تكنولوجيا البطاريات الكهربائية المختلفة للتطبيقات الصناعية

البطاريات الكهربائية المستخدمة في الصناعة تختلف من ناحية التصميم والمواصفات. لكن هنالك فقط ثلاث أنواع مختلفة من تكنولوجيا البطاريات تُسيطر على السوق الصناعي بشكل شبه كامل، وهي بطارية حمض الكبريت السائلة Flooded Lead-Acid Battery وبطارية حمض الكبريت الجافة Sealed Lead-Acid وبطارية النيكل والكاديميوم السائلة Vented Nickel Cadmium (NiCd).

بطاريات حمض الكبريت السائلة تحتوي على المحلول الموصل للتيار بداخلها في حالته السائلة Electrolyte. ويتكون طرف التوصيل الأول فيها من الرصاص Lead (Pb) والطرف الثاني من أكسيد الرصاص Lead Oxide مغموسين في حمض الكبريت H2SO4. تحتاج هذه البطاريات إلى إعادة تعبئتها بالماء بشكل متكرر لتعويض الفقد بسبب عملية التبخر الطبيعية منها.

بطاريات حمض الكبريت الجافة تشبه بطاريات حمض الكبريت السائلة فيما عدا أنها لا تحتوي على حمض بشكل سائل بل على شكل جل Gel أو زجاج حصيري Glass Mat. كما أنها لا تحتاج إلى إعادة تعبئة دورية للماء فيها ما يجعل مُصنعيها يعملوا على الترويج لها على أنها بطاريات خالية (لا تحتاج) إلى أي صيانة.

بطاريات النيكل والكاديميوم السائلة هي نوع آخر من البطاريات السائلة التي تحتوي على طرف موصل من هيدروكسيد النيكل Nickel Hydroxide وآخر من الكاديميوم Cadmium مغموسان هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) السائل. تحتاج هذه البطاريات أيضاً إلى تعبئة دورية للمياه فيها، كما أنها تعيش لفترات أطول من النوعان السابقان.

يوضح الجدول التالي الفروق الشهيرة بين الأنواع الثلاثة:

الفئة	بطارية النيكل والكاديميوم السائلة	بطارية حمض الكبريت السائلة	بطارية حمض الكبريت الجافة
جهد الخلية	1.2 فولت	2 فولت	2 فولت
التكلفة	عالي	منخفض	منخفض
الطاقة النوعية (Wh/kg)	عالي	منخفض	منخفض
الحساسية لتقلبات الحرارة	منخفض	منخفض	عالي
تكلفة التفريغ الذاي للخلية	عالي	منخفض	منخفض
الحياة الدورية (دورة شحن / تفرغ)	1000-2000	200-800	200-800
المادة الضارة بالبيئة والبشر	كاديميوم	رصاص	رصاص
كمية غاز الهيدروجين الخارج منها	عالية	عالية	منخفضة

لاحظ أن سعر بطاريات النيكل والكاديميوم قد يصل من مرتين إلى ثلاث مرات سعر بطاريات حمض الكبريت، لكن حياتها الدورية هي الأخرى أكثر من بطاريات حمض الكبريت بكثير.

من ناحية عملية، تغير البطاريات المستخدمة في المؤسسات الصناعية ومراكز البيانات من نوع لآخر ستكون له تبعات مهمة، وأحياناً غير مقبولة، نلخصها بالنقاط التالية:

1- التحويل من تكنولوجيا بطاريات حمض الكبريت Lead Acid (سواءاً الجافة أو السائلة) إلى بطاريات النيكل والكاديميوم السائلة Vented Nickel Cadmium (NiCd) :

