Pozadie

Energetická kríza spôsobila, že systémy na ukladanie energie z lítium-iónových batérií (ESS) sa v posledných rokoch začali vo väčšej miere využívať, ale došlo aj k niekoľkým nebezpečným nehodám, ktoré mali za následok poškodenie zariadení a životného prostredia, ekonomické straty a dokonca straty života. Vyšetrovaním sa zistilo, že aj keď ESS spĺňa normy týkajúce sa batériových systémov, ako sú UL 9540 a UL 9540A, došlo k tepelnému poškodeniu a požiarom. Poučenie sa z minulých prípadov a analýza rizík a ich protiopatrení bude preto prínosom pre vývoj technológie ESS.

Prehľad prípadov

V nasledujúcom texte sú zhrnuté prípady nehôd rozsiahlych ESS na celom svete od roku 2019 do dnešného dňa, ktoré boli verejne nahlásené.

Príčiny vyššie uvedených nehôd možno zhrnúť do nasledujúcich dvoch:

1) Porucha vnútorného článku spôsobí tepelné namáhanie batérie a modulu a nakoniec spôsobí požiar alebo výbuch celého EZS.

Porucha spôsobená tepelným zneužitím článku je v podstate pozorovaná ako požiar, po ktorom nasleduje výbuch. Napríklad nehody elektrárne McMicken v Arizone v USA v roku 2019 a elektrárne Fengtai v Pekingu v Číne v roku 2021 explodovali po požiari. Takýto jav je spôsobený zlyhaním jedného článku, ktorý spustí vnútornú chemickú reakciu, pričom sa uvoľní teplo (exotermická reakcia) a teplota ďalej stúpa a šíri sa do blízkych článkov a modulov, čo spôsobuje požiar alebo dokonca výbuch. Poruchový režim článku je vo všeobecnosti spôsobený prebitím alebo zlyhaním riadiaceho systému, tepelnou expozíciou, vonkajším skratom a vnútorným skratom (ktoré môžu byť spôsobené rôznymi podmienkami, ako je priehlbina alebo priehlbina, nečistoty materiálu, preniknutie vonkajšími predmetmi atď. ).

Po tepelnom zneužití článku sa vytvorí horľavý plyn. Zhora si môžete všimnúť, že prvé tri prípady výbuchu majú rovnakú príčinu, to znamená, že horľavý plyn sa nemôže vypustiť včas. V tomto bode je obzvlášť dôležitá batéria, modul a ventilačný systém kontajnera. Vo všeobecnosti sa plyny vypúšťajú z batérie cez výfukový ventil a regulácia tlaku výfukového ventilu môže znížiť hromadenie horľavých plynov. Vo fáze modulu sa vo všeobecnosti použije vonkajší ventilátor alebo konštrukcia chladenia plášťa, aby sa zabránilo hromadeniu horľavých plynov. Nakoniec, v štádiu kontajnerov sú potrebné aj ventilačné zariadenia a monitorovacie systémy na odvádzanie horľavých plynov.

2) Porucha EZS spôsobená poruchou externého pomocného systému

Celkové zlyhanie ESS spôsobené zlyhaním pomocného systému sa zvyčajne vyskytuje mimo batériového systému a môže mať za následok horenie alebo dym z vonkajších komponentov. A keď ho systém monitoruje a reaguje naň včas, nepovedie to k zlyhaniu bunky alebo tepelnému zneužitiu. Pri nehodách elektrárne Vistra Moss Landing Power Station Fáza 1 2021 a Fáza 2 2022 sa vytvoril dym a požiar, pretože v tom čase boli počas fázy uvádzania do prevádzky vypnuté zariadenia na monitorovanie porúch a elektrické bezpečnostné zariadenia a nemohli včas reagovať. . Tento druh horenia plameňa zvyčajne začína z vonkajšej strany batériového systému predtým, ako sa konečne rozšíri do vnútra článku, takže nedochádza k prudkej exotermickej reakcii a hromadeniu horľavých plynov, a teda zvyčajne k výbuchu. A čo viac, ak sa zavlažovací systém podarí zapnúť včas, nespôsobí rozsiahle škody na zariadení.

Nehoda požiaru „Victorian Power Station“ v austrálskom Geelongu v roku 2021 bola spôsobená skratom v batérii spôsobeným únikom chladiacej kvapaliny, čo nám pripomína, aby sme venovali pozornosť fyzickej izolácii systému batérie. Odporúča sa ponechať určitý priestor medzi externými zariadeniami a batériovým systémom, aby sa zabránilo vzájomnému rušeniu. Batériový systém by mal byť vybavený aj izolačnou funkciou, aby sa predišlo vonkajšiemu skratu.

Protiopatrenia

Z vyššie uvedenej analýzy je zrejmé, že príčinou nehôd ESS je tepelné zneužitie článku a zlyhanie pomocného systému. Ak sa poruche nedá zabrániť, zníženie ďalšieho zhoršovania po poruche blokovania môže tiež znížiť stratu. Protiopatrenia možno posudzovať z nasledujúcich hľadísk:

Blokovanie šírenia tepla po tepelnom zneužití článku

Na blokovanie šírenia tepelného narúšania bunky je možné pridať izolačnú bariéru, ktorá môže byť inštalovaná medzi bunkami, medzi modulmi alebo medzi stojanmi. V prílohe NFPA 855 (Štandard pre inštaláciu stacionárnych systémov skladovania energie) nájdete aj súvisiace požiadavky. Špecifické opatrenia na izoláciu bariéry zahŕňajú vloženie dosiek so studenou vodou, aerogélu a podobných buniek medzi bunky.

