ตอนที่ 9: วิศวกรรมความปลอดภัยและการบริหารจัดการความเสี่ยงในระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่
เมื่อระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่ (BESS) มีการขยายขนาดความจุและกำลังไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองการใช้พลังงานในระดับครัวเรือนและภาคอุตสาหกรรม งานด้านวิศวกรรมความปลอดภัยจึงกลายเป็นหัวใจสำคัญที่ไม่สามารถละเลยได้ แม้ว่าเทคโนโลยีลิเธียมไอออนฟอสเฟต (LiFePO₄) จะมีเสถียรภาพทางเคมีและทนความร้อนสูงเพียงใด แต่แบตเตอรี่ยังคงเป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานเคมีที่มีความหนาแน่นสูง ซึ่งมีความเสี่ยงในการเกิดอันตรายทางไฟฟ้า เคมี และอัคคีภัยได้ หากขาดการออกแบบและการบริหารจัดการที่มีมาตรฐาน การระบุความเสี่ยงและการกำหนดกรอบการป้องกันอย่างเป็นระบบตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบ การคัดสรรอุปกรณ์ ตลอดจนการติดตั้งเชิงวิศวกรรม จึงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อควบคุมให้ความเสี่ยงอยู่ในระดับที่ยอมรับได้
source: BESS Archives – Real Fire Suppression
1. การประเมินและชี้เป้าความเสี่ยงหลักในระบบ BESS
ภัยคุกคามในเชิงความปลอดภัยในระบบกักเก็บพลังงานสามารถจำแนกออกเป็นสี่ประการสำคัญตามหลักการประเมินความเสี่ยงทางวิศวกรรม:
- สภาวะความร้อนจัดที่ควบคุมไม่ได้ (Thermal Runaway): จัดเป็นความเสี่ยงทางไฟฟ้า-เคมีที่รุนแรงที่สุด เกิดจากการที่เซลล์แบตเตอรี่ได้รับปัจจัยกระตุ้นทางกายภาพที่เป็นอันตราย (Abuse Factors) เช่น การประจุไฟเกินพิกัด (Overcharging), ความร้อนสะสมจากภายนอก, หรือการเกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายในเซลล์ (Internal Short Circuit) ที่มักเกิดจากความเสียหายทางกลหรือความบกพร่องในกระบวนการผลิต เมื่ออุณหภูมิภายในเซลล์สูงเกินพิกัดจนระบบควบคุมไม่สามารถระบายความร้อนได้ทัน ปฏิกิริยาคายความร้อนภายในเซลล์จะเร่งตัวขึ้นอย่างรวดเร็วและต่อเนื่อง ส่งผลให้แผ่นกั้นขั้วบวก/ขั้วลบ หรือแผ่นกั้นเซปาเรเตอร์ (Separator) ชำรุดเสียหายและลัดวงจรรุนแรงขึ้น จนเกิดเพลิงไหม้และระเบิดลุกลามไปยังเซลล์ข้างเคียงเกิดเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่
- พลังงานค้างในระบบ (Stranded Energy): เป็นความเสี่ยงเฉพาะตัวของระบบจัดเก็บพลังงานไฟฟ้า ในกรณีที่ระบบ BESS ประสบอุบัติเหตุ ได้รับความเสียหายเชิงโครงสร้าง หรือผ่านการเกิดเพลิงไหม้จนดับสนิทแล้ว เซลล์แบตเตอรี่บางส่วนอาจยังมีพลังงานไฟฟ้าศักย์สะสมอยู่ภายในอย่างหนาแน่น แต่ทว่าขั้วไฟฟ้าและจุดต่อพ่วงต่าง ๆ ถูกทำลายไปแล้ว ทำให้ไม่สามารถระบายประจุ (Discharge) ออกมาได้อย่างปลอดภัยตามปกติ สถานะดังกล่าวสร้างความเสี่ยงสูงต่อเจ้าหน้าที่กู้ภัย ช่างเทคนิค และผู้ดูแลระบบ จากการถูกไฟฟ้าช็อตรุนแรง หรืออาจเกิดปฏิกิริยาประทุไฟไหม้ซ้ำ (Reignition) หลังจากเพลิงสงบลงแล้วหลายชั่วโมงหรือหลายวัน
