تغییرات در فناوری سیستم مدیریت باتری، چطور باتری های NaS را متحول کرده است؟

یکی از مهم‌ترین کاربردهای ذخیره‌سازهای انرژی الکتریکی کاربرد در شبکه برق است که جهت کاهش پیک بار شبکه از طریق متعادل‌سازی، تأمین برق اضطراری و همچنین تثبیت انرژی‌های تجدیدپذیر و ساخت شبکه‌های هوشمند استفاده می‌شوند. باتری‌های ثانویه مانند باتری‌های سرب اسید و باتری‌های لیتیوم-یون برای حل مشکلات فوق ساخته شده‌اند. یکی دیگر از انواع باتری‌ها که در این کاربرد معروف هستند، باتری‌های سدیم سولفور (NaS) است. این باتری در نوع ذخیره‌سازها با ظرفیت بالا در کلاس مگاوات شناخته می‌شوند و عملاً برای اولین بار در جهان توسط شرکت‌های ژاپنی تجاری‌سازی شدند. این باتری‌ها دارای چگالی انرژی بالا و عمر طولانی هستند و می‌توانند یک منبع پایدار برق با خروجی بالا در مدت زمان طولانی را فراهم کنند. توان بالا و شارژ سریع، این باتری‌ها را برای استفاده در شبکه برق مناسب کرده است.

از چه زمانی این باتری‌ها مورد توجه قرار گرفتند؟

این نوع ابزار ذخیره انرژی، در دسته باتری‌های نمک مذاب قرار می‌گیرند. باتری‌های نمک مذاب دسته‌ای از باتری‌ها هستند که از نمک‌های مذاب به‌عنوان الکترولیت استفاده می‌کنند و به‌صورت هم‌زمان چگالی انرژی و چگالی توان بالایی دارند.

باتری‌های حرارتی در طول جنگ جهانی دوم توسط دانشمند آلمانی گئورگ اتو ارب (Otto Erb) برای اولین با استفاده از مخلوط نمک برای اهداف نظامی توسعه داده شدند.

پس از جنگ، این نوع باتری‌ها در دو دسته قابل شارژ و غیرقابل شارژ توسعه زیادی یافتند.

1. نوع غیرقابل شارژ این باتری‌ها به‌صورت انحصاری برای کاربردهای نظامی، به‌ویژه برای سلاح‌ها و موشک‌های هدایت‌شونده استفاده می‌شوند. در نوعی از این باتری‌ها، الکترولیت حاوی مخلوط پودری اکسید منیزیم به‌صورت گلوله فشرده می‌شود تا بین آند و کاتد به‌عنوان جداکننده در هر سل به‌کار رود و با قرارگیری در دمای خاصی مذاب می‌شود اما به‌علت ایجاد پدیدۀ مویینگی، بی‌حرکت داخل ساختار باتری تثبیت می‌شود. برای گرم کردن الکترولیت تا دمای 400-550 درجه سانتی‌گراد هر سل دارای یک منبع حرارتی پیروتکنیک است. البته تا زمانی که الکترولیت (نمک) جامد است، باتری بی‌اثر و غیرفعال باقی می‌ماند.
2. از انواع قابل شارژ این باتری‌ها می‌توان به باتری‌های زبرا^[2] که در سال 1985 توسط گروه زبرا اختراع شد، اشاره کرد. این باتری‌ها که باتری‌های سدیم-کلرید فلز نیز نامیده می‌شوند، بسیار ایمن هستند و تنها زمانی که دیواره باتری سوراخ شود امکان فرار گرمایی در آنها وجود دارد که در آن حالت نیز انفجار و آتش‌سوزی رخ نمی‌دهد. از انواع معروف این باتری‌ها سیستم سدیم-نیکل کلرید است که به‌همراه پودر آهن و جداکننده آلومینا یکی از پرکاربردترین این باتری‌ها شناخته می‌شوند. این باتری نسبت به نوع قبل، در دمای عملیاتی کمتری یعنی 245 درجه سانتی‌گراد، فعالیت می‌کنند. برخی از پروژه‌های تحقیقاتی بر روی این باتری با هدف استفاده آنها در خودروهای الکتریکی فعالیت می‌کنند.
3. باتری‌های مایع-فلز نوع دیگری از باتری‌های حرارتی هستند. این باتری در سال 2009 بر اساس منیزیم و آنتیموان جدا شده توسط نمک مذاب اختراع شد. در سال 2011، محققان سلی با آند لیتیوم و کاتد سرب-آنتیموان را معرفی کردند که رسانایی یونی بالاتر و نقطه ذوب پایین‌تری (350-430 درجه سانتی‌گراد) داشت.
4. باتری‌های سدیم-سولفور نیز از انواع باتری‌های حرارتی قابل شارژ هستند. تحقیقات در مورد باتری‌های سدیم-سولفور در دهه 1960 با اولین تحقیق روی سدیم با دمای بالا آغاز شد. باتری‌های سولفور-سدیم دمای بالا (HT-Na/S) در دمای 300 تا 350 درجه سانتی‌گراد شروع به کار می‌کنند. به‌این‌ترتیب که در آنها سدیم مذاب به‌عنوان آند (دمای ذوب 98 درجه سانتی‌گراد) و کاتد گوگردی مذاب (دمای ذوب 118 درجه سانتی‌گراد) و به‌همراه آلومینای بتا (b-Al2O3) به‌عنوان جداکننده جامد سرهم‌بندی می‌شوند. اما مشکلاتی چون رسانایی الکتریکی بالا، دندریت شدن آند، دمای بالای عملیاتی و ایمنی پایین از چالش‌هایی است که باتری‌های دمای بالا با آن روبه‌رو هستند.

