Pozadina

Energetska kriza učinila je litij-ionske baterijske sustave za pohranu energije (ESS) sve širom upotrebom u posljednjih nekoliko godina, ali bilo je i niz opasnih nesreća koje su rezultirale oštećenjem objekata i okoliša, ekonomskim gubitkom, pa čak i gubitkom život. Istrage su otkrile da, iako je ESS zadovoljio standarde koji se odnose na sustave baterija, kao što su UL 9540 i UL 9540A, došlo je do toplinske zlouporabe i požara. Stoga će učenje lekcija iz prošlih slučajeva i analiza rizika i njihovih protumjera koristiti razvoju ESS tehnologije.

Pregled slučajeva

Slijedi sažetak slučajeva nesreća velikih ESS-a diljem svijeta od 2019. do danas, koji su javno prijavljeni.

Uzroci gore navedenih nesreća mogu se sažeti u sljedeća dva:

1) Kvar unutarnje ćelije izaziva toplinsku zlouporabu baterije i modula i na kraju uzrokuje da se cijeli ESS zapali ili eksplodira.

Kvar uzrokovan toplinskim oštećenjem ćelije u osnovi se promatra kao požar nakon kojeg slijedi eksplozija. Na primjer, nesreće elektrane McMicken u Arizoni, SAD 2019. i elektrane Fengtai u Pekingu, Kina 2021. obje su eksplodirale nakon požara. Takva pojava je uzrokovana kvarom pojedine 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. Način kvara ćelije općenito je uzrokovan prekomjernim punjenjem ili kvarom kontrolnog sustava, izloženošću toplini, vanjskim kratkim spojem i unutarnjim kratkim spojem (koji mogu biti uzrokovani raznim uvjetima kao što su udubljenje ili udubljenje, materijalne nečistoće, prodiranje vanjskih predmeta itd. ).

Nakon toplinske zlouporabe ćelije proizvest će se zapaljivi plin. Odozgo možete primijetiti da prva tri slučaja eksplozije imaju isti uzrok, a to je da se zapaljivi plin ne može isprazniti na vrijeme. U ovom su trenutku baterija, modul i ventilacijski sustav spremnika posebno važni. Općenito, plinovi se ispuštaju iz baterije kroz ispušni ventil, a regulacija tlaka ispušnog ventila može smanjiti nakupljanje zapaljivih plinova. U fazi modula, općenito će se koristiti vanjski ventilator ili rashladni dizajn školjke kako bi se izbjeglo nakupljanje zapaljivih plinova. Konačno, u fazi spremnika, ventilacijski uređaji i sustavi nadzora su također potrebni za evakuaciju zapaljivih plinova.

2) Kvar ESS-a uzrokovan kvarom vanjskog pomoćnog sustava

Sveukupni kvar ESS-a uzrokovan kvarom pomoćnog sustava obično se događa izvan baterijskog sustava i može rezultirati gorenjem ili dimom iz vanjskih komponenti. A kad ga sustav prati i pravovremeno na njega reagira, to neće dovesti do kvara ćelije ili termičke zlouporabe. U nesrećama elektrane Vistra Moss Landing Power Station 1. faze 2021. i 2. faze 2022. nastali su dim i vatra jer su uređaji za nadzor kvarova i električni sigurnosni uređaji bili isključeni u to vrijeme tijekom faze puštanja u rad i nisu mogli reagirati na vrijeme . Ova vrsta gorenja plamena obično počinje s vanjske strane baterijskog sustava prije nego što se konačno proširi na unutrašnjost ćelije, tako da nema nasilne egzotermne reakcije i nakupljanja zapaljivog plina, pa obično nema ni eksplozije. Štoviše, ako se sprinkler sustav uspije uključiti na vrijeme, neće izazvati veće štete na objektu.

Požar “Victorian Power Station” u Geelongu u Australiji 2021. godine uzrokovan je kratkim spojem u bateriji izazvanim curenjem rashladne tekućine, što nas podsjeća da obratimo pozornost na fizičku izolaciju baterijskog sustava. Preporuča se držati određeni razmak između vanjskih uređaja i baterijskog sustava kako bi se izbjegle međusobne smetnje. Baterijski sustav također treba biti opremljen funkcijom izolacije kako bi se izbjegao vanjski kratki spoj.

