سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری در حال دگرگون‌سازی زیرساخت‌های برق هستند و با افزایش تاب‌آوری شبکه و امکان بهره‌گیری بیشتر از منابع تجدیدپذیر همچون خورشید و باد، نقشی کلیدی در گذار به آینده‌ای پاک‌تر و پایدارتر ایفا می‌کنند. با این حال، این فناوری نوین با چالش‌های ایمنی قابل‌ توجهی، به‌ ویژه در حوزه آتش‌سوزی همراه است. حوادث پرمخاطره مرتبط با باتری‌های لیتیوم‌یونی نشان می‌دهند که روش‌های مرسوم اطفای حریق علی‌الخصوص در مواجهه با پدیده فرار گرمایی «thermal runaway»، کارایی لازم را ندارند. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که سلول‌های باتری به‌ سرعت بیش از حد گرم می‌شوند و در نتیجه آن، آتش‌سوزی‌هایی رخ می‌دهد که مهار آن‌ها دشوار است.

به گزارش پایگاه خبری و تحلیلی «فلزات‌آنلاین» و به نقل از مجله خبری «Powermag»، رخدادهایی نظیر آتش‌سوزی در تاسیسات «Moss Landing» و «McMicken»، لزوم بازنگری اساسی در رویکردهای ایمنی حریق را گوشزد می‌کنند. بهره‌برداری ایمن از ظرفیت گسترده سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، مستلزم به‌کارگیری راهکارهایی نوآورانه و پیش‌گیرانه است. در این میان، فناوری خنک‌سازی به روش غوطه‌وری به‌ عنوان یکی از پیشروترین گزینه‌ها مطرح شده است که با مهار دمای باتری از ابتدا، امکان جلوگیری از شعله‌ور شدن و گسترش آتش‌سوزی را فراهم می‌کند و می‌تواند به‌ عنوان گزینه‌ای ایمن‌تر برای آینده سیستم‌های ذخیره‌سازی مطرح باشد.

دلایل اصلی آتش‌سوزی در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی

آتش‌سوزی‌های مرتبط با باتری‌های لیتیوم‌یونی، عمدتا ناشی از مجموعه‌ای از عوامل پرریسک هستند که موجب بی‌ثباتی در عملکرد باتری می‌شوند و زنجیره‌ای از واکنش‌های خطرناک را در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی به‌ دنبال دارند. مهم‌ترین دلایل بروز این آتش‌سوزی‌ها عبارت‌اند از:

• نقص‌های الکتریکی مانند اتصال کوتاه یا شارژ بیش‌ از حد که باعث جریان کنترل‌ نشده و افزایش دما می‌شوند.
• عیوب تولیدی از جمله جابه‌جایی الکترودها یا وجود ناخالصی که ساختار داخلی باتری را تضعیف می‌کنند و احتمال بروز خرابی را افزایش می‌دهند.
• آسیب‌های مکانیکی که در حین حمل‌ونقل، نصب یا بهره‌برداری ممکن است به بدنه باتری یا جداکننده‌ها وارد شود.
• فرسایش و کهنگی باتری که باعث کاهش عملکرد سامانه‌های کنترل حرارتی و کنترل الکتریکی می‌شود و احتمال وقوع حادثه را بالا می‌برد.
• انباشت گاز قابل اشتعال، به‌ ویژه در ماژول‌های متراکم که خرابی یک سلول می‌تواند منجر به واکنش زنجیره‌ای در سلول‌های مجاور شود.

این نوع نارسایی‌ها معمولا به‌ سرعت تشدید می‌شوند و با آزاد شدن گرمای شدید و گازهای سمی و قابل‌ اشتعال همراه هستند. از این رو، آتش‌سوزی‌های مرتبط با باتری‌های لیتیوم‌یونی از خطرناک‌ترین انواع حریق به‌ شمار می‌روند و چالشی جدی برای تیم‌های امداد و سیستم‌های اطفای حریق ایجاد می‌کنند.

چالش‌های خاص در اطفای حریق باتری‌های لیتیوم‌یونی

ماهیت متفاوت آتش‌سوزی در باتری‌های لیتیوم‌یونی، فرایند اطفای این نوع حریق را با چالش‌های منحصربه‌فردی همراه کرده است. برخلاف آتش‌سوزی‌های معمول، احتراق در این باتری‌ها به اکسیژن محیط وابسته نیست و همین ویژگی باعث می‌شود روش‌های سنتی مبتنی بر حذف اکسیژن پس از آغاز پدیده فرار گرمایی، عملا بی‌اثر باشند. راهکارهای موثر برای مهار چنین حریق‌هایی باید اهداف متعددی همچون خنک‌سازی سریع سلول‌های داغ، جلوگیری از گسترش فرار گرمایی و مهار انتشار گازهای سمی و خطرناک را به‌ طور هم‌زمان دنبال کنند.

روش‌های متعارف اطفای حریق که در آتش‌سوزی‌های رایج کارایی دارند، معمولا در برابر واکنش‌های شدید و خودپایدار باتری‌های لیتیوم‌یونی ناکارآمد یا ناکافی هستند. در نتیجه، استفاده از این روش‌ها در چنین شرایطی می‌تواند منجر به وخامت اوضاع شود و ریسک‌های جدی برای کارکنان، تاسیسات و محیط اطراف به‌ دنبال داشته باشد.

بررسی روش‌های سنتی اطفای حریق: کاربردها، توانمندی‌ها و محدودیت‌ها

_سامانه‌های مه‌آب و سیستم‌های ترکیبی مبتنی بر آب:

سیستم‌های مه‌آب «Water mist systems» با پاشش قطرات بسیار ریز آب، گرما را به‌ سرعت جذب می‌کنند؛ موجب خنک‌سازی باتری‌ها می‌شوند و از گسترش آتش‌سوزی جلوگیری می‌کنند. این فناوری در مراحل ابتدایی وقوع حریق، کارایی بالایی در کند کردن یا توقف روند آتش‌سوزی دارد، مشروط بر اینکه به‌ موقع به‌ کار گرفته شود.

با این حال، این سامانه‌ها با محدودیت‌های قابل‌توجهی نیز روبه‌رو هستند. از جمله، خطر اتصال کوتاه الکتریکی در سامانه‌هایی که عایق‌کاری مناسب ندارند. همچنین، در صورت بروز فرار گرمایی پیشرفته، اثرگذاری این روش به‌ شدت کاهش می‌یابد زیرا واکنش‌های داخلی باتری می‌توانند حتی پس از خنک‌سازی دوباره حریق را شعله‌ور کنند.

_گازهای بی‌اثر و کپسول‌های آتش‌نشانی:

کپسول‌های آتش‌نشانی یا سامانه‌های اطفای حریق مبتنی بر گازهای بی‌اثر با حذف سریع اکسیژن آتش را خاموش می‌کنند. این روش‌ها به‌ دلیل عدم ایجاد پسماند و رسانا نبودن، برای محیط‌هایی با تجهیزات حساس بسیار مناسب هستند.

با این حال، محدودیت‌های آن‌ها فراوان است. از این سیستم‌ها باید بلافاصله پس از شناسایی آتش استفاده شود؛ در غیر این صورت اثربخشی آن‌ها به شدت کاهش می‌یابد. همچنین، این سامانه‌ها توانایی مهار واکنش‌های شیمیایی فرار گرمایی درون سلول‌های باتری را ندارند و برای عملکرد موثر نیازمند فضای کاملا درزبندی‌شده هستند؛ ضمن اینکه هزینه شارژ مجدد آن‌ها نیز بالا است.

_سامانه‌های آئروسل:

سامانه‌های اطفای حریق مبتنی بر آئروسل با پراکندن ترکیبات پتاسیومی، فرایند احتراق را به‌ صورت شیمیایی مختل می‌کنند و در فضاهای بسته و کوچک مانند کابینت‌های فشرده باتری بسیار موثر عمل می‌کنند. اندازه‌ کوچک و نصب آسان از مزایای این سامانه‌ها به شمار می‌رود.

با این حال، استفاده مستقل از آن‌ها با محدودیت‌های قابل‌ توجهی همراه است. این سیستم‌ها فاقد قابلیت خنک‌سازی فعال هستند؛ در نتیجه، گرمای باقی‌مانده به‌ ویژه در باتری‌های لیتیوم‌یونی می‌تواند منجر به شعله‌ور شدن مجدد حریق شود. همچنین، در فضاهای بازتر و بزرگ‌تر اثربخشی آن‌ها به‌ مراتب کمتر می‌شود و برای استفاده در مقیاس بزرگ به‌ تنهایی کافی نیستند؛ مگر با استفاده هم‌زمان از سامانه‌های مدیریت حرارتی پیشرفته.

_پودرهای خشک اطفای حریق:

پودرهای خشک با جذب سریع حرارت و قطع دسترسی اکسیژن، آتش‌سوزی‌های موضعی ناشی از باتری‌های لیتیوم‌یونی را مهار می‌کنند و به‌ ویژه در خاموش‌کننده‌های دستی کاربرد فراوانی دارند.

با این وجود، استفاده از این روش با مشکلاتی همراه است؛ از جمله باقی‌ ماندن حجم بالایی از ذرات جامد که پاکسازی محیط را دشوار می‌سازد و ممکن است به تجهیزات الکتریکی آسیب‌های غیرقابل جبران وارد کند. همچنین، به‌ دلیل مقیاس‌پذیری محدود و ایجاد آلودگی استفاده از آن‌ها در سامانه‌های بزرگ، کانتینری یا فضای باز کارایی چندانی ندارد.

خنک‌سازی غوطه‌وری: پیشگیری از حریق و مهار غیرفعال در قالب یک سامانه یکپارچه

_مدیریت حرارت: خنک‌سازی غوطه‌وری چگونه عمل می‌کند؟

در این روش، سلول‌های باتری درون یک مایع دی‌الکتریک و نارسانا غوطه‌ور می‌شوند تا گرما به‌ صورت مستقیم و یکنواخت از تمام بخش‌ها دفع شود. این روش با حذف نقاط داغ و متمرکزی که می‌توانند موجب تخریب باتری و بروز پدیده فرار گرمایی شوند، از بروز خطر در مراحل اولیه جلوگیری می‌کند.

برخلاف سیستم‌های سرمایش هوایی یا صفحات خنک‌کننده مایع، فناوری غوطه‌وری کل سطح سلول باتری را به‌ صورت مستقیم در بر می‌گیرد. این فرایند باعث توزیع یکنواخت دما در سراسر ماژول‌های باتری می‌شود؛ نرخ فرسایش را کاهش می‌دهد و ریسک بروز آتش‌سوزی را به‌ شکل قابل‌ توجهی کم می‌کند.

علاوه‌براین، سامانه خنک‌سازی غوطه‌وری شرکت «EticaAG» (شکل یک) با سامانه مدیریت باتری (BMS) یکپارچه شده است. در صورت شناسایی افزایش دما فراتر از حد مجاز، سامانه مدیریت باتری به‌ صورت خودکار سامانه گردش مایع را فعال می‌کند. این مکانیسم با افزایش سرعت گردش سیال اطراف سلول‌های آسیب‌ دیده، فرایند دفع حرارت را تسریع می‌کند تا از ایجاد شرایط بحرانی جلوگیری شود.

شکل یک. سامانه «LiquidShield» با توزیع یکنواخت مایع در تمامی ماژول‌ها، نمونه‌ای از نسل آینده ایمنی در برابر حریق و تاب‌آوری سیستم‌ها را ارائه می‌دهد.

شکل یک. سامانه «LiquidShield» با توزیع یکنواخت مایع در تمامی ماژول‌ها

_اطفای حریق غیرفعال:

افزون بر نقش کلیدی در مدیریت حرارت، مایعات مورد استفاده در فناوری خنک‌سازی غوطه‌وری به‌ طور ذاتی دارای قابلیت اطفای حریق غیرفعال هستند. این مایعات با احاطه کامل سلول‌های باتری، اکسیژن را از محیط احتراق حذف کرده و هرگونه شعله احتمالی را به‌ سرعت خنثی می‌کنند. در نتیجه، شرایط لازم برای احتراق از بین می‌رود.

