتعال

أظهرت تحليل المقارنة لعام 2025 أن التركيبات المزودة بكشف الدخان المتكامل والتبريد السائل قللت من اندلاع حرائق حرارية على نطاق واسع بنسبة 78% مقارنةً بالأنظمة المبردة بالهواء. كما يقلل الالتزام بمعايير NFPA 855 فيما يتعلق بالتباعد (3 أقدام بين الوحدات) من مخاطر الاشتعال المتسلسل من خلال إبطاء معدلات انتقال الحرارة إلى أقل من 0.8°م/ثانية.

دراسة حالة: تحليل حادث حريق بطارية عام 2023

سلطت حادثة حريق في نظام تخزين الطاقة الكهربائية على مستوى الشبكة الكهربائية في عام 2023 الضوء على فجوات تصميمية حاسمة عندما أدت عملية التفريغ الذاتي غير الطبيعية في ثلاث وحدات NMC إلى تراكم حراري لم يتم اكتشافه. ومن أبرز الاستنتاجات التي خرجت بها التحليل الجنائي:

• كانت هناك فترة تأخير مدتها 22 ثانية في إبلاغ مستشعرات درجة الحرارة عن الحدود الحرجة
• كانت الجدران العازلة تفتقر إلى مقاومة كافية للتآكل في البيئات ذات الرطوبة العالية
• كان يحتاج المسعفون إلى تدريب متخصص للتعامل مع حرائق الليثيوم

أظهرت المحاكاة بعد الحادثة أن بروتوكولات الإغلاق الطارئ المُحسّنة كان يمكنها احتواء الضرر ليصل إلى 11% من المرفق بدلاً من الخسارة الفعلية البالغة 63%. سرّعت هذه الحادثة فرض متطلبات تنظيمية لرصد درجة الحرارة ثنائي المسار والتفتيش الدوري باستخدام التصوير الحراري في 14 ولاية أمريكية.

تخزين الطاقة بطاريات بروتوكولات اختبار السلامة

أساليب اختبار UL 9540A لاختبارات الحرائق على نطاق واسع

الإجراءات الحديثة للسلامة التي تُطبَّق على بطاريات تخزين الطاقة تستند إلى اختبارات الحريق القياسية مثل UL 9540A، وتستند أيضًا إلى تقييمات مخاطر الحريق التي تتضمن نماذج أساسية لانتشار التفاعل المتسلسل لانطلاق الحرارة العشوائي والحدوث المحتمل لسيناريوهات أسوأ الحالات مثل فشل وحدات البطارية بشكل متسلسل. يسمح إصدار UL 9540A المحدث حديثًا (2025) بتقييم تقنيات جديدة مثل بطاريات أيون الصوديوم ويضمن مراجعة صارمة لمخاطر الحريق. على سبيل المثال، تشير نتائج الاختبار ما إذا كانت المنشآت تحتاج إلى أغطية مقاومة للحريق أو أنظمة تهوية للتحكم في انبعاثات الغاز. كما أصبح تصنيف كيمياء وحدة الطاقة الآن أكثر شمولًا، وهو ما يعكس التقدم العام في صناعة تخزين الطاقة.

متطلبات تقييم المتانة CSA C800-2025

CSA C800-2025 CSA C800-2025 ، الذي تم تطويره في Argonne ، هو المعيار المرافق لبطاريات المركبات ويركز على تحسين متطلبات المتانة لأنظمة البطاريات مع التركيز بشكل أكبر على المتانة الميكانيكية والبيئية. يتضمن الاختبار 2000 ساعة + من الدورة الحرارية "المحاكاة" ، وتوتر الاهتزاز لتكون مساوية لظروف المنطقة الزلزالية 4 ، ووضع الرطوبة في 95٪ RH. يؤكدون أن مع حالات البطارية لن يكون هناك تسرب للكهربائيات في الطقس القاسي، وهو أمر مهم بشكل خاص في المناطق الساحلية أو خطر الزلازل.

عملية شهادة الطرف الثالث لمصداقية ESS

تقوم هيئات التصديق المستقلة بتحقق من صحة أنظمة تخزين الطاقة من خلال عمليات تدقيق متعددة المراحل متوافقة مع معايير NFPA 855 و IEC 62933. هذه العملية تنطوي على:

• تحليل المواد على مستوى المكونات (مثل سلامة جهاز الفصل المقاوم للنار)
• اختبار الإجهاد التشغيلي للنظام بالكامل عند ± 15% من تحمل الجهد
• تقييمات الأمان السيبراني لأنظمة إدارة البطاريات المتصلة بالسحابة

يقوم المُصدِّقون بإجراء تفتيش مفاجئ للمنشآت لضمان الامتثال المستمر، حيث يعود 93% من عمليات التدقيق الفاشلة إلى عدم ضبط أجهزة استشعار الحرارة بشكل صحيح (تقرير سلامة ESS 2024).