Protumjere

Iz gornje analize jasno je da su uzroci nesreća ESS-a toplinsko opterećenje ćelije i kvar pomoćnog sustava. Ako se kvar ne može spriječiti, smanjenjem daljnjeg pogoršanja nakon kvara blokiranja također se može smanjiti gubitak. Protumjere se mogu razmatrati sa sljedećih aspekata:

Blokiranje toplinskog širenja nakon toplinskog zlostavljanja stanice

Izolacijska barijera može se dodati kako bi se spriječilo širenje toplinske zlouporabe ćelije, koja se može postaviti između ćelija, između modula ili između regala. U dodatku NFPA 855 (Standard za ugradnju stacionarnih sustava za pohranu energije), također možete pronaći povezane zahtjeve. Specifične mjere za izolaciju barijere uključuju umetanje ploča s hladnom vodom, aerogela i slično između ćelija.

Uređaj za suzbijanje požara može se dodati baterijskom sustavu tako da može brzo reagirati i aktivirati uređaj za suzbijanje požara kada dođe do toplinske zlouporabe u jednoj ćeliji. Kemija iza opasnosti od požara litij-iona dovodi do drugačijeg dizajna suzbijanja požara za sustave za pohranu energije od konvencionalnih rješenja za gašenje požara, što nije samo gašenje požara, već i smanjenje temperature baterije. Inače će se egzotermne kemijske reakcije stanica nastaviti događati i izazvati ponovno paljenje.

Također je potrebna posebna pažnja pri odabiru materijala za gašenje požara. Ako se voda prska izravno na goruće kućište baterije može proizvesti zapaljivu mješavinu plina. A ako je kućište ili okvir baterije izrađen od čelika, voda neće spriječiti toplinsku zlouporabu. Neki slučajevi pokazuju da voda ili druge vrste tekućina u kontaktu s terminalima baterije također mogu pogoršati požar. Na primjer, u požaru u elektrani Vistra Moss Landing u rujnu 2021. godine, izvješća su pokazala da su crijeva za hlađenje stanice i spojevi cijevi otkazali, što je uzrokovalo prskanje vode po baterijskim policama i naposljetku uzrokovalo kratki spoj i električni luk u baterijama.

1. Pravovremena emisija zapaljivih plinova

Svi gore navedeni prikazi slučajeva ukazuju na koncentracije zapaljivih plinova kao primarni uzrok eksplozija. Stoga su dizajn i raspored lokacije, nadzor plina i sustavi ventilacije važni za smanjenje ovog rizika. U standardu NFPA 855 spominje se da je potreban kontinuirani sustav detekcije plina. Kada se otkrije određena razina zapaljivog plina (tj. 25% LFL), sustav će pokrenuti ispušnu ventilaciju. Osim toga, standard za ispitivanje UL 9540A također spominje zahtjev za prikupljanje ispušnih plinova i otkrivanje donje granice LFL plina.

Osim odzračivanja, također se preporučuje korištenje ploča za zaštitu od eksplozije. U NFPA 855 spominje se da se ESS-ovi moraju instalirati i održavati u skladu s NFPA 68 (Standard za zaštitu od eksplozije ventilacijom od eksplozije) i NFPA 69 (Standard za sustave za zaštitu od eksplozije). Međutim, kada je sustav u skladu s testom požara i eksplozije (UL 9540A ili ekvivalent), može se izuzeti od ovog zahtjeva. Međutim, budući da uvjeti ispitivanja nisu u potpunosti reprezentativni za stvarnu situaciju, preporučuje se poboljšanje ventilacije i zaštite od eksplozije.

2. Prevencija kvarova pomoćnih sustava

Neadekvatno programiranje softvera/firmwarea i postupci puštanja u rad/prije pokretanja također su pridonijeli incidentima požara u elektranama Victorian Power Station i elektrani Vistra Moss Landing. U požaru u elektrani Victorian Power Station, toplinski udar koji je pokrenuo jedan od modula nije identificiran niti blokiran, a ni požar koji je uslijedio nije prekinut. Razlog zašto je došlo do ove situacije je taj što tada nije bilo potrebno puštanje u pogon, te je sustav ručno isključen, uključujući telemetrijski sustav, nadzor kvarova i električni fail-safe uređaj. Osim toga, sustav Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) također još nije bio u funkciji, jer je bilo potrebno 24 sata da se uspostavi povezanost opreme.

Stoga se preporučuje da svi neaