Ozadje

Energetska kriza je v zadnjih nekaj letih povečala uporabo sistemov za shranjevanje energije z litij-ionskimi baterijami (ESS), vendar je prišlo tudi do številnih nevarnih nesreč, ki so povzročile škodo na objektih in okolju, gospodarsko izgubo in celo izgubo življenje. Preiskave so pokazale, da je kljub temu, da je ESS izpolnil standarde, povezane z baterijskimi sistemi, kot sta UL 9540 in UL 9540A, prišlo do toplotnih zlorab in požarov. Zato bo učenje iz preteklih primerov ter analiza tveganj in njihovih protiukrepov koristila razvoju tehnologije ESS.

Pregled primerov

V nadaljevanju so povzeti primeri nesreč obsežnega ESS po svetu od leta 2019 do danes, o katerih so javno poročali.

Vzroke za zgornje nesreče lahko povzamemo kot naslednja dva:

1) Okvara notranje celice sproži toplotno zlorabo baterije in modula ter končno povzroči, da se celoten ESS vname ali eksplodira.

Okvara, ki jo povzroči toplotna obremenitev celice, je v bistvu opažena kot požar, ki mu sledi eksplozija. Na primer, nesreči elektrarne McMicken v Arizoni v ZDA leta 2019 in elektrarne Fengtai v Pekingu na Kitajskem leta 2021 sta obe eksplodirali po požaru. Takšen pojav nastane zaradi okvare posamezne celice, ki sproži notranjo kemično reakcijo, pri kateri se sprošča toplota (eksotermna reakcija), temperatura pa še naprej narašča in se širi na bližnje celice in module ter povzroči požar ali celo eksplozijo. Način okvare celice je na splošno posledica prenapolnjenosti ali okvare krmilnega sistema, izpostavljenosti toploti, zunanjega kratkega stika in notranjega kratkega stika (ki ga lahko povzročijo različni pogoji, kot so vdolbina ali udrtina, nečistoče materiala, prodiranje zunanjih predmetov itd. ).

Po toplotni obremenitvi celice bo nastal vnetljiv plin. Od zgoraj lahko opazite, da imajo prvi trije primeri eksplozije isti vzrok, to je, da se vnetljivi plin ne more pravočasno izprazniti. Na tej točki so še posebej pomembni baterija, modul in prezračevalni sistem posode. Na splošno se plini iz akumulatorja izpraznijo skozi izpušni ventil, regulacija tlaka izpušnega ventila pa lahko zmanjša kopičenje vnetljivih plinov. V fazi modula bo na splošno uporabljen zunanji ventilator ali hladilna zasnova lupine, da se prepreči kopičenje vnetljivih plinov. Končno so v fazi posode potrebni tudi prezračevalni objekti in nadzorni sistemi za odvajanje vnetljivih plinov.

2) Okvara ESS zaradi okvare zunanjega pomožnega sistema

Celotna okvara ESS, ki jo povzroči okvara pomožnega sistema, se običajno pojavi zunaj akumulatorskega sistema in lahko povzroči gorenje ali dim iz zunanjih komponent. In ko ga sistem spremlja in se nanj pravočasno odzove, to ne bo povzročilo okvare celice ali toplotne zlorabe. V nesrečah pristaniške elektrarne Vistra Moss Phase 1 2021 in Phase 2 2022 sta nastala dim in ogenj, ker so bile naprave za spremljanje napak in električne varnostne naprave med zagonom takrat izklopljene in se niso mogle odzvati pravočasno. . Ta vrsta gorenja plamena se običajno začne z zunanje strani baterijskega sistema, preden se končno razširi v notranjost celice, tako da ne pride do silovite eksotermne reakcije in kopičenja vnetljivih plinov, zato običajno tudi do eksplozije. Še več, če se sprinklerski sistem lahko vklopi pravočasno, ne bo povzročil večje škode na objektu.

Požarna nesreča »Victorian Power Station« v Geelongu v Avstraliji leta 2021 je bila posledica kratkega stika v akumulatorju, ki ga je povzročilo puščanje hladilne tekočine, kar nas opominja, da smo pozorni na fizično izolacijo akumulatorskega sistema. Priporočljivo je, da med zunanjimi napravami in baterijskim sistemom ostane določen prostor, da se izognete medsebojnim motnjam. Baterijski sistem mora biti opremljen tudi z izolacijsko funkcijo, da se prepreči zunanji kratek stik.

Protiukrepi

Iz zgornje analize je razvidno, da sta vzroka za nesreče ESS toplotna obremenitev celice in okvara pomožnega sistema. Če okvare ni mogoče preprečiti, lahko zmanjšanje nadaljnjega poslabšanja po okvari blokade tudi zmanjša izgubo. Protiukrepe je mogoče obravnavati z naslednjih vidikov:

Blokiranje toplotnega širjenja po toplotni zlorabi celice

Za preprečitev širjenja toplotne obremenitve celice je mogoče dodati izolacijsko pregrado, ki jo lahko namestite med celice, med module ali med stojala. V dodatku NFPA 855 (Standard za namestitev stacionarnih sistemov za shranjevanje energije) lahko najdete tudi povezane zahteve. Posebni ukrepi za izolacijo pregrade vključujejo vstavljanje plošč s hladno vodo, aerogela in podobno med celice.

