پیشرفت‌ها در فناوری باتری برای سیستم‌های ذخیره انرژی دریایی

پیشگفتار

با حرکت جهان به سمت راه‌حل‌های انرژی سبزتر، باتری‌های لیتیومی توجه بیشتری را به خود جلب کرده‌اند. در حالی که وسایل نقلیه الکتریکی بیش از یک دهه است که مورد توجه قرار گرفته‌اند، پتانسیل سیستم‌های ذخیره انرژی الکتریکی در محیط‌های دریایی نادیده گرفته شده است. با این حال، تحقیقات زیادی با تمرکز بر بهینه‌سازی استفاده از باتری‌های لیتیومی ذخیره‌سازی و پروتکل‌های شارژ برای کاربردهای مختلف قایق‌ها صورت گرفته است. باتری‌های لیتیوم-یون فسفات با چرخه عمیق در این مورد به دلیل چگالی انرژی بالا، پایداری شیمیایی خوب و عمر چرخه طولانی تحت الزامات سختگیرانه سیستم‌های پیشران دریایی، جذابیت ویژه‌ای دارند.

همزمان با افزایش سرعت نصب باتری‌های لیتیومی ذخیره‌سازی، اجرای مقررات برای تضمین ایمنی نیز افزایش می‌یابد. ISO/TS 23625 یکی از این مقررات است که بر انتخاب، نصب و ایمنی باتری تمرکز دارد. توجه به این نکته ضروری است که ایمنی در استفاده از باتری‌های لیتیومی، به ویژه در مورد خطرات آتش‌سوزی، از اهمیت بالایی برخوردار است.

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی دریایی

سیستم‌های ذخیره انرژی دریایی با حرکت جهان به سمت آینده‌ای پایدارتر و سازگارتر با محیط زیست، به طور فزاینده‌ای در صنعت دریایی به یک راهکار محبوب تبدیل می‌شوند. همانطور که از نامشان پیداست، این سیستم‌ها برای ذخیره انرژی در محیط دریایی طراحی شده‌اند و می‌توانند برای اهداف مختلفی از جمله به حرکت درآوردن کشتی‌ها و قایق‌ها گرفته تا تأمین برق پشتیبان در مواقع اضطراری مورد استفاده قرار گیرند.

رایج‌ترین نوع سیستم ذخیره انرژی دریایی، باتری لیتیوم-یونی است که به دلیل چگالی انرژی بالا، قابلیت اطمینان و ایمنی آن، مورد استفاده قرار می‌گیرد. باتری‌های لیتیوم-یونی همچنین می‌توانند برای برآورده کردن نیازهای خاص انرژی در کاربردهای مختلف دریایی تنظیم شوند.

یکی از مزایای کلیدی سیستم‌های ذخیره انرژی دریایی، توانایی آنها در جایگزینی با ژنراتورهای دیزلی است. با استفاده از باتری‌های لیتیوم-یونی، این سیستم‌ها می‌توانند منبع انرژی قابل اعتماد و پایداری را برای کاربردهای مختلف ارائه دهند. این شامل برق کمکی، روشنایی و سایر نیازهای الکتریکی در کشتی یا شناور می‌شود. علاوه بر این کاربردها، سیستم‌های ذخیره انرژی دریایی می‌توانند برای تأمین انرژی سیستم‌های رانش الکتریکی نیز استفاده شوند و آنها را به جایگزینی مناسب برای موتورهای دیزلی معمولی تبدیل کنند. آنها به ویژه برای شناورهای کوچکتر که در یک منطقه نسبتاً محدود فعالیت می‌کنند، مناسب هستند.

به طور کلی، سیستم‌های ذخیره انرژی دریایی جزء کلیدی گذار به آینده‌ای پایدارتر و سازگارتر با محیط زیست در صنعت دریایی هستند.

