تشخیص گاز در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS)

تحول جهانی در حوزه انرژی دیگر در راه نیست، بلکه هم‌ اکنون رخ داده است. سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS) که زمانی به عنوان یک فناوری نو ظهور تلقی می‌شدند، اکنون بخش ضروری از روش‌های مدیریت انرژی توسط صنایع، زیرساخت‌ها و دولت‌ها هستند. چه برای تثبیت شبکه برق، حمایت از پروژه‌های انرژی تجدیدپذیر، تأمین انرژی ایستگاه‌های شارژ خودروهای الکتریکی یا پشتیبانی از دیتاسنترها، نصب سیستم‌های BESS به سرعت در استرالیا و فراتر از آن به یک استاندارد تبدیل می‌شود.

اما همراه با این تحول، خطراتی نیز وجود دارد.

با وجود همه کارایی و قابلیت مقیاس‌پذیری آن‌ها، سیستم‌های BESS خطرات جدی دارند و یکی از کم‌ارزش‌ترین خطرات، انتشار گاز است. در برخی حالت‌های خرابی، باتری‌های لیتیوم-یون می‌توانند گازهایی بسیار سمی یا قابل اشتعال تولید کنند، بدون هشدار قبلی یا با هشدار بسیار کم. هنگامی که این اتفاق بیفتد، پیامدها شدید است و می‌تواند از قرار گرفتن کارکنان در معرض خطر و توقف فعالیت‌های تأسیسات تا آتش‌سوزی یا انفجار کامل را در بر گیرد.

درک خطر انتشار گاز در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS)

یکی از خطرناک‌ترین سناریوهای خرابی در باتری‌های لیتیوم-یون، گریز حرارتی (Thermal Runaway) است. این یک واکنش زنجیره‌ای است که در آن آسیب داخلی سلول یا گرمای بیش از حد باعث افزایش سریع دما می‌شود، که به نوبه خود تولید گاز، حرارت و احتمال اشتعال را به همراه دارد. گریز حرارتی می‌تواند توسط شارژ بیش از حد، آسیب فیزیکی، خطاهای داخلی یا نقص‌های تولیدی ایجاد شود. پس از آغاز، این واکنش می‌تواند به سرعت به سلول‌ها و ماژول‌های مجاور منتقل شود. این مکانیزم خرابی به‌طور گسترده توسط سازمان‌هایی مانند انجمن ملی حفاظت در برابر آتش (NFPA) و آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) مطالعه و مستند شده و پایه‌ای برای آزمون‌ها تحت استاندارد UL 9540A را فراهم می‌کند.

حتی پیش از وقوع یک رویداد گریز حرارتی، انتشار جزئی گاز می‌تواند در حین شارژ، فرسودگی یا شرایط خطای کوچک رخ دهد و اغلب بدون هیچ هشدار قابل مشاهده‌ای است. اگر این گاز شناسایی نشود، می‌تواند انباشته شده و در مواجهه با جرقه، منبع حرارت یا حتی الکتریسیته ساکن، خطر اشتعال ایجاد کند. آنچه انتشار گاز را به‌ویژه خطرناک می‌کند این است که تماس با گازهای سمی می‌تواند پیش از کاهش سطح اکسیژن یا ظهور هر گونه دود قابل مشاهده رخ دهد.

علائم ممکن است شامل موارد زیر باشد:

• تحریک چشم یا گلو
• سرگیجه، حالت تهوع یا سردرد
• دشواری در تنفس
• سردرگمی یا خواب‌آلودگی
• سوختگی شیمیایی ریه‌ها در مواجهه با غلظت بالای HF

این‌ها علائم هشدار اولیه هستند، نه از بابت آتش‌سوزی، بلکه به دلیل انباشت گازهای سمی. در صورت وقوع احتراق، دود ناشی از آتش‌سوزی باتری شامل ترکیبی گسترده از مواد مضر از جمله منوکسید کربن، دی‌اکسید کربن و ذرات معلق به همراه گازهای اسیدی، ترکیبات آلی فرار (VOCs) و محصولات جانبی احتراق است.

چه گازهایی از سیستم‌های BESS منتشر می‌شوند

وقتی باتری‌های لیتیوم-یون داغ می‌شوند، فرسوده می‌شوند یا دچار خرابی می‌شوند، می‌توانند طیف گسترده‌ای از گازهای خطرناک را آزاد کنند که بسیاری از آن‌ها سمی، قابل اشتعال، خورنده یا پایدار در محیط زیست هستند. ترکیب دقیق گازها بستگی به شیمی باتری، وضعیت شارژ و حالت خرابی دارد، اما حتی رویدادهای کوچک نیز می‌توانند خطرات جدی برای سلامت و ایمنی ایجاد کنند.

گازها و بخارات رایج شامل موارد زیر هستند:

• هیدروژن (H₂): بی‌رنگ، بی‌بو، بسیار قابل اشتعال و در غلظت‌های کم انفجاری
• منوکسید کربن (CO): سمی و نامرئی، به هموگلوبین متصل شده و انتقال اکسیژن را محدود می‌کند
• هیدروژن فلوراید (HF): خورنده برای پوست و ریه‌ها، حتی در سطوح بسیار پایین خطرناک است
• متان (CH₄) و اتیلن (C₂H₄): هیدروکربن‌های قابل اشتعال که به ایجاد جو انفجاری کمک می‌کنند
• ترکیبات آلی فرار (VOCs): مانند حلال‌ها و الکل‌ها، بسته به میزان تماس تحریک‌کننده یا مضر هستند
• دی‌اکسید کربن (CO₂): باعث کاهش اکسیژن در فضاهای بسته می‌شود
• ذرات معلق (PM/دود): ذرات ریز قابل استنشاق که می‌توانند به ریه‌ها آسیب زده و خطرات تنفسی را افزایش دهند
• سایر محصولات جانبی: آلدهیدها، گازهای اسیدی، دی‌اکسید گوگرد (SO₂)، اکسیدهای نیتروژن (NOx)، هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای (PAHs)، بنزن، تولوئن، فلزات و دیوکسین‌ها که بسیاری از آن‌ها سرطان‌زا یا خطرناک برای محیط زیست هستند.