لذا باتری‌های سدیم -سولفور دمای متوسط (IMT-Na/S) در دهه 1970 ابداع شدند که در دمای 120 تا 300 درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند. در این باتری‌ها مشکل دندریت ازبین‌رفته و مشکل رسانایی الکتریکی و مصرف گوگرد نیز کاهش یافته است.

عملکرد این باتری‌ها به این صورت است که در طول فاز دشارژ، سدیم مذاب در هسته به‌عنوان آند عمل می‌کند. سدیم قرار گرفته در استوانه الکترولیت جامد بتا آلومینا (BASE) از گوگرد مذاب، به‌عنوان کاتد جدا می‌شود، گوگرد کاتدی در یک اسفنج کربن جذب می‌شود و باتری به‌این‌ترتیب فعال می‌شود. علی‌رغم اینکه BASE رسانای یونی خوبی برای یون‌های سدیم بالای 250 درجه سانتی‌گراد است، اما رسانایی الکترونی محدودی دارد لذا از دشارژ‌ خودبه‌خودی جلوگیری می‌کند. فلز سدیم به‌دلیل وجود اکسید‌های سطحی، نمی‌تواند در دمای کمتر از 400 درجه سانتی‌گراد ترشوندگی کافی با سطح الکترولیت را فراهم کند. لذا قبل از اینکه سل شروع به کار کند، باید آن را گرم کرد که هزینه‌های اضافی ایجاد می‌کند. البته این دما را می‌توان با پوشاندن پایه با فلزات خاص و/یا با افزودن گیرنده‌های اکسیژن به سدیم تا 300 درجه سانتی‌گراد کاهش داد. لذا برای مقابله با این چالش، باتری‌های سدیم-گوگرد معمولاً با سیستم‌های انرژی خورشیدی/حرارتی جفت می‌شوند.

در فرایند دشارژ ابتدا فلز سدیم یک الکترون آزاد می‌کند و یون سدیم ایجاد شده به طرف گوگرد مهاجرت می‌کند. جریان الکترون‌ها از طریق سدیم مذاب به جمع‌کننده جریان، سپس از طریق مدار الکتریکی به طرف الکترود گوگرد هدایت می‌شود. در اینجا، یک الکترون با گوگرد واکنش می‌دهد و پلی سولفید سدیم را تشکیل می‌دهد. در مرحله شارژ، فرایند معکوس انجام می‌شود.

واکنش دشارژ به‌صورت زیر است:

2Na + 4 S → Na₂S₄ (E_cell ~ 2 V)

در شکل نمایی از مراحل تولید یک سیستم 800 کیلوواتی از باتری‌های سدیم-سولفور نشان داده شده است.

همان‌طور که در عکس نشان داده شده است، سل‌ها معمولاً به‌شکل استوانه‌ای ساخته می‌شود. کل سل توسط پوششی فولادی محصور شده است که معمولاً توسط کروم و مولیبدن از خوردگی داخلی محافظت می‌شود. این ظرف به‌عنوان الکترود مثبت عمل می‌کند، درحالی‌که درب آلومینا حاوی سدیم مایع به‌عنوان الکترود منفی در بالای ظرف بسته شده است. بخش اساسی سل وجود غشای BASE (الکترولیت جامد بتا آلومینا) است که به‌طور انتخابی ⁺Na را هدایت می‌کند.