- การสะสมก๊าซพิษและก๊าซไวไฟ (Toxic & Flammable Off-gassing): ก่อนที่เซลล์แบตเตอรี่จะเข้าสู่สภาวะ Thermal Runaway อย่างสมบูรณ์ สารละลายอิเลคโตรไลต์ที่อยู่ภายในจะเริ่มเดือดและสลายตัวทางเคมี ปลดปล่อยก๊าซและไอระเหยออกมาภายนอกเซลล์ (Off-gassing) ก๊าซที่ถูกปล่อยออกมานี้ประกอบด้วยก๊าซพิษและก๊าซที่ไวต่อการติดไฟในปริมาณสูง เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และก๊าซไฮโดรเจน หากก๊าซเหล่านี้สะสมตัวภายในห้องติดตั้งหรือกล่องหุ้มที่ปิดทึบจนมีความเข้มข้นถึงขีดจำกัดล่างของการระเบิด (Lower Explosive Limit: LEL) จะแปรสภาพพื้นที่ดังกล่าวให้กลายเป็นสภาวะพร้อมระเบิดอย่างรุนแรงทันทีเมื่อพบประกายไฟหรือความร้อนสะสม
- เพลิงไหม้ในส่วนลึกเข้าถึงยาก (Deep Seated Fires): เนื่องจากโมดูลและแพ็กแบตเตอรี่ในปัจจุบันถูกออกแบบภายใต้เปลือกหุ้มพลาสติกทนไฟและบรรจุในตู้โลหะหนาแน่นเพื่อป้องกันฝุ่นและน้ำตามมาตรฐาน IP เปลือกป้องกันที่แข็งแรงเหล่านี้กลับกลายเป็นอุปสรรคสำคัญที่สกัดกั้นไม่ให้น้ำหรือสารดับเพลิงจากภายนอกสามารถฉีดเข้าถึงต้นตอของเพลิงไฟที่กำลังปะทุอยู่ภายในชั้นเซลล์ได้โดยตรง ส่งผลให้การควบคุมเพลิงทำได้ยากและจำเป็นต้องใช้ปริมาณน้ำมหาศาลในการชโลมลดอุณหภูมิผิวตู้ภายนอกเพื่อประคองไม่ให้ความร้อนลุกลาม
2. มาตรการป้องกันเชิงรุกผ่านการออกแบบสถาปัตยกรรมและระบบควบคุม
- การตรวจจับและการสั่งการของ BMS (Active Prevention): ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ต้องได้รับการออกแบบให้เป็นด่านแรกในการสกัดกั้นภัยอันตราย นอกเหนือจากการตรวจสอบระดับแรงดันตกคร่อมและอุณหภูมิรายเซลล์ตลอด 24 ชั่วโมงเพื่อตัดการทำงานเมื่อพบค่าความคลาดเคลื่อนเกินเกณฑ์แล้ว BMS ยุคใหม่จำเป็นต้องรองรับอัลกอริทึมวิเคราะห์ความสมดุลแรงดันเชิงลึก (Voltage Imbalance Monitoring) เพื่อส่งสัญญาณแจ้งเตือนล่วงหน้าเมื่อพบเซลล์ที่มีพฤติกรรมผิดปกติเชิงไฟฟ้า-เคมี ก่อนเกิดการลัดวงจร รวมถึงการผสานรวมเซ็นเซอร์ตรวจวัดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO Detection) หรือเซ็นเซอร์ตรวจจับการปล่อยก๊าซอิเล็กโทรไลต์เพื่อทำหน้าที่ตัดการทำงานระบบจ่ายไฟในส่วนที่มีปัญหา (Controlled Emergency Shutdown) เพื่อยับยั้งกระบวนการพัฒนาไปสู่ Thermal Runaway อย่างทันท่วงที