• جهد الخلية الواحدة لبطارية النيكل والكاديميوم هو 1.2 فولت بينما هو 2 فولت لبطارية حمض الكبريت. لذا فإن هذا التغيير سيتطلب زيادة بمقدار 66% في عدد خلايا البطاريات للوصول إلى نفس الجهد النهائي. وبالنظر إلى أن حجم بطارية النيكل والكاديميوم أصغر بقليل من بطارية حمض الكبريت، فإن الزيادة في المساحة لإحتواء بطاريات النيكل والكاديميوم ستكون أكبر من المساحة التي تتواجد فيها بطاريات حمض الكبريت بمقدار 30% إلى 55%.
• نظراً إلى أن بطاريات النيكل والكاديميوم هي أيضاً سائلة، فإن زيادة عددها سينتج عنه زيادة في الزمن اللازم للقيام بتعبئتها بالماء ما يستوجب زيادة بمقدار 66% في تكلفة الصيانة لهذه البطاريات.
• الرفوف الحاوية لبطاريات حمض الكبريت لن تكون كافية لإحتواء الزيادة في بطاريات النيكل والكاديميوم ما سينعكس كتكلفة إضافية لزيادة/توسعة هذه الرفوف.
• السعر المبدئي لبطاريات النيكل والكاديميوم يصل من الضعف، إلى ثلاث أضعاف، سعر بطاريات حمض الكبريت.
• الزيادة في عدد البطاريات السائلة في نفس الغرفة سيتطلب إعادة دراسة جودة نظام التهوية والتأكد من قدرته على التعامل مع الزيادة في غاز الهيدروجين الخارج من البطاريات.
• وأخيراً، عليك أن تعرف أن بطاريات النيكل والكاديميوم تحتوي على عنصر الكاديميوم وهو من المعادن الثقيلة السامة للبيئة وللبشر. لهذا كان المجلس والبرلمان الأوروبي قد أصدر القرار 2006/66/EC بحضر بيع بطاريات النيكل والكاديميوم داخل دول الإتحاد الأوروبي إلا لبعض التطبيقات الخاصة.

2- التحويل من بطاريات حمض الكبريت الجافة Dry/Sealed Lead Acid لبطاريات حمض الكبريت السائلة Flooded Lead Acid أو بطاريات النيكل والكاديميوم السائلة Vented Nickel Cadmium:

• إستبدال البطاريات الجافة ببطاريات سائلة سيتطلب مراجعة نظام التهوية الخاص بطرد غاز الهيدروجين المنبثق من البطارية للخارج. تجمع غاز الهيدروجين في مكان أو غرفة مغلقة يترتب عليه أولاً خطورة إنخناق من يعمل/يتواجد في تلك الغرفة، وثانياً خطورة حدوث إنفجار إن نتجت شرارة في المكان.
• تكمن الإيجابية في عملية الإستبدال هذه في تقليل تكاليف الصيانة لأن البطاريات الجافة لا تحتاج إلى إعادة تعبئتها بالمياه دورياً.

3- إستبدال البطاريات السائلة ببطاريات جافة لأي نوع/تكنولوجيا:

• تتميز البطاريات السائلة بشكل عام بإمتلاكها لإعتمادية Reliability أعلى من البطاريات الجافة. ويرجع ذلك للصيانة الدورية التي تتم عليها من قياس الجهد وتعبئة المياه وقياس الكثافة النوعية Specific Gravity لحمضها. كما أن التجارب تشير إلى أن البطاريات الجافة تعيش نسبياً لعدد أقل من السنين مقارنة مع البطاريات السائلة. أخيراً، عند فشل خلية سائلة في بنك من البطاريات فإنها تصبح كقصر Short في الدائرة دون فتح دائرة البنك بالكامل، أي أن التأثير الوحيد لفشل خلية سائلة هو هبوط لجهد البنك وسعته بمقدار جهد وسعة الخلية الفاشلة. أما فشل خلية بطارية جافة قد يحولها لدائرة مفتوحة ما يؤدي لخسارة (فتح) بنك البطاريات بالكامل.

4- التحول من أي تكنولوجيا لأخرى:

• إستبدال أي نوع من البطاريات بآخر يستوجب مراجعة قدرة الشاحن (أو الريكتيفير في حال ال UPS) على توفير تيار قادر على شحن البطاريات الجديدة دون مشاكل.