این مواد می‌توانند پیش از ظهور هرگونه علامت قابل مشاهده از آتش‌سوزی یا کاهش اکسیژن وجود داشته باشند. در یکی از آزمایش‌های مستند شده آتش‌سوزی در مقیاس کامل، یک سیستم BESS لیتیوم-یون با ظرفیت ۱۰۰۰ کیلووات‌ساعت بیش از ۲۰۰ کیلوگرم هیدروژن فلوراید آزاد کرد (UL 9540A). این فقط یک خطر آتش‌سوزی نیست، بلکه یک رویداد انتشار گاز سمی است که می‌تواند پیامدهای شدیدی برای پرسنل و زیرساخت‌های مجاور داشته باشد.

بسیاری از این گازها بی‌بو، بی‌رنگ و سنگین‌تر از هوا هستند، به این معنا که می‌توانند در نقاط پایین، گودال‌ها یا گوشه‌ها انباشته شوند بدون اینکه هشدارهای ابتدایی آتش‌سوزی فعال شوند. این موضوع باعث می‌شود که سیستم‌های تشخیص هدفمند گاز، قابل اعتمادترین روش برای شناسایی و واکنش به رویدادهای انتشار گاز در BESS باشند، پیش از آنکه وضعیت تشدید شود.

طراحی یک سیستم تشخیص مؤثر

انتخاب دتکتورهای گاز مناسب تنها بخشی از راه‌حل است. تشخیص مؤثر گاز در محیط BESS همچنین به طراحی هوشمندانه سیستم بستگی دارد. هدف این است که انباشت گاز را به اندازه‌ای زود تشخیص دهیم که بتوان اقدام کرد، پیش از آنکه به سطوح خطرناک برسد.

برای مقابله با این خطرات، ما موارد زیر را توصیه می‌کنیم:

• ارتفاع نصب سنسور: متناسب با نوع گاز مورد انتظار باشد.
• تکرارپذیری (Redundancy): در مناطق پرخطر، از سنسورهای سه‌گانه تکراری استفاده کنید تا یک خرابی منفرد شما را در معرض خطر قرار ندهد.
• یکپارچه‌سازی: سیستم تشخیص گاز را مستقیماً به پنل‌های آتش‌سوزی یا سیستم‌های کنترل سایت متصل کنید تا هشدار و واکنش فوری فراهم شود.
• پایش لحظه‌ای: کنترلرهایی انتخاب کنید که دید مستمر از وضعیت گاز ارائه دهند، نه صرفاً هشدار در هنگام عبور از آستانه‌ها.

طراحی‌های اخیر ما برای اتاق‌های BESS از سنسورهای تأیید شده توسط FM برای تشخیص اتیلن، CO و سایر گازهای مرتبط استفاده کرده‌اند، که همگی به پروتکل‌های هشدار مشخص شده توسط مشتری متصل هستند. این تصمیمات بر اساس پیکربندی‌های آزمایش‌شده میدانی گرفته شده‌اند که پیش‌تر در نصب‌های باتری در مقیاس بزرگ اثربخشی خود را ثابت کرده‌اند.

تشخیص گاز مقدم بر تشخیص آتش است

وقتی دود یا شعله‌ها در یک نصب BESS قابل مشاهده می‌شوند، وضعیت بحرانی است. تشخیص گاز اولین و زودترین سیستم هشدار در زنجیره دفاعی است. این سیستم انتشار گازهای خطرناک را در زمان واقعی شناسایی می‌کند و به اپراتورها فرصت می‌دهد پیش از تشدید گریز حرارتی واکنش نشان دهند. در بسیاری از حوادث BESS، گاز برای چند دقیقه یا حتی ساعت‌ها قبل از آغاز آتش‌سوزی حضور داشته است. بدون وجود سیستم تشخیص، این علائم هشداردهنده نادیده گرفته می‌شوند.

به همین دلیل، تشخیص گاز هرگز نباید به عنوان یک گزینه اختیاری در نظر گرفته شود. این یک بخش اساسی در حفاظت از پرسنل، کاهش زمان توقف و جلوگیری از از دست رفتن دارایی‌ها است.

نتیجه‌گیری

با توجه به موارد فوق، مشخص است که تشخیص گاز در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS) یک ضرورت حیاتی است و نه یک گزینه اختیاری؛ این اقدام پیش از هر گونه بروز آتش‌سوزی، امکان شناسایی انتشار گازهای سمی و قابل اشتعال را فراهم می‌کند، به اپراتورها فرصت واکنش سریع می‌دهد و به کاهش خطرات جانی، توقف تولید و خسارات مالی کمک می‌کند. طراحی هوشمندانه، نصب صحیح سنسورها، یکپارچه‌سازی با سیستم‌های هشدار و پایش لحظه‌ای همگی اجزای کلیدی یک راهکار مؤثر و استانداردمحور برای حفاظت از پرسنل و زیرساخت‌ها در محیط‌های BESS هستند.