علاوه‌براین، چنانچه یک سلول باتری دچار نقص عملکرد شود (شکل ۲)، مایع خنک‌کننده به‌ سرعت آن را از سایر سلول‌ها جدا می‌کند و مانع از گسترش پدیده فرار گرمایی به بخش‌های مجاور می‌شود. برخلاف سایر سیستم‌های اطفای حریق، این روش نیاز به فعال‌سازی، سنسور یا مواد اطفای پرفشار ندارد و همین امر باعث می‌شود نگهداری آن ساده‌تر و عملکرد آن قابل‌ اعتمادتر باشد.

براساس آنچه شکل ۲ نمایش می‌دهد، در آزمایش ارائه‌ شده، سلول یک باتری نیکل منگنز کبالت (NCM) به‌ صورت مصنوعی وارد وضعیت فرار گرمایی شد. سامانه خنک‌کننده غوطه‌وری توانست به‌ صورت کامل شعله را مهار سازد و از سرایت آن به سلول‌های مجاور جلوگیری کند.

شکل ۲. آزمایش سلول یک باتری نیکل منگنز کبالت (NCM)

ایمنی، مقیاس‌پذیری و پایداری

فناوری خنک‌کننده غوطه‌وری شرکت «EticaAG» (شکل ۳) از مایعاتی استفاده می‌کند که زیست‌تخریب‌پذیر، غیرسمی و غیرخورنده هستند. به همین دلیل می‌توان این فناوری را هم در محیط‌های داخلی و هم در فضاهای باز استفاده کرد. مایعات مورد استفاده در این سیستم هیچ‌گونه رسوب یا باقی‌مانده‌ای بر جای نمی‌گذارند؛ در نتیجه آسیبی به تجهیزات وارد نمی‌کنند و زمان خاموشی سیستم را پس از وقوع حادثه به حداقل می‌رسانند. همچنین، اثرات زیست‌محیطی این مایعات به‌ مراتب کمتر از مواد شیمیایی متداول در دیگر سامانه‌های اطفای حریق است که پایداری زیست‌محیطی این فناوری را برجسته‌تر می‌کند.

براساس آنچه در شکل ۳ نمایش داده شده است. در سامانه «LiquidShield»، مایعی غیرقابل‌ اشتعال در سراسر مجموعه به‌ صورت پیوسته در گردش بوده و هر سلول باتری به صورت جداگانه درون آن غوطه‌ور است.

شکل ۳. سامانه «LiquidShield» در سلول باتری

طراحی‌های ایمن‌تر و هوشمندتر

روش‌های سنتی اطفای حریق معمولا تنها به‌ صورت تدریجی و پس از آغاز آتش‌سوزی اثرگذار هستند. در مقابل، فناوری خنک‌کننده غوطه‌وری با حذف شرایط اشتعال از همان ابتدا، تعریفی نوین از ایمنی در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی ارائه می‌دهد.

در همین راستا، شرکت «EticaAG» با توسعه سامانه پیشرفته «LiquidShield»، گام مهمی در این مسیر برداشته است. این فناوری با بهره‌گیری هم‌زمان از مدیریت حرارتی فعال و اطفای غیرفعال، خطر بروز حریق را از ابتدا خنثی می‌کند و سطوح ایمنی، پایداری زیست‌محیطی و قابلیت اطمینان را به طرز چشمگیری ارتقا می‌بخشد. برای بهره‌برداری کامل از ظرفیت سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، مهندسان، توسعه‌دهندگان پروژه‌ها و نهادهای نظارتی باید به سمت چنین راهکارهای نوآورانه و جامعی حرکت کنند تا بتوانند آینده‌ای ایمن‌تر و پایدارتر را در این حوزه رقم بزنند.

انتهای پیام//