در کاربردهای تجاری برای تشکیل ماژول‌ها، سل‌ها به‌منظور حفظ حرارت بهتر، در بلوک‌هایی مرتب و در یک کانتینر عایق و خلأ محصور می‌شوند. اهمیت این کار از آنجا ناشی می‌شود که واکنش‌پذیری سدیم با هوا بسیار بالاست. بین سل‌ها نیز با ماسه پر می‌شوند تا حرارت ذخیره شود. البته ماژول‌ها برای تأمین گرمای اولیه دارای گرمکن هستند. تعداد مشخصی از ماژول‌ها در کانتینر عایق به‌همراه کنترل‌کننده و سیستم برق، تشکیل واحد را می‌دهند. این واحدها بسته به توان و چگالی مورد نیاز با یکدیگر جفت می‌شوند و سیستم‌های باتری را ایجاد می‌کنند. برای کاهش اتلاف حرارتی و جلوگیری از افت دمایی این واحدها به‌صورت ساختار مکعبی ساخته می‌شوند.

یکی از سیستم‌های پرکاربرد این نوع باتری‌ها شامل20 ماژول 50 کیلووات در یک باتری بسته می‌شوند که منجر به حداقل توان تجاری حدود 1 مگاوات ساعت می‌شود.

خصوصیات یک واحد با ظرفیت 1 مگاواتی باتری سدیم-سولفور در جدول زیر ذکر شده است.

در طی 20 سال اخیر این باتری‌ها در 250 سایت شبکه‌ای در دنیا نصب شده‌اند که حدود 5 گیگاوات ساعت ذخیره انرژی را تأمین کرده‌اند. بزرگ‌ترین تأسیسات این باتری‌ها در جهان در سال 2016 در شهر یوزن، فوکوئوکای ژاپن نصب شده است که شامل سیستمی با توان 50 مگاوات/300 مگاوات برای متعادل کردن پیک بار شبکه (پیک‌سایی) و ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی به کار گرفته شده است. از دیگر پروژه‌های قابل توجه می‌توان به نصب سیستم 35 مگاواتی در ایتالیا در سال 2015، سیستم 108 مگاواتی در ابوظبی و راه‌اندازی چهار سایت باتری سدیم-گوگرد متصل به شبکه در آنتورپ بلژیک در سال 2021 توسط شرکت BASF آلمان اشاره کرد.

پیش‌بینی شده است حجم مبادلات بازار باتری سدیم-سولفور از 53_/0 میلیارد دلار در سال 2024 به 4_/1 میلیارد دلار تا سال 2032 برسد. این افزایش حجم بازار را می‌توان به افزایش سرمایه‌گذاری در انرژی‌های تجدیدپذیر، به‌عنوان محرک‌های اصلی این بازار ارتباط داد.

یکی از مهم‌ترین مشتریان این نوع باتری‌ها شرکت‌های توزیع کننده برق هستند که برای تأمین منبعی مطمئن و سریع الکتریسیته با هزینه کمتر در مناطق روستایی از سیستم‌های مستقل مقیاس کوچک از 10 کیلووات تا 10مگاوات استفاده می‌کنند و روزبه‌روز تقاضای بازار در این حوزه بیشتر می‌شود.

علاوه‌براین، در آینده‌ای نزدیک، اغلب انرژی الکتریکی در دسترس با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد، خورشید و برق‌آبی تولید خواهند شد. دستگاه‌های ذخیره انرژی بخش حیاتی هر شبکه ایزوله‌ای هستند. پیش‌بینی می‌شود که واحدهای 25، 50 و 100 مگاواتی بیشترین متقاضی را در بازار باتری سدیم سولفور داشته باشند که ناشی از افزایش تقاضا برای کاربرد در ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر مستقل است.

شرکت NGK پیشرو در تولید باتری‌های سدیم-سولفور در جهان در سال 2024 از مدل جدید NAS MODEL L24 رونمایی کرد. این مدل نسبت به نسخه‌های قبل دارای چرخه‌پذیری و چگالی انرژی بیشتری است. همچنین در این مدل نرخ افت ظرفیت باتری کمتر از 1 درصد در سال است که ناشی از کاهش خوردگی در سل‌های باتری است. این میزان استهلاک سالانه، نتیجه بسیار شگفت‌انگیزی در صنعت ذخیره‌سازهای انرژی به‌شمار می‌آید. در این مدل، یک کانتینر 20 فوتی در مقیاس تجاری می‌تواند حداقل توان و انرژی به ترتیب 200 کیلووات و 2/1 مگاوات ساعت را تولید کند. این فناوری که انتظار می‌رود تحول بزرگی در این باتری‌ها ایجاد کند، توسط سرمایه‌گذاری مشترک دو شرکت BASF و NGK توسعه یافته است.