K batériovému systému možno pridať protipožiarne zariadenie, aby mohlo rýchlo reagovať a aktivovať protipožiarne zariadenie, keď dôjde k tepelnému zneužitiu v jednom článku. Chémia za nebezpečenstvom lítium-iónového požiaru vedie k inému dizajnu na potlačenie požiaru pre systémy skladovania energie ako konvenčné protipožiarne riešenia, ktorých cieľom je nielen uhasiť požiar, ale aj znížiť teplotu batérie. V opačnom prípade budú pokračovať exotermické chemické reakcie buniek a spustia opätovné zapálenie.

Mimoriadna pozornosť je potrebná aj pri výbere hasiacich materiálov. Ak je voda striekaná priamo na horiaci plášť batérie, môže vzniknúť horľavá zmes plynov. A ak je puzdro alebo rám batérie vyrobené z ocele, voda nezabráni tepelnému zneužitiu. Niektoré prípady ukazujú, že voda alebo iné druhy tekutín v kontakte s pólmi batérie môžu tiež zhoršiť požiar. Napríklad pri požiari v elektrárni Vistra Moss Landing v septembri 2021 správy naznačovali, že na stanici zlyhali chladiace hadice a potrubné spoje, čo spôsobilo striekanie vody na stojany batérií a v konečnom dôsledku spôsobilo skrat a oblúk batérií.

1.Včasné vypúšťanie horľavých plynov

Všetky vyššie uvedené kazuistiky poukazujú na koncentrácie horľavých plynov ako primárnu príčinu výbuchov. Na zníženie tohto rizika je preto dôležitý návrh a usporiadanie lokality, monitorovanie plynu a ventilačné systémy. V norme NFPA 855 sa uvádza, že je potrebný kontinuálny systém detekcie plynu. Keď sa zistí určitá hladina horľavého plynu (tj 25 % LFL), systém spustí odsávacie vetranie. Okrem toho testovacia norma UL 9540A tiež uvádza požiadavku na zber výfukových plynov a detekciu spodnej hranice plynu LFL.

Okrem vetrania sa odporúča aj použitie panelov na odľahčenie výbuchu. V NFPA 855 sa uvádza, že EZS sa majú inštalovať a udržiavať v súlade s NFPA 68 (Štandard pre ochranu pred výbuchom odvetraním deflagrácie) a NFPA 69 (Štandardy pre systémy ochrany pred výbuchom). Ak je však systém v súlade s testom požiaru a výbuchu (UL 9540A alebo ekvivalent), môže byť oslobodený od tejto požiadavky. Keďže však podmienky testovania nie sú úplne reprezentatívne pre skutočnú situáciu, odporúča sa zlepšiť ventiláciu a ochranu proti výbuchu.

2.Prevencia porúch pomocných systémov

K požiarom vo viktoriánskej elektrárni a elektrárni Vistra Moss Landing Power Station prispelo aj neadekvátne programovanie softvéru/firmvéru a spustenie/predštartovanie. Pri požiari vo viktoriánskej elektrárni nebolo zistené alebo zablokované tepelné narušenie iniciované jedným z modulov a ani následný požiar nebol prerušený. Dôvodom, prečo k tejto situácii došlo, je, že v tom čase nebolo potrebné uvedenie do prevádzky a systém bol manuálne vypnutý, vrátane telemetrického systému, monitorovania porúch a elektrického bezpečnostného zariadenia. Okrem toho ešte nebol funkčný ani systém dohľadu a získavania údajov (SCADA), pretože vytvorenie konektivity zariadení trvalo 24 hodín.

Preto sa odporúča, aby všetky nečinné moduly mali zariadenia, ako je aktívna telemetria, monitorovanie porúch a elektrické bezpečnostné zariadenia, namiesto toho, aby sa manuálne vypínali pomocou uzamykacieho spínača. Všetky elektrické bezpečnostné ochranné zariadenia by mali byť udržiavané v aktívnom režime. Okrem toho by mali byť pridané ďalšie poplašné systémy na identifikáciu a reakciu na rôzne mimoriadne udalosti.

Chyba programovania softvéru bola zistená aj vo fázach 1 a 2 elektrárne Vistra Moss Landing Power, keďže nebola prekročená prahová hodnota spustenia, aktivoval sa chladič batérie. Porucha konektora vodovodného potrubia s únikom hornej vrstvy batérie zároveň sprístupní vodu modulu batérie a následne spôsobí skrat. Tieto dva príklady ukazujú, aké dôležité je skontrolovať a odladiť programovanie softvéru/firmvéru pred spustením procesu.

Zhrnutie

Prostredníctvom analýzy niekoľkých požiarnych nehôd v skladovacej stanici energie by sa mala vysoká priorita klásť na ventiláciu a riadenie výbuchu, správnu inštaláciu a postup uvedenia do prevádzky vrátane kontrol programovania softvéru, ktoré môžu zabrániť nehodám batérií. Okrem toho by sa mal vypracovať komplexný plán reakcie na núdzové situácie, ktorý sa bude zaoberať tvorbou toxických plynov a látok.