מאת: דוד זיו, מדור ידע וחדשנות המוס"ל
תאריך:13/05/2025
הקדמה
מערכות של סוללות לאחסון ולאספקת אנרגיה (BESS's- Battery Energy Storage Systems) הן יחסית יקרות להתקנה ולכן אינן מתאימות לאספקת חשמל רציפה. הן יכולות לאגור חשמל בזמנים בהם היצע החשמל גבוה והביקוש לו נמוך ולספק חשמל לפי הצורך למשך מספר שעות כגיבוי לרשת החשמל ובעת הפסקות חשמל. כמו כן, הסוללות יכולות לתמוך בטכנולוגיות של אנרגיה מתחדשת, כמו רוח ואנרגיה סולארית, שזמינותן משתנה בהתאם לתנאי מזג האוויר המשתנים ולמעשה, כבר כיום הן תומכות יותר מאי פעם כספקיות חשמל לבתים ולעסקים הצורכים חשמל ממקור מתחדש, החלופי לרשת החשמל.
תחזית התפלגות אחסון האנרגיה העולמי
מקור: Energy Storage Grand Challenge: Energy Storage Market Report U.S. Department of Energy
תחזיות שנתיות גלובליות של אחסנת אנרגיה חשמלית לפי מגזר
מקור: Energy Storage Grand Challenge: Energy Storage Market Report U.S. Department of Energy
רכיבי מערכת הסוללות
הרכיבים הבסיסיים של מערכת אחסון אנרגיה בסוללות הם:
מודול הסוללה – קבוצה של תאי סוללה המחוברים יחד ופועלים כיחידה אחת.
מערכת ניהול סוללות (BMS) – הוא "המוח" המגן על הסוללות. זאת מערכת אלקטרונית המנטרת פרמטרים קריטיים כטמפרטורות, מתח וזרם, של תאי הסוללה ומסייעת לפעולת הסוללות בטווחים שהוגדרו להן מראש.
מערכת ניהול אנרגיה (EMS) - פועלת כמרכז בקרה, המספק הוראות פיקוד לטעינת הסוללות באנרגיה או לפריקת אנרגיה מהן.
מארזי האחסון – מכיל את רכיבי מערכת אחסון האנרגיה.
מערכת המרת הכוח החשמלי (PCS) - ממירים ושנאים.
סוגי הסוללות
גודל הסוללה
כבר זמן רב סוללות קטנות מספקות חשמל למוצרי אלקטרוניקה כמו טלפונים סלולריים ומחשבים ניידים. כיום גם מערכות גדולות מפעילות או מגבות מערכות הדורשות אספקת חשמל רציפה, כמרכזי נתונים, מערכות הדמיה בבתי חולים ועוד.
חומר המבנה
סוללות עופרת-חומצה הן זולות יחסית וקלות למחזור, אך משום שהן בעלות תוחלת חיים נמוכה יחסית ואוגרות כמות נמוכה יחסית של אנרגיה, כבר לא נעשה בהם שימוש נפוץ כבעבר. כך שנכון לעכשיו, סוללות ליתיום-יון הן הנפוצות ביותר. יש להן יתרונות של צפיפות אנרגיה גבוהה וביצועים טובים יחסית וכן דרישות התחזוקה שלהן נמוכות יחסית.
יש מגוון סוגים של סוללות ליתיום-יון. עקרון פעולתן זהה, אך הן נבדלות זו מזו בחומרי המבנה, ביציבות התרמית, באורך חיי הסוללה, בכמות האנרגיה שהן מסוגלות לאגור וכן בעלות שלהן.
הרכב
ישנם שלושה סוגי הרכבים עיקריים של מערכות אחסון אנרגיה בסוללות:
- מודול / כונן סוללות ארוז מראש (סוללות המורכבות על-ידי היצרן).
- מערכת ארוזה מראש (סוללות המורכבות על-ידי היצרן ומחוברות עם רכיבים אחרים, כגון בקרת מטען או מהפך).
- בנק סוללות בהתאמה אישית (סוללות בודדות המותקנות ומחוברות עם רכיבים אחרים).
סיכוני הבטיחות
אירועי בטיחות הקשורים למערכות אחסון אנרגיה בסוללות הם נדירים ועיקרם דליקות.
דליקות ופיצוץ
בעת הטעינה של סוללות מסוג עופרת - חומצה נפלטים גזי מימן וחמצן, אשר בהיעדר אוורור מספק ריכוז הגזים המצטבר בחלל הטעינה עלול להיות גבוה עד כדי היווצרות אוירה נפיצה ודליקה. גם סוללות מסוג ליתיום-יון עלולות לפלוט גזים דליקים ולייצר אוירה נפיצה. זה עלול לקרות במקרי כשל , כתוצאה מנזק מכני ומהתקנה או הפעלה לא בטיחותיות של הסוללות.
מכת חשמל (התחשמלות)
מערכת אחסון אנרגיה המכילה מספר תאי סוללה המחוברים זה לזה יכולה להגיע לרמות מתח גבוהות המסכנות אדם בהתחשמלות.
הבזקי אש – קשת חשמלית (קצר חשמלי)
כאשר סוללה "מתקצרת" או אם מתרחשת בה תקלה, עלולה להיפלט אנרגיה מספקת להיווצרות קשת חשמלית. ככל שכמות האנרגיה המאוחסנת במערכת הסוללות גדולה יותר, כך עולה הסיכון להיווצרות קשת חשמלית, וזו יכולה להגיע לטמפרטורות גבוהות מאוד - אל מעל 1200 מעלות צלזיוס. לאחר כשל של תא סוללה אחד והתחממותו מתהווה סיכון של "בריחה טרמית" – התחממות תאי סוללה סמוכים והידלקותם ב"אפקט הדומינו".
