Tło

Kryzys energetyczny spowodował w ciągu ostatnich kilku lat szersze zastosowanie systemów magazynowania energii w postaci akumulatorów litowo-jonowych (ESS), ale doszło też do szeregu niebezpiecznych wypadków, których skutkiem były szkody w obiektach i środowisku, straty ekonomiczne, a nawet utrata życie. Badania wykazały, że chociaż ESS spełnia normy dotyczące systemów akumulatorowych, takie jak UL 9540 i UL 9540A, zdarzały się nadużycia termiczne i pożary. Dlatego też wyciągnięcie wniosków z przeszłych przypadków oraz analiza zagrożeń i środków zaradczych przyniesie korzyści rozwojowi technologii ESS.

Przegląd przypadków

Poniżej podsumowano przypadki wypadków w dużych ESS na całym świecie od 2019 r. do chwili obecnej, które zostały zgłoszone publicznie.

Przyczyny powyższych wypadków można podsumować w następujący sposób:

1) Awaria ogniwa wewnętrznego powoduje przeciążenie termiczne akumulatora i modułu, a w końcu powoduje zapalenie się lub eksplozję całego ESS.

Awarię spowodowaną nadużyciem termicznym ogniwa zasadniczo obserwuje się w postaci pożaru, po którym następuje eksplozja. Na przykład wypadki w elektrowni McMicken w Arizonie w USA w 2019 r. i w elektrowni Fengtai w Pekinie w Chinach w 2021 r. eksplodowały po pożarze. Zjawisko takie spowodowane jest uszkodzeniem pojedynczego ogniwa, co wywołuje wewnętrzną reakcję chemiczną, uwalniając ciepło (reakcja egzotermiczna), a temperatura stale rośnie i rozprzestrzenia się na pobliskie ogniwa i moduły, powodując pożar, a nawet eksplozję. Tryb awaryjny ogniwa jest zazwyczaj spowodowany przeładowaniem lub awarią układu sterowania, ekspozycją termiczną, zwarciem zewnętrznym i zwarciem wewnętrznym (które może być spowodowane różnymi warunkami, takimi jak wgniecenie lub wgniecenie, zanieczyszczenia materiałowe, penetracja obiektów zewnętrznych itp.). ).

Po przegrzaniu ogniwa wydziela się łatwopalny gaz. Z góry widać, że pierwsze trzy przypadki eksplozji mają tę samą przyczynę, czyli łatwopalny gaz nie może wyładować się w odpowiednim czasie. W tym momencie szczególnie ważny jest akumulator, moduł oraz system wentylacji kontenera. Ogólnie rzecz biorąc, gazy są odprowadzane z akumulatora przez zawór wydechowy, a regulacja ciśnienia zaworu wydechowego może zmniejszyć gromadzenie się gazów palnych. Na etapie modułu zazwyczaj stosuje się wentylator zewnętrzny lub konstrukcję chłodzącą płaszczową, aby uniknąć gromadzenia się gazów palnych. Wreszcie na etapie kontenerów wymagane są również urządzenia wentylacyjne i systemy monitorowania w celu odprowadzania gazów palnych.

2) Awaria ESS spowodowana awarią zewnętrznego układu pomocniczego

Ogólna awaria ESS spowodowana awarią układu pomocniczego zwykle ma miejsce poza systemem akumulatorów i może skutkować oparzeniem lub dymem z elementów zewnętrznych. A jeśli system będzie je monitorował i odpowiednio na nie reagował, nie doprowadzi to do awarii ogniwa ani nadużyć termicznych. W przypadku awarii elektrowni Vistra Moss Landing Power w fazie 1 w 2021 r. i fazie 2 w 2022 r. powstał dym i ogień, ponieważ systemy monitorowania usterek i elektryczne urządzenia zabezpieczające przed awarią zostały wówczas wyłączone na etapie rozruchu i nie mogły zareagować w odpowiednim czasie . Ten rodzaj spalania płomienia zwykle rozpoczyna się na zewnątrz układu akumulatorów, zanim ostatecznie rozprzestrzeni się do wnętrza ogniwa, więc nie dochodzi do gwałtownej reakcji egzotermicznej i gromadzenia się gazów palnych, a zatem zwykle nie dochodzi do eksplozji. Co więcej, jeśli instalację tryskaczową uda się uruchomić na czas, nie spowoduje to dużych zniszczeń obiektu.

Wypadek pożarowy w „Victorian Power Station” w Geelong w Australii w 2021 roku spowodowany był zwarciem w akumulatorze spowodowanym wyciekiem płynu chłodzącego, co przypomina o konieczności zwrócenia uwagi na fizyczną izolację układu akumulatorowego. Zaleca się zachowanie pewnej odległości pomiędzy urządzeniami zewnętrznymi a systemem akumulatorów, aby uniknąć wzajemnych zakłóceń. System akumulatorów powinien być również wyposażony w funkcję izolacji, aby uniknąć zewnętrznego zwarcia.

Środki zaradcze

Z powyższej analizy jasno wynika, że ​​przyczyną awarii ESS jest przeciążenie termiczne ogniwa i awaria układu pomocniczego. Jeśli awarii nie można zapobiec, ograniczenie dalszego pogorszenia stanu po awarii blokowania może również zmniejszyć straty. Środki zaradcze można rozpatrywać w następujących aspektach:

Blokowanie rozprzestrzeniania się ciepła po przeciążeniu termicznym ogniwa

Można dodać barierę izolacyjną, aby zablokować rozprzestrzenianie się nadużyć termicznych ogniwa, którą można zainstalować pomiędzy ogniwami, między modułami lub między stojakami. W załączniku do NFPA 855 (Norma dotycząca instalacji stacjonarnych systemów magazynowania energii) można również znaleźć powiązane wymagania. Konkretne środki mające na celu izolowanie bariery obejmują umieszczenie między komórkami płytek z zimną wodą, aerożelu i tym podobnych.

Do systemu akumulatorów można dodać urządzenie gaśnicze, dzięki czemu będzie on mógł szybko reagować i aktywować urządzenie gaśnicze w przypadku wystąpienia nadużycia termicznego w pojedynczym ogniwie. Chemia stojąca za zagrożeniami związanymi z pożarami baterii litowo-jonowych prowadzi do innego projektu tłumienia pożaru w systemach magazynowania energii niż konwencjonalne rozwiązania przeciwpożarowe, które ma nie tylko ugasić pożar, ale także obniżyć temperaturę akumulatora. W przeciwnym razie egzotermiczne reakcje chemiczne ogniw będą nadal zachodzić i spowodują ponowny zapłon.

Należy również zachować szczególną ostrożność przy wyborze materiałów gaśniczych. Jeśli woda zostanie spryskana bezpośrednio na płonącą obudowę akumulatora, może powstać łatwopalna mieszanina gazów. A jeśli obudowa lub rama akumulatora jest wykonana ze stali, woda nie zapobiegnie nadużyciom termicznym. Niektóre przypadki pokazują, że woda lub inny rodzaj cieczy w kontakcie z zaciskami akumulatora może również zaostrzyć pożar. Na przykład w przypadku pożaru elektrowni Vistra Moss Landing we wrześniu 2021 r. z raportów wynika, że ​​węże chłodzące i złącza rurowe stacji uległy awarii, co spowodowało rozpryskiwanie się wody na stojaki akumulatorów, co ostatecznie spowodowało zwarcie akumulatorów i wyładowanie łukowe.

1. Terminowa emisja gazów palnych

Wszystkie powyższe opisy przypadków wskazują, że główną przyczyną wybuchów są stężenia gazów palnych. Dlatego projekt i układ miejsca, systemy monitorowania gazu i wentylacji są ważne dla zmniejszenia tego ryzyka. W normie NFPA 855 wspomniano, że wymagany jest system ciągłej detekcji gazu. Po wykryciu określonego poziomu gazu palnego (tj. 25% LFL) system uruchomi wentylację wywiewną. Ponadto norma testowa UL 9540A wspomina również o wymogu zbierania spalin i wykrywania dolnej granicy LFL gazu.

Oprócz odpowietrzania zaleca się także zastosowanie paneli odciążających wybuch. W normie NFPA 855 wspomniano, że ESS należy instalować i konserwować zgodnie z normami NFPA 68 (Norma dotycząca ochrony przeciwwybuchowej poprzez wentylację deflagracyjną) i NFPA 69 (Normy dotyczące systemów ochrony przeciwwybuchowej). Jeżeli jednak system spełnia wymogi testu ogniowego i wybuchowego (UL 9540A lub równoważny), może zostać zwolniony z tego wymogu. Jednakże, ponieważ warunki badania nie są w pełni reprezentatywne dla rzeczywistej sytuacji, zaleca się ulepszenie wentylacji i ochrony przeciwwybuchowej.

2.Zapobieganie awariom systemów pomocniczych

Nieodpowiednie oprogramowanie/oprogramowanie sprzętowe oraz procedury przekazania do eksploatacji/przed uruchomieniem również przyczyniły się do pożarów w elektrowniach Victorian Power Station i Vistra Moss Landing Power Station. W pożarze elektrowni Victorian nie zidentyfikowano ani nie zablokowano nadużycia termicznego zainicjowanego przez jeden z modułów, nie przerwano także pożaru, który nastąpił po nim. Powodem tej sytuacji był fakt, że w tamtym czasie nie było wymagane uruchomienie systemu, a system został ręcznie wyłączony, łącznie z systemem telemetrycznym, monitorowaniem usterek i zabezpieczeniem elektrycznym. Ponadto system kontroli nadzorczej i gromadzenia danych (SCADA) również nie był jeszcze operacyjny, ponieważ nawiązanie łączności ze sprzętem zajęło 24 godziny.

Dlatego zaleca się, aby wszelkie bezczynne moduły były wyposażone w urządzenia takie jak aktywna telemetria, monitorowanie usterek i elektryczne urządzenia zabezpieczające, a nie były ręcznie wyłączane za pomocą wyłącznika blokującego. Wszystkie elektryczne urządzenia zabezpieczające powinny być utrzymywane w trybie aktywnym. Ponadto należy dodać dodatkowe systemy alarmowe umożliwiające identyfikację różnych zdarzeń awaryjnych i reagowanie na nie.

Stwierdzono również błąd w oprogramowaniu w fazie 1 i 2 elektrowni Vistra Moss Landing Power, ponieważ nie przekroczono progu rozruchu, uruchomił się radiator akumulatora. Jednocześnie awaria złącza rury wodnej i wyciek z górnej warstwy akumulatora powodują udostępnienie wody modułowi akumulatora, co powoduje zwarcie. Te dwa przykłady pokazują, jak ważne jest sprawdzenie i debugowanie oprogramowania/oprogramowania sprzętowego przed procedurą rozruchu.

Streszczenie

Analizując kilka wypadków pożarowych w stacji magazynowania energii, wysoki priorytet należy nadać wentylacji i kontroli wybuchu, właściwym procedurom instalacji i uruchomienia, w tym kontroli oprogramowania, które mogą zapobiec awariom baterii. Ponadto należy opracować kompleksowy plan reagowania w sytuacjach awaryjnych, aby uporać się z wytwarzaniem toksycznych gazów i substancji.