Sistemu baterij se lahko doda naprava za gašenje požara, tako da se lahko hitro odzove in aktivira napravo za gašenje požara, ko pride do toplotne zlorabe v eni celici. Kemija v ozadju nevarnosti požara pri litij-ionskih sistemih vodi do drugačne zasnove gašenja požara za sisteme za shranjevanje energije kot pri običajnih rešitvah za gašenje požara, ki ne le pogasi požar, ampak tudi zmanjša temperaturo baterije. V nasprotnem primeru se bodo eksotermne kemične reakcije celic še naprej pojavljale in sprožile ponoven vžig.

Posebna pozornost je potrebna tudi pri izbiri sredstev za gašenje. Če vodo poškropite neposredno na goreče ohišje baterije, lahko nastane vnetljiva mešanica plinov. In če je ohišje ali okvir baterije iz jekla, voda ne bo preprečila toplotne zlorabe. Nekateri primeri kažejo, da lahko voda ali druge vrste tekočin v stiku s sponkami baterije prav tako povečajo požar. Na primer, ob požarni nesreči v elektrarni Vistra Moss Landing septembra 2021 so poročila pokazala, da so hladilne cevi in ​​cevni spoji postaje odpovedali, zaradi česar je voda pršila na stojala za baterije in nazadnje povzročila kratek stik v baterijah in oblok.

1.Pravočasna emisija gorljivih plinov

Vsa zgoraj navedena poročila primerov kažejo na koncentracije gorljivih plinov kot primarni vzrok eksplozij. Zato so zasnova in postavitev lokacije, nadzor nad plinom in prezračevalni sistemi pomembni za zmanjšanje tega tveganja. V standardu NFPA 855 je omenjeno, da je potreben neprekinjen sistem za zaznavanje plina. Ko je zaznana določena raven gorljivega plina (tj. 25 % LFL), bo sistem zagnal odzračevanje. Poleg tega preskusni standard UL 9540A omenja tudi zahtevo za zbiranje izpušnih plinov in zaznavanje spodnje meje LFL plina.

Poleg odzračevanja je priporočljiva tudi uporaba protieksplozijskih zaščitnih plošč. V NFPA 855 je omenjeno, da je treba ESS namestiti in vzdrževati v skladu z NFPA 68 (Standard za zaščito pred eksplozijo z odzračevanjem ob deflagraciji) in NFPA 69 (Standardi za sisteme za zaščito pred eksplozijami). Če pa je sistem skladen s preskusom požara in eksplozije (UL 9540A ali enakovreden), je lahko izvzet iz te zahteve. Ker pa pogoji preskušanja niso v celoti reprezentativni za dejansko stanje, je priporočljiva izboljšava prezračevanja in protieksplozijske zaščite.

2. Preprečevanje okvar pomožnih sistemov

Neustrezno programiranje programske/strojne programske opreme in postopki zagona/pred zagonom so prav tako prispevali k požarnim incidentom v elektrarni Victorian Power Station in elektrarni Vistra Moss Landing. V požaru v viktorijanski elektrarni toplotna zloraba, ki jo je sprožil eden od modulov, ni bila identificirana ali blokirana, požar, ki je sledil, pa tudi ni bil prekinjen. Razlog za to situacijo je, da takrat ni bil potreben zagon in je bil sistem ročno izklopljen, vključno s telemetričnim sistemom, nadzorom napak in električno varovalno napravo. Poleg tega še ni deloval sistem nadzornega nadzora in zbiranja podatkov (SCADA), saj je povezljivost opreme trajala 24 ur.

Zato je priporočljivo, da imajo vsi nedejavni moduli naprave, kot so aktivna telemetrija, nadzor napak in električne varnostne naprave, namesto da bi jih ročno izklopili s stikalom za zaklepanje. Vse električne varnostne zaščitne naprave morajo biti v aktivnem načinu. Poleg tega je treba dodati dodatne alarmne sisteme za prepoznavanje in odzivanje na različne izredne dogodke.

Napaka pri programiranju programske opreme je bila odkrita tudi v 1. in 2. fazi elektrarne Vistra Moss Landing Power station, ker zagonski prag ni bil presežen, hladilno telo baterije je bilo aktivirano. Hkrati okvara konektorja vodovodne cevi s puščanjem zgornje plasti baterije naredi vodo dostopno baterijskemu modulu in nato povzroči kratek stik. Ta dva primera kažeta, kako pomembno je, da se programiranje programske/strojne programske opreme preveri in odpravi napake pred postopkom zagona.

Povzetek

Z analizo več požarnih nesreč v postaji za shranjevanje energije je treba dati prednost prezračevanju in nadzoru eksplozij, ustreznim postopkom namestitve in zagona, vključno s pregledi programiranja programske opreme, ki lahko preprečijo nesreče baterij. Poleg tega bi bilo treba razviti celovit načrt ukrepanja ob izrednih dogodkih za obravnavo nastajanja strupenih plinov in snovi.