Pozadina

Energetska kriza učinila je da se sistemi za skladištenje energije litij-ionskih baterija (ESS) više koriste u posljednjih nekoliko godina, ali je također došlo do brojnih opasnih nesreća koje su rezultirale oštećenjem objekata i okoliša, ekonomskim gubicima, pa čak i gubitkom život. Istraživanja su otkrila da iako je ESS ispunio standarde vezane za baterijske sisteme, kao što su UL 9540 i UL 9540A, došlo je do termičke zloupotrebe i požara. Stoga će učenje lekcija iz prošlih slučajeva i analiza rizika i njihovih protumjera pomoći razvoju ESS tehnologije.

Pregled predmeta

U nastavku su sažeti slučajevi nesreća velikih ESS širom svijeta od 2019. do danas, koji su javno prijavljeni.

Uzroci gore navedenih nesreća mogu se sažeti u sljedeća dva:

1) Kvar unutrašnje ćelije pokreće termičku zloupotrebu baterije i modula i konačno uzrokuje da se cijeli ESS zapali ili eksplodira.

Kvar uzrokovan termičkom zloupotrebom ćelije u osnovi se posmatra kao požar praćen eksplozijom. Na primjer, nesreće u elektrani McMicken u Arizoni, SAD 2019. i elektrani Fengtai u Pekingu, Kina 2021. godine, eksplodirale su nakon požara. Takva pojava je uzrokovana kvarom jedne ćelije, što pokreće unutarnju kemijsku reakciju, oslobađajući toplinu (egzotermna reakcija), a temperatura nastavlja rasti i širi se na obližnje ćelije i module, uzrokujući požar ili čak eksploziju. Režim kvara ćelije je općenito uzrokovan prekomjernim punjenjem ili kvarom kontrolnog sistema, termičkom izloženošću, vanjskim kratkim spojem i unutrašnjim kratkim spojem (koji mogu biti uzrokovani različitim uvjetima kao što su udubljenje ili udubljenje, nečistoće materijala, prodiranje vanjskih objekata itd. ).

Nakon termičke zloupotrebe ćelije, proizvodiće se zapaljivi gas. Odozgo se može primijetiti da prva tri slučaja eksplozije imaju isti uzrok, odnosno da se zapaljivi plin ne može pravovremeno isprazniti. U ovom trenutku, baterija, modul i sistem ventilacije kontejnera su posebno važni. Generalno, gasovi se iz akumulatora ispuštaju kroz izduvni ventil, a regulacija pritiska izduvnog ventila može smanjiti nakupljanje zapaljivih gasova. U fazi modula, općenito će se koristiti vanjski ventilator ili dizajn hlađenja kućišta kako bi se izbjeglo nakupljanje zapaljivih plinova. Konačno, u fazi kontejnera, ventilacioni uređaji i sistemi za nadzor su takođe potrebni za evakuaciju zapaljivih gasova.

2) Kvar ESS-a uzrokovan kvarom eksternog pomoćnog sistema

Ukupni ESS kvar uzrokovan kvarom pomoćnog sistema obično se javlja izvan sistema baterija i može dovesti do gorenja ili dima iz vanjskih komponenti. A kada ga sistem prati i blagovremeno reaguje na njega, to neće dovesti do kvara ćelije ili termičke zloupotrebe. U nesrećama Vistra Moss Landing elektrane, faza 1 2021 i faza 2 2022, došlo je do dima i požara jer su nadzor kvarova i električni sigurnosni uređaji isključeni u to vrijeme tokom faze puštanja u rad i nisu mogli pravovremeno reagirati. . Ovakvo sagorevanje plamena obično počinje sa spoljašnje strane baterijskog sistema pre nego što se konačno proširi na unutrašnjost ćelije, tako da nema burne egzotermne reakcije i nakupljanja zapaljivog gasa, pa tako obično nema eksplozije. Štaviše, ako se sprinkler sistem može uključiti na vrijeme, to neće uzrokovati veliku štetu na objektu.

Nesreća sa požarom u "Victorian Power Station" u Geelongu u Australiji 2021. godine uzrokovana je kratkim spojem u bateriji uzrokovanom curenjem rashladne tekućine, što nas podsjeća da obratimo pažnju na fizičku izolaciju sistema baterija. Preporučuje se da zadržite određeni prostor između vanjskih uređaja i baterijskog sistema kako biste izbjegli međusobne smetnje. Sistem baterija također treba biti opremljen funkcijom izolacije kako bi se izbjegao vanjski kratki spoj.

Protumjere

Iz gornje analize jasno je da su uzroci ESS akcidenata toplotna zloupotreba ćelije i kvar pomoćnog sistema. Ako se kvar ne može spriječiti, onda smanjenje daljeg pogoršanja nakon kvara blokiranja također može smanjiti gubitak. Protivmjere se mogu posmatrati sa sljedećih aspekata:

Blokiranje termičkog širenja nakon termičke zloupotrebe ćelije

Može se dodati izolaciona barijera kako bi se blokiralo širenje termičke zloupotrebe ćelije, koja se može instalirati između ćelija, između modula ili između regala. U dodatku NFPA 855 (Standard za ugradnju stacionarnih sistema za skladištenje energije) takođe možete pronaći odgovarajuće zahteve. Specifične mjere za izolaciju barijere uključuju umetanje ploča hladne vode, aerogela i sličnih stvari između ćelija.