- การออกแบบโครงสร้างทางกายภาพเพื่อระบายแรงดัน (Passive Control & Venting): ตู้บรรจุแบตเตอรี่ต้องใช้วัสดุทนไฟชนิดไม่ลามไฟ (Non-combustible Materials) และต้องติดตั้งกลไกช่วยระบายก๊าซและแรงดันฉุกเฉิน เช่น วาล์วปล่อยแรงดันหรือแผงระบายก๊าซระเบิด (Deflagration Vents) ไว้ที่บริเวณหลังคาหรือด้านบนของตู้บรรจุ กลไกนี้ออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่ปลดปล่อยแรงอัดและก๊าซไวไฟให้พุ่งตรงออกสู่พื้นที่ว่างด้านบนเมื่อเกิดแรงดันสะสมภายในตู้ ป้องกันการเกิดแรงระเบิดฉีกทำลายตัวตู้ในแนวราบ ซึ่งจะเป็นอันตรายอย่างร้ายแรงต่อทรัพย์สินและเจ้าหน้าที่ผู้ปฏิบัติงานในบริเวณโดยรอบ
3. การคัดสรรอุปกรณ์ที่ได้มาตรฐานและการรับรองในระดับสากล
- มาตรฐาน มอก. 62619-2566 และ IEC 62619: สำหรับประเทศไทย สำนักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม (สมอ.) ได้กำหนดและประกาศใช้มาตรฐานอุตสาหกรรม มอก. 62619-2566 ซึ่งนำเข้าเนื้อหาและเกณฑ์การทดสอบแบบเทียบเท่าสากลสมบูรณ์ (Identical) มาจากมาตรฐาน IEC 62619 เพื่อกำหนดข้อบังคับด้านความปลอดภัยทางไฟฟ้า เคมี และโครงสร้างทางกล สำหรับเซลล์และแบตเตอรี่ลิเธียมทุติยภูมิที่บรรจุสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่เป็นกรด เพื่อนำมาใช้งานในเชิงอุตสาหกรรมรวมถึงระบบกักเก็บพลังงานแบบติดตั้งอยู่กับที่ (Stationary Applications) เช่น ตู้แบตเตอรี่โซล่าเซลล์สำหรับภาคครัวเรือนและโรงงานในไทย
- UL 9540 (มาตรฐานความปลอดภัยระบบกักเก็บพลังงานครบวงจร): เป็นมาตรฐานบังคับขั้นพื้นฐานสำหรับประเมินความปลอดภัยเชิงระบบ โดยจะทำการทดสอบองค์ประกอบทั้งหมดของระบบ BESS ทำงานร่วมกัน (System-level evaluation) ได้แก่ แบตเตอรี่ อินเวอร์เตอร์ และระบบควบคุม เพื่อยืนยันว่าการทำงานร่วมกันมีความปลอดภัยในทุกสภาวะ และตัวเครื่องต้องได้รับการปกป้องภายใต้เปลือกหุ้มโลหะที่ผ่านเกณฑ์ทดสอบความเสถียรเชิงโครงสร้าง
- UL 9540A (มาตรฐานการทดสอบการลามไฟจากสภาวะ Thermal Runaway): เป็นกระบวนการทดสอบที่เข้มงวดที่สุดในอุตสาหกรรม โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อวิเคราะห์พฤติกรรมการลามไฟและการระเบิดของระบบแบตเตอรี่เมื่อถูกจงใจทำให้เกิดสภาวะ Thermal Runaway ตั้งแต่ระดับเซลล์ (Cell level) โมดูล (Module level) ไปจนถึงระดับแพ็กแบตเตอรี่ (Batter Pack Level) ผลการทดสอบจากมาตรฐานนี้จะระบุพารามิเตอร์ที่ชี้ขาดว่า ตัวอุปกรณ์สามารถควบคุมการลามไฟภายในโมดูลไม่ให้แพร่กระจายไปยังโมดูลข้างเคียงได้หรือไม่ และระบุระยะห่างเชิงกายภาพที่ปลอดภัยสำหรับการจัดวางอุปกรณ์
- UL 1973 (มาตรฐานความปลอดภัยระดับส่วนประกอบไฟฟ้า-เคมี): เป็นมาตรฐานสากลที่ตรวจสอบความทนทานและความปลอดภัยของตัวเซลล์และกลไกภายในแบตเตอรี่ในสถานะติดตั้งอยู่กับที่ (Stationary Applications) โดยครอบคลุมการทดสอบแรงกระแทกเชิงกล การทนความร้อนสูง และเสถียรภาพของการชาร์จ/คายประจุภายใต้แรงเค้นทางไฟฟ้าเคมีอย่างเข้มงวด