تخزين الطاقة بطاريات مزايا الأمان في التصميم

تم تصميم أنظمة الأمان بحيث توفر ضمانًا للأمان العالي لبطاريات تخزين الطاقة ضد الانطلاق الحراري من خلال إجراءات هندسية متعددة المستويات. تتركز الابتكارات الرئيسية في ثلاث مجالات، وهي: نظام إدارة بطاريات متقدم (BMS) لمراقبة الحالة في الوقت الفعلي، وتركيب إلكتروليت مقاوم للهب، وهندسة وحدية (Modular Architecture) لتحديد موقع الأعطال بدقة. مجتمعةً، تزيد هذه المبادئ التصميمية من قدرة الأنظمة على التحمل عند حدوث أخطاء محلية، وتقلل من احتمال حدوث فشل كارثي.

هندسات متقدمة لنظام إدارة البطاريات (BMS)

تستخدم أنظمة إدارة البطاريات المعاصرة خوارزميات تنبؤية لمراقبة مستوى الجهد لكل خلية ودرجة الحرارة الداخلية ونسبة الشحن (SoC). من ضمن عملياتها، التعرف المبكر على أي شذوذ، مثل على سبيل المثال: الشحن الزائد أو الإجهاد الحراري، وتفعيل إيقاف م proactive للوحدات المتضررة قبل أن تتفاقم التدهور بشكل كبير. هذا التدخل الفوري يتيح تجنب تحول بعض المشاكل المحلية إلى أحداث حرارية في النظام بأكمله، وهو أمر بالغ الأهمية خاصة في التركيبات الكبيرة.

التطورات في علم المواد فيما يتعلق بالمواد الإلكتروليتية المقاومة للهب

تم تحقيق تقدم استثنائي في كيمياء الإلكتروليتات مع التركيز على الإلكتروليتات المقاومة للهب بشكل جوهري، والتي لا تقاوم الاشتعال فحسب، بل تبطئ أيضًا انتشار الحريق. كشف تحديث أبحاث السلامة الخاصة ببطاريات 2024 عن تصميمات البطاريات ذات الحالة الصلبة التي تعتمد على منهجية اختزال الإلكتروفيلات لتأمين الإلكتروليتات وتقليل نمو الشوائب الليثيومية. يؤدي هذا الاستراتيجية إلى كفاءة كولومبية تبلغ 99.9% وعمر دوري يصل إلى 10,000 ساعة مع تقليل خطر الاشتعال.

تصميم معياري لعزل الأعطال ومنع انتشارها

تُقسم التكوينات المعيارية للبطاريات الخلايا إلى وحدات مقاومة للحريق تفصل بينها حواجز حرارية. إذا حدث انطلاق حراري، يحصر هذا التصميم الضرر داخل الوحدة الأصلية، ومنع انتقاله إلى الوحدات الأخرى. من خلال عزل الأعطال، يمكن للأنظمة الحفاظ على جزء من وظيفتها أثناء إجراء الإصلاحات، مما يقلل وقت التوقف ويتيح استبدال المكونات المستهدفة دون الحاجة إلى إيقاف كامل.

بطاريات تخزين الطاقة متوافقة مع معيار NFPA 855

مسافات التباعد ومواصفات الغلاف

وبالتالي، تتطلب NFPA 855 وجود مسافة حد أدنى قدرها ثلاثة أقدام بين وحدات ESS والجدار الأقرب لمساعدة في منع انتشار التفاعل الحراري العنيف. يمكن تقليل هذه المسافات باستخدام اختبارات شاملة للحواجز المقاومة للحريق وخيارات التخفيف المؤكدة. وقد ابتعدت الشركات الرائدة في الصناعة عن استخدام البلاستيك القابل للاشتعال في تصميم الأغلفة الفولاذية المعززة ذات التصنيف UL 94 V-0، مما يساعد على تقليل مخاطر انتقال الحرارة بنسبة 40-60% مقارنة بالتصاميم غير المصنفة.

متطلبات أنظمة الكشف عن الدخان وتهوية المباني

يجب أن تُفعّل أنظمة الكشف المتقدمة عن الدخان الإنذارات خلال 30 ثانية من اكتشاف الجسيمات، وفقًا لإرشادات NFPA 72. وتتركز تصميمات التهوية على تخفيف الغازات القابلة للاشتعال مثل فلوريد الهيدروجين، ويتطلب ذلك 12-15 تبديل هواء في الساعة داخل المساحات المغلقة. وأظهرت دراسة أجرتها الصناعة في عام 2023 أن التهوية المناسبة تقلل من مخاطر تراكم الغاز بنسبة 60% في سيناريوهات التفاعل الحراري العنيف.