در این مدل، دستاورد فنی دیگری نیز رونمایی شد. سیستم مدیریت دمایی در ماژول‌های باتری، که به باتری اجازه می‌دهد دشارژ پیوسته طولانی‌تری را (حدود 6 ساعت بدون وقفه) داشته باشد بدون اینکه ایمنی باتری کاهش یابد. این موفقیت‌های فنی در طراحی باتری باعث شده است تا تعداد کانتینرها و هزینه نگهداری کمتری در طول یک پروژه نیاز باشد. همچنین این مدل تقریباً 20 درصد کاهش قیمت را در طول عمر پروژه برای سرمایه‌گذاران به‌همراه دارد.

یک سیستم مستقل از این نوع باتری شامل ژنراتور برق با انرژی تجدیدپذیر، باتری، تجهیزات کنترلی، بخاری و بار شبکه است. عملکرد آنها به این صورت است که مولد انرژی الکتریکی تجدیدپذیر برق تولید می‌کند و باتری با نیروی تولید شده توسط ژنراتور شارژ می‌شود. کنترل‌کننده به‌کاررفته هوشمند است و با استفاده از پارامترهای اندازه‌گیری شده همانند ولتاژ، عمق شارژ، دما و… کل سیستم را طوری کنترل می‌کند که همواره بار شبکه پایدار بماند.

کنکاش فناورانه

در ادامه به بررسی فناوری به کار گرفته شده توسط NGK در این باتری‌ها پرداخته می‌شود. این تغییرات شامل ارتقای دستگاه کنترل کننده است که مسئولیت کنترل ژنراتور انرژی تجدیدپذیر و باتری سدیم-سولفور را به‌طور هم‌زمان بر عهده دارد و این کنترل توسط بررسی داده‌های دقیق و کامل دو قسمت مجزا ژنراتور و باتری صورت می‌پذیرد. تمام مقادیر و داده‌های توان شارژ/دشارژ، زمان شارژ/دشارژ، مقدار اتلاف گرما و موارد مشابه باتری توسط کنترل کننده به‌طوری کنترل می‌شوند که امکان حفظ محدودیت ازجمله حد بالای دمای باتری و حد ذخیره باتری فراهم شود. با کنترل دقیق داده‌ها کنترل کننده به برنامه‌ای جامع دست می‌یابد که در زمان‌های مورد نیاز با کنترل پارامترهای خروجی و ورودی می‌تواند میزان تخریب باتری را به حداقل برساند. به‌عنوان مثال، برای باتری سدیم-سولفور، بالاترین دمای قابل دستیابی یک ماژول از باتری‌های سدیم-سولفور، بین 340 درجه سانتی‌گراد تا 370 درجه سانتی‌گراد تنظیم می‌شود. با این تنظیمات، بازده شارژ/دشارژ باتری به‌طور مداوم بالا می‌رود. باید توجه داشت وقتی دمای ماژول به بالاتر از 370 درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد، افزایش تخریب اجزای تشکیل دهنده سل الکتریکی تسریع می‌شود. از طرف دیگر وقتی ماژول دمایی کمتر از 340 درجه سانتی‌گراد داشته باشد، عملکرد سل الکتریکی تشکیل دهنده ماژول کامل نیست. در فناوری مورد کاربرد توسط این شرکت، دمای محفظه عایق حرارتی، با استفاده از کنترل مقدار اتلاف حرارت ماژول توسط تنظیم درجه خلأ قسمت توخالی درب بالایی ماژول، تغییر می‌کند. به‌این‌ترتیب دمای بدنه‌ای که باتری‌ها در آن تعبیه شده‌اند در محدوده مجاز مشخصی حفظ می‌شود و برای بهبود عملکرد دما با یک فن یکنواخت می‌شود.

چگونگی عملی کردن برنامه جامع توسط کنترل کننده، به این صورت است که کنترل این باتری‌ها با استفاده از داده‌های متنوعی صورت می‌پذیرد. به‌عنوان مثال، دمای باتری همراه با عمق دشارژ در تک‌تک مراحل دشارژ اندازه‌گیری می‌شوند. ولتاژ دو انتهای باتری نیز همواره در طی دشارژ مورد اندازه‌گیری قرار می‌گیرد. به‌این‌ترتیب با این داده‌ها به‌طور هوشمند به ولتاژ اصلاح شده‌ای می‌رسد که توسط تصحیح دمای داخلی و اصلاح عمق دشارژ کنترل می‌شود.