مزایای باتری‌های لیتیومی

یکی از بارزترین مزایای استفاده از باتری‌های لیتیومی ذخیره‌ساز در مقایسه با ژنراتورهای دیزلی، عدم انتشار گازهای سمی و گلخانه‌ای است. اگر باتری‌ها با استفاده از منابع پاک مانند پنل‌های خورشیدی یا توربین‌های بادی شارژ شوند، می‌توانند انرژی ۱۰۰٪ پاک را تشکیل دهند. همچنین با قطعات کمتر، از نظر نگهداری کم‌هزینه‌تر هستند. صدای بسیار کمتری تولید می‌کنند که آنها را برای موقعیت‌های پهلوگیری در نزدیکی مناطق مسکونی یا پرجمعیت ایده‌آل می‌کند.

باتری‌های لیتیومی ذخیره‌ای تنها نوع باتری‌هایی نیستند که می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. در واقع، سیستم‌های باتری دریایی را می‌توان به باتری‌های اولیه (که قابل شارژ مجدد نیستند) و باتری‌های ثانویه (که می‌توانند به طور مداوم شارژ شوند) تقسیم کرد. مورد دوم حتی با در نظر گرفتن افت ظرفیت، در کاربردهای بلندمدت از نظر اقتصادی سودمندتر است. در ابتدا از باتری‌های سرب-اسید استفاده می‌شد و باتری‌های لیتیومی ذخیره‌ای، باتری‌های نوظهوری محسوب می‌شوند. با این حال، تحقیقات نشان داده است که آنها چگالی انرژی بالاتر و عمر طولانی‌تری را ارائه می‌دهند، به این معنی که برای کاربردهای دوربرد و تقاضاهای بار زیاد و سرعت بالا مناسب‌تر هستند.

صرف نظر از این مزایا، محققان هیچ نشانه‌ای از رضایت از خود نشان نداده‌اند. در طول سال‌ها، طرح‌ها و مطالعات متعددی بر بهبود عملکرد باتری‌های لیتیومی ذخیره‌سازی برای بهبود کاربرد دریایی آنها متمرکز شده‌اند. این شامل ترکیبات شیمیایی جدید برای الکترودها و الکترولیت‌های اصلاح‌شده به منظور محافظت در برابر آتش‌سوزی و فرار حرارتی است.

انتخاب باتری لیتیومی

هنگام انتخاب باتری‌های لیتیومی ذخیره‌سازی برای سیستم باتری لیتیومی ذخیره‌سازی دریایی، باید چندین ویژگی را در نظر گرفت. ظرفیت، یک مشخصه حیاتی است که هنگام انتخاب باتری برای ذخیره‌سازی انرژی دریایی باید در نظر گرفته شود. این مشخصه تعیین می‌کند که باتری چقدر انرژی می‌تواند ذخیره کند و متعاقباً، میزان کاری که می‌تواند قبل از شارژ مجدد آن تولید شود. این یک پارامتر طراحی اساسی در کاربردهای پیشرانش است که در آن ظرفیت، مسافت یا مسافتی را که قایق می‌تواند طی کند، تعیین می‌کند. در زمینه دریایی، که اغلب فضا محدود است، یافتن باتری با چگالی انرژی بالا مهم است. باتری‌های با چگالی انرژی بالاتر، جمع و جورتر و سبک‌تر هستند، که این امر به ویژه در قایق‌هایی که فضا و وزن در اولویت هستند، اهمیت دارد.

ولتاژ و جریان نامی نیز از مشخصات مهمی هستند که هنگام انتخاب باتری‌های لیتیومی ذخیره‌ساز برای سیستم‌های ذخیره انرژی دریایی باید در نظر گرفته شوند. این مشخصات تعیین می‌کنند که باتری با چه سرعتی می‌تواند شارژ و دشارژ شود، که برای کاربردهایی که تقاضای برق می‌تواند به سرعت تغییر کند، مهم است.

انتخاب باتری که به طور خاص برای استفاده دریایی طراحی شده باشد، بسیار مهم است. محیط‌های دریایی خشن هستند و در معرض آب شور، رطوبت و دمای شدید قرار دارند. باتری‌های لیتیومی ذخیره سازی که برای استفاده دریایی طراحی شده‌اند، معمولاً دارای خاصیت ضد آب و مقاومت در برابر خوردگی و همچنین ویژگی‌های دیگری مانند مقاومت در برابر لرزش و مقاومت در برابر ضربه هستند تا عملکرد قابل اعتمادی را در شرایط چالش برانگیز تضمین کنند.