Uređaj za gašenje požara se može dodati baterijskom sistemu tako da može brzo reagovati da aktivira uređaj za gašenje požara kada dođe do termičke zloupotrebe u jednoj ćeliji. Hemija koja stoji iza litijum-jonske opasnosti od požara dovodi do drugačijeg dizajna za gašenje požara za sisteme za skladištenje energije od konvencionalnih rešenja za gašenje požara, što nije samo za gašenje požara, već i za smanjenje temperature baterije. U suprotnom, egzotermne hemijske reakcije ćelija će se nastaviti dešavati i izazvati ponovno paljenje.

Takođe je potrebna posebna pažnja pri odabiru materijala za gašenje požara. Ako se voda prska direktno na kućište zapaljene baterije može proizvesti zapaljivu mješavinu plina. A ako je kućište ili okvir baterije napravljen od čelika, voda neće spriječiti termičku zloupotrebu. Neki slučajevi pokazuju da voda ili druge vrste tekućina u kontaktu sa terminalima baterije također mogu pogoršati požar. Na primjer, u požarnoj nesreći u elektrani Vistra Moss Landing u septembru 2021. godine, izvještaji su ukazivali da su rashladna crijeva i spojevi cijevi otkazali, uzrokujući prskanje vode na nosače baterija i na kraju uzrokujući kratki spoj i luk.

1. Pravovremena emisija zapaljivih gasova

Svi navedeni slučajevi ukazuju na koncentraciju zapaljivih plinova kao primarni uzrok eksplozija. Stoga su dizajn i raspored lokacije, monitoring gasa i ventilacioni sistemi važni za smanjenje ovog rizika. U standardu NFPA 855 spominje se da je potreban kontinuirani sistem detekcije gasa. Kada se detektuje određeni nivo zapaljivog gasa (tj. 25% LFL), sistem će pokrenuti izduvnu ventilaciju. Osim toga, standard za ispitivanje UL 9540A također pominje zahtjev za sakupljanje izduvnih gasova i otkrivanje donje granice gasa LFL.

Osim odzračivanja, preporučuje se i upotreba protueksplozijskih ploča. U NFPA 855 se pominje da se ESS moraju instalirati i održavati u skladu sa NFPA 68 (Standard za zaštitu od eksplozije deflagracionom ventilacijom) i NFPA 69 (Standardi za sisteme za zaštitu od eksplozije). Međutim, kada je sistem usklađen sa testom požara i eksplozije (UL 9540A ili ekvivalentan), može biti izuzet od ovog zahtjeva. Međutim, kako uvjeti ispitivanja nisu u potpunosti reprezentativni za stvarnu situaciju, preporučuje se poboljšanje ventilacije i zaštite od eksplozije.

2. Sprečavanje kvarova pomoćnih sistema

Neadekvatno programiranje softvera/firmvera i procedure puštanja u rad/pre pokretanja takođe su doprinijele požarima u Viktorijanskoj elektrani i Vistra Moss Landing Power Station. U požaru u Viktorijanskoj elektrani, termalna zloupotreba koju je pokrenuo jedan od modula nije identifikovana ili blokirana, a nije ni prekinut požar koji je uslijedio. Razlog zašto se ova situacija dogodila je taj što tada nije bilo potrebno puštanje u rad, te je sistem ručno ugašen, uključujući telemetrijski sistem, nadzor kvarova i električni uređaj za sigurnost od kvarova. Osim toga, sistem nadzorne kontrole i prikupljanja podataka (SCADA) također još nije bio operativan, jer je bilo potrebno 24 sata da se uspostavi povezanost opreme.

Stoga se preporučuje da svi moduli u stanju mirovanja imaju uređaje kao što su aktivna telemetrija, nadzor kvarova i električni sigurnosni uređaji, umjesto da se ručno isključuju preko prekidača za zaključavanje. Svi električni sigurnosni uređaji trebaju biti u aktivnom načinu rada. Pored toga, treba dodati dodatne alarmne sisteme za identifikaciju i reagovanje na različite hitne događaje.

Softverska programska greška je također pronađena u Vistra Moss Landing Power Station fazama 1 i 2, pošto prag pokretanja nije prekoračen, aktiviran je hladnjak baterije. U isto vrijeme, kvar konektora cijevi za vodu sa curenjem gornjeg sloja baterije čini vodu dostupnom baterijskom modulu i zatim uzrokuje kratki spoj. Ova dva primjera pokazuju koliko je važno da se programiranje softvera/firmvera provjeri i otkloni greške prije procedure pokretanja.

Rezime

Kroz analizu nekoliko požarnih nesreća u stanici za skladištenje energije, visok prioritet treba dati kontroli ventilacije i eksplozije, pravilnoj instalaciji i procedurama puštanja u rad, uključujući provjere programiranja softvera, koje mogu spriječiti nesreće na baterijama. Osim toga, trebalo bi razviti sveobuhvatan plan reagovanja u vanrednim situacijama koji će se baviti stvaranjem otrovnih plinova i tvari.