حدود داده‌های مذکور شامل حد بالای دمای باتری، حد پایین مقدار ذخیره انرژی و موارد مشابه برای کاهش خرابی باتری در کنترل کننده ذخیره می‌شود و عملکرد بر اساس این داده‌ها در زمان اضطراری (برای حفاظت از باتری) به کار می‌رود. برای مثال، بار شبکه از ترکیب برق هر دو دستگاه ژنراتور برق و باتری تشکیل می‌شود. در برخی موارد توان تولیدی مولد برق انرژی تجدیدپذیر تقریباً برابر یا کمتر از مجموع توان مورد نیاز تجهیزات کنترلی و بار شبکه است، باتری سدیم سولفور نوسانات خروجی توان تولید شده توسط ژنراتور برق را جبران می‌کند و برق بخاری و دستگاه کنترل را نیز تأمین می‌کند. هنگامی که برق ژنراتور قطع شود، برق دستگاه کنترل و بار شبکه از باتری تأمین می‌شود. بنابراین، اگر قطعی برق برای مدت طولانی ادامه یابد، دشارژ باتری برای مدت طولانی ادامه می‌یابد لذا در برخی موارد برای حفظ حدود مذکور لازم است تا دشارژ باتری متوقف شود. در این مواقع که توقف دشارژ باتری اجتناب‌ناپذیر است، در مدل‌های قدیمی، منبع تغذیه دستگاه کنترل قطع می‌شود، که ممکن است باعث خرابی دستگاه‌های تشکیل دهنده سیستم منبع تغذیه شود.

در این شرایط عملکرد سیستم منبع تغذیه را نمی‌توان از سر گرفت مگر اینکه عملیات راه‌اندازی مجدد سیستم منبع تغذیه انجام شود. بااین‌حال، عملیات راه‌اندازی مجدد سیستم منبع تغذیه فقط توسط یک متخصص ماهر در عملکرد سیستم منبع تغذیه قابل انجام است. در همین حال، در بسیاری از موارد، این فرد در بهره‌برداری از سیستم منبع تغذیه به‌طور دائم در مکان‌های دورافتاده مستقر نمی‌شود. بنابراین، زمانی مورد نیاز است تا متخصص بازیابی عملکرد سیستم منبع تغذیه به مکان دورافتاده برسد و عملیات راه‌اندازی مجدد سیستم منبع تغذیه را انجام دهد.

در مدل‌های جدید شارژ/دشارژ باتری سدیم سولفور به‌گونه‌ای کنترل می‌شود که با مدیریت و نظارت بر ظرفیت باقی‌مانده توسط دستگاه کنترل، به انتهای شارژ یا انتهای دشارژ نرسد. یعنی هنگامی که کمبودی در مقدار تولید برق وجود دارد و وضعیت SOC(t) شارژ به زیر حداقل انرژی شارژ S_min می‌رسد، دستگاه کنترل با محدود کردن توان تقاضا شده از کمبود حالت شارژ SOC(t) جلوگیری می‌کند. به این معنا، در شرایطی که توان تولیدی ژنراتور برق مساوی یا کمتر از مجموع توان مورد نیاز شرح داده شده در بالا باشد، تأمین برق شبکه متوقف می‌شود و مقدار شارژ جزئی برای حفظ منبع تغذیه به سیستم اعمال می‌شود. دستگاه کنترل بر اساس داده‌های حد موجود در برنامه، شرایط را شناسایی کرده و به‌این‌ترتیب می‌تواند مجدداً سیستم را به‌طور پایدار به کار بیندازد.

باتری‌های NAS این شرکت گواهینامه استاندارد ایمنی باتری ذخیره‌سازی با کاربرد ثابت UL 1973 سطح سل و ماژول را دارند، این استاندارد قابلیت سیستم باتری و پایدار در شرایط نرمال و غیرنرمال را ارزیابی می‌کند. استاندارد UL 9540A شامل یک سری آزمون‌های تدریجی است که از سطح سل شروع می‌شود و با سطح ماژول، واحد و در نهایت سطح نصب ادامه می‌یابند. این استاندارد مربوط به بررسی سطح خطر اشتغال‌پذیری باتری و ایمنی آن را مورد آزمون قرار می‌دهد.

بیشتر بخوانید:

نقطه شبنم، پارامتری مهم در ایمنی و کیفیت تولید باتری

شبکه‌ی بازیافت باتری در اروپا و ظرفیت‌های موجود

چین، یکه‌تاز صنعت باتری و خودروی الکتریکی در سال 2024