ایمنی در برابر آتش نیز بسیار مهم است. در کاربردهای دریایی، فضای محدودی برای نگهداری باتری وجود دارد و هرگونه گسترش آتش می‌تواند منجر به انتشار گازهای سمی و خسارات پرهزینه شود. می‌توان اقدامات نصب را برای محدود کردن گسترش آتش انجام داد. RoyPow، یک شرکت تولید باتری لیتیوم-یونی چینی، نمونه‌ای از این موارد است که در آن کپسول‌های خاموش‌کننده میکرو داخلی در قاب بسته باتری قرار می‌گیرند. این کپسول‌ها یا توسط یک سیگنال الکتریکی یا با سوزاندن خط حرارتی فعال می‌شوند. این کار یک ژنراتور آئروسل را فعال می‌کند که مایع خنک‌کننده را از طریق واکنش اکسایش-کاهش به صورت شیمیایی تجزیه می‌کند و آن را پخش می‌کند تا آتش را به سرعت قبل از گسترش خاموش کند. این روش برای مداخلات سریع ایده‌آل است و برای کاربردهای فضای تنگ مانند باتری‌های لیتیومی ذخیره‌سازی دریایی بسیار مناسب است.

ایمنی و الزامات

استفاده از باتری‌های لیتیومی ذخیره‌سازی برای کاربردهای دریایی رو به افزایش است، اما ایمنی باید در اولویت اصلی باشد تا از طراحی و نصب مناسب اطمینان حاصل شود. باتری‌های لیتیومی در صورت عدم استفاده صحیح، به ویژه در محیط دریایی خشن با قرار گرفتن در معرض آب شور و رطوبت بالا، در برابر خطرات حرارتی و آتش‌سوزی آسیب‌پذیر هستند. برای رفع این نگرانی‌ها، استانداردها و مقررات ISO تدوین شده است. یکی از این استانداردها ISO/TS 23625 است که دستورالعمل‌هایی برای انتخاب و نصب باتری‌های لیتیومی در کاربردهای دریایی ارائه می‌دهد. این استاندارد الزامات طراحی، نصب، نگهداری و نظارت بر باتری را برای اطمینان از دوام و عملکرد ایمن باتری مشخص می‌کند. علاوه بر این، ISO 19848-1 راهنمایی‌هایی در مورد آزمایش و عملکرد باتری‌ها، از جمله باتری‌های لیتیومی ذخیره‌سازی، در کاربردهای دریایی ارائه می‌دهد.

استاندارد ISO 26262 همچنین نقش مهمی در ایمنی عملکردی سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی در کشتی‌های دریایی و همچنین سایر وسایل نقلیه ایفا می‌کند. این استاندارد الزام می‌کند که سیستم مدیریت باتری (BMS) باید به گونه‌ای طراحی شود که در صورت کم بودن باتری، علاوه بر سایر الزامات ایمنی، هشدارهای بصری یا شنیداری را به اپراتور ارائه دهد. در حالی که پیروی از استانداردهای ISO داوطلبانه است، رعایت این دستورالعمل‌ها ایمنی، کارایی و طول عمر سیستم‌های باتری را افزایش می‌دهد.

خلاصه

باتری‌های لیتیومی ذخیره‌ساز به دلیل چگالی انرژی بالا و طول عمر طولانی در شرایط سخت، به سرعت به عنوان یک راه‌حل ذخیره‌سازی انرژی ترجیحی برای کاربردهای دریایی در حال ظهور هستند. این باتری‌ها همه‌کاره هستند و می‌توانند برای طیف وسیعی از کاربردهای دریایی، از تأمین انرژی قایق‌های برقی گرفته تا تأمین انرژی پشتیبان برای سیستم‌های ناوبری، مورد استفاده قرار گیرند. علاوه بر این، توسعه مداوم سیستم‌های باتری جدید، طیف کاربردهای ممکن را گسترش می‌دهد تا شامل اکتشاف در اعماق دریا و سایر محیط‌های چالش‌برانگیز شود. انتظار می‌رود که پذیرش باتری‌های لیتیومی ذخیره‌ساز در صنعت دریایی، انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش داده و لجستیک و حمل و نقل را متحول کند.