4. มาตรฐานวิศวกรรมการติดตั้งและเตรียมพร้อมรับเหตุฉุกเฉิน
- ระยะการจัดวางเชิงพื้นที่และการแบ่งส่วนป้องกัน (Spatial Separation & Setbacks): ตามแนวทางของ NFPA 855 ระบบ BESS ต้องได้รับการจัดวางโดยเว้นระยะห่างที่เหมาะสมจากผนังโครงสร้างอาคาร ขอบเขตที่ดิน และเว้นช่องว่างระหว่างชั้นหรือตู้แบตเตอรี่แต่ละตู้ (มักกำหนดระยะห่างขั้นต่ำที่ประมาณ 3 ฟุต หรือ 0.9 เมตร) เพื่อทำหน้าที่เป็นแนวกันชนป้องกันไม่ให้ความร้อนที่เกิดขึ้นในตู้ที่ชำรุดเสียหายเกิดการแผ่รังสีความร้อนลุกลามไปยังตู้ข้างเคียง
- ระบบการระบายอากาศและควบคุมอุณหภูมิ (Ventilation & HVAC): พื้นที่ติดตั้ง in-door ต้องได้รับการออกแบบระบบถ่ายเทอากาศที่ทำงานตลอด 24 ชั่วโมง โดยมีอัตราไหลเวียนอากาศเพียงพอที่จะป้องกันไม่ให้เกิดความร้อนสะสมรอบตัวตู้ และหากติดตั้งในห้องปิดสนิท จำเป็นต้องมีระบบระบายอากาศฉุกเฉินเชิงกล (Mechanical Exhaust System) ที่ต่อเข้ากับระบบสำรองไฟฟ้าฉุกเฉิน เพื่อทำหน้าที่ดูดและระบายก๊าซไวไฟออกนอกอาคารโดยอัตโนมัติเมื่อเซ็นเซอร์ตรวจวัดก๊าซรายงานสัญญานผิดปกติ
- ระบบต่อลงดินและอุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้า (Grounding & Overcurrent Protection): ระบบ BESS มีลักษณะทางไฟฟ้าที่ซับซ้อนเนื่องจากมีแหล่งจ่ายพลังงานร่วมกันสองทาง ทั้งจากระบบผลิตโซล่าเซลล์และจากตัวแบตเตอรี่เอง อุปกรณ์ตัดไฟ (Circuit Breakers) และฟิวส์ป้องกันกระแสเกินจึงต้องได้รับการคำนวณและเลือกพิกัดทนพิกัดกระแสลัดวงจรสะสมร่วม (Combined Fault Currents) ได้อย่างถูกต้อง รวมถึงการติดตั้งระบบสายดิน (Grounding Electrode System) ที่ครอบคลุมทุกชิ้นส่วนโลหะและท่อร้อยสายไฟ และการติดตั้งระบบตรวจจับสภาวะอาร์กของไฟฟ้ากระแสตรง (Arc-Fault Circuit Interrupters: AFCIs) บนวงจรสายส่ง DC ทั้งหมดเพื่อความปลอดภัยสูงสุด
- การจัดทำแผนเผชิญเหตุฉุกเฉินและการประสานงานดับเพลิง (Emergency Action Plan: EAP): สำหรับระบบกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่ ผู้พัฒนาโครงการต้องจัดทำแผนรับมือสถานการณ์ฉุกเฉินเฉพาะทาง (EAP) ส่งมอบและฝึกอบรมร่วมกับหน่วยงานป้องกันและบรรเทาสาธารณภัยท้องถิ่น แผนดังกล่าวต้องระบุตำแหน่งผังการจัดวางระบบอย่างชัดเจน ระบุจุดติดตั้งสวิตช์ฉุกเฉินสำหรับตัดการทำงานของระบบโซล่าเซลล์และแบตเตอรี่ ระบุขั้นตอนการทำงานด้านความปลอดภัยเพื่อควบคุมการสะสมของแก๊ส และคู่มือข้อมูลความปลอดภัยสารเคมี (Safety Data Sheets: SDS) เพื่อเตรียมความพร้อมให้แก่เจ้าหน้าที่ดับเพลิงในการรับมือและระงับเหตุได้อย่างรวดเร็วและปลอดภัยหากเกิดเหตุขัดข้องขึ้น