اعتماد معايير الحماية من الحرائق على مستوى الولايات

في الوقت الحالي، تتطلب 23 ولاية تطبيق معيار NFPA 855 في تركيبات البطاريات على نطاق المرافق، مع اشتراط كل من ميتشيغان وكاليفورنيا أيضًا إجراء تحليلات مستقلة لتقييم المخاطر الخاصة بالموقع فيما يتعلق الحرائق التي تحدث بعد عام 2023. الأكثر تأثرًا: يشير التقرير الوطني للسلامة لعام 2024 إلى أن 89% من المشاريع الجديدة الآن تتجاوز المعايير الدنيا لمعايير NFPA من خلال استخدام جدران نارية متعددة الطبقات وأنظمة إخماد آلية. كاليفورنيا، وعدد دزينة من الولايات الأخرى تنهي صياغة خطط 2025 بمتطلبات أكثر صرامة لإخلاء أنظمة تخزين الطاقة في المناطق الحضرية.

التخطيط للاستجابة الطارئة لبطاريات تخزين الطاقة

بروتوكولات التنسيق مع إدارة الإطفاء لحرائق أنظمة تخزين الطاقة الكهروكيميائية (BESS)

تشمل قواعد مكافحة الحرائق لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) ضرورة وضع خطة للرد على الطوارئ بشكل ناجح. يجب على الجهات المعنية إعداد خطط مسبقة للحوادث تتضمن استراتيجيات محددة لإخماد حرائق التحلل الحراري، وإجراءات عزل الكهرباء، واستراتيجيات استخدام الماء المناسبة لكل كيميائية من كيميائيات الليثيوم أيون المختلفة. كما يجب تنفيذ تدريبات تدريبية مشتركة بين المشغلين وفرق الإطفاء يتم فيها تعليم المسعفين الأوائل مواقع أبواب البطاريات ومفاتيح القطع الخاصة بها. بالإضافة إلى ذلك، يجب دمج مشاركة المعلومات في الوقت الفعلي بين أنظمة المراقبة في المرافق ومراكز قيادة الحوادث ضمن أطر الاتصال لمساعدة فرق السيطرة على احتواء الأحداث الحرارية.

استراتيجيات تقليل تأثير الصحة العامة

تُعرض مخاطر الصحة العامة في حوادث أنظمة تخزين الطاقة (BESS) على شكل احتواء متعدد الطبقات للغازات السامة وإطلاق الجسيمات. وتُنشئ التهوية الاستراتيجية والرصد الجوي مناطق استبعاد لحماية المجتمعات. ويجب أن تأخذ خطط الإجلاء في الاعتبار نموذج انتشار السحابة (أنماط الرياح وكيمياء البطارية). وتعمل مبادرات مثل التعاون العالمي لمأمون بطاريات الليثيوم أيون على تطوير وسائل أفضل لاحتواء حزمة بطاريات تالفة. وتشجع هذه الإرشادات على التحكم طويل المدى في جودة الهواء من خلال أخذ عينات بيئية بعد الحادث ومراقبة الصحة.

قسم الأسئلة الشائعة

ما هو الانفجار الحراري في بطاريات تخزين الطاقة؟

الانفجار الحراري هو مسألة أمان تتعلق ببطاريات الليثيوم أيون، ويحدث عندما يتجاوز إنتاج الحرارة قدرة التبريد، مما يؤدي إلى تأثير متسلسل في نظام البطارية.

كيف يمكن منع الانفجار الحراري في أنظمة تخزين الطاقة؟

يمكن منع التفاعل الحراري الانفجاري من خلال تصميمات وحدوية تحتوي على فواصل مقاومة للهب، وحواجز نارية سلبية، وأوعية مجزأة، ومراقبة في الوقت الفعلي عبر أنظمة إدارة بطاريات متقدمة.

ما هي معايير السلامة ذات الصلة ببطاريات تخزين الطاقة؟

معايير NFPA 855 وUL 9540A وCSA C800-2025 هي معايير سلامة رئيسية يجب الالتزام بها، وتركز على اختبارات الحريق ومتطلبات المتانة وممارسات التركيب الصحيحة.

ما هي استراتيجيات احتواء الحريق الرئيسية لأنظمة تخزين الطاقة؟

تستخدم أنظمة تخزين الطاقة تدابير سلبية وفعالة مثل حواجز الحريق وأنظمة تهوية الغاز والأوعية المقاومة للحريق لاحتواء الحرائق وتقليل الأضرار.

ما الدور الذي تلعبه إدارة البطارية المتقدمة في ضمان السلامة؟

تستخدم معمارية نظام إدارة البطارية المتقدمة خوارزميات تنبؤية لتتبع المعلمات الحرجة، مما يُفعّل عمليات إيقاف مبكرة لمنع حدوث أحداث حرارية على مستوى النظام.