חשיפה לכימיקלים מסוכנים
כאשר נפגעת (נקרעת) מעטפת הסוללה, תכולת הסוללה (הנוזל או ג'ל אלקטרוליט) עלולה לדלוף. עקב הדליפה עלולים להיווצר אווירה מסוכנת של אדי גזים רעילים וסיכון לפיצוצים, לכוויות ולקורוזיה של ציוד.
הגזים העלולים להיפלט בעת קריסת סוללה הם: מימן, פחמן חד חמצני ופחמן דו חמצני, מתאן, אתאן ופחמימנים אחרים.
זיהום סביבתי וסכנות בריאותיות
כימיקלים המשמשים לייצור הסוללות עשויים להיות מזהמי סביבה ומסוכנים לבריאות האדם. גם כאשר עובדים מקפידים על נהלי עבודה בטיחותיים במהלך הייצור, ההובלה ופינוי הפסולת של הסוללות, עדיין עלולות להתרחש תאונות המסכנות את בריאותם ואת איכות הסביבה (האוויר, הקרקע ומקורות המים). מים המשמשים לצרכי קירור ושליטה בבריחות תרמיות ודליקות של סוללות עלולים להזדהם בכימיקלים הנפלטים מהסוללות. במידה והמים המזוהמים ממשיכים לזרום אל הסביבה הם מזהמים את הקרקע, את מקורות המים בסביבה ואת בריאות הציבור.
ניהול והפחתת הסיכונים
עריכת סקר סיכונים
שלב 1 – זיהוי הסיכון בפעולות העובדים וכן במיקום ובפעולת מערכת הסוללות.
- בחינת התאמת הטכנולוגיה עליה תתבסס מערכת הסוללות.
- בדיקת אופן ההתקנה : בהתאם להנחיות היצרן או המתכנן.
- בחינת הסיכון של התחממות או טעינת יתר.
- הערכת הסיכון לדליפת כימיקלים בשוגג.
שלב 2 - הערכת הסיכון – הערכת חומרת כל סיכון אפשרי וסבירותו.
שלב 3 - השליטה בסיכון – מניעת הסיכונים בהתאם להיררכיית הבקרה והשליטה בסיכונים.
שלב 4 - בחינת בקרת הסיכונים – בדיקת יעילות אמצעי הבקרה באופן קבוע, שינוי והתאמה שלהם בהתאם לצורך.
תכנון התקנה ותחזוקה
- תכנון אופטימלי של מערכות הסוללות יצמצם את הכשלים שלהן.
- התקנת הסוללות תיעשה על ידי קבלן מוסמך בלבד.
- טיפול שוטף במערכות הסוללות יעשה רק על ידי צוות עובדים מוסמך.
שיתוף פעולה בין העובדים לבין ההנהלה
על העובדים לבצע את עבודתם באופן בטיחותי ובשיתוף פעולה מלא עם ההנהלה. המעביד צריך לעמוד בתחיקת החשמל והבטיחות בעבודה (ראה תחיקה בהמשך), עליו להבין את הסיכונים, להדריך ולהכשיר את העובדים לעבודה בטיחותית.
אוורור ומיזוג אוויר
התקנת מערכת אוורור או מיזוג אוויר מסייעת לשמירה על טמפרטורת עבודה מתאימה לפעולת הסוללות, למנוע התחממות, התפשטות אש או פיצוץ שלהן ולהאריך את חיי הסוללות.
כיבוי אש
הפעלת מערכת כיבוי האש לכיבוי דליקות של סוללות תהיה בהתאם להנחיות מערך כיבוי האש שברשות המקומית.
ניהול
מערכת ניהול הסוללות, בין אם קיים מודול אחד של סוללות או מודולים מרובים, היא קריטית להפעלת הסוללות. המערכת כוללת ניטור, בקרה, פיקוח ומיטוב ביצועים ומאפשרת ניתוק המודול/ים במקרה של היווצרות תנאים חריגים.
מרחקי הפרדה – מרחקי בטיחות
מומלץ להגביל את קיבולת אחסון האנרגיה של מערכת האחסון בסוללות ולהקפיד על מרחקי בטיחות בין יחידותיה. אפשר להתקין קירות בידוד למניעת התפשטות אש.
מצבים מיוחדים
יש להיערך למצבים של רעידות אדמה, חום קיצוני, שיטפונות והצפות, נוכחות מכרסמים וכדומה, העלולים לגרום לכשל של מערכת אחסון הסוללות.
הנחיות והמלצות
בשנים האחרונות, עודכנו תחיקה ותקינה להתקנה ולהפעלה של יישומי אחסון אנרגיה מודרניים, המבוססים, לרוב, על טכנולוגיות חדישות. נוסף על כך, קיימות הנחיות של הרשויות והמלצות של גופים שונים.
למשל, בישראל:
תקנים זרים :
- NFPA 855 Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems
התקן מציין את הדרישות המינימליות להפחתת הסיכונים הקשורים למערכות אחסון אנרגיה.
- UL 9540 Energy Storage System (ESS) Requirements - Evolving to Meet Industry and Regulatory Needs
התקן מספק מפת דרכים מקיפה להבטחת פעולתן של מערכות האחסון. התקן קובע דרישות מחמירות לתכנון, בנייה, בדיקה והפעלה, לבטיחות בחשמל, בטיחות טרמית, בטיחות מכנית, בטיחות אש, ביצועי המערכת והתעדה שלה.
lithium Ion and Sodium Ion Batteries GUIDE 147 - דף הנחיות תגובות בחרום של סוללות ליתיום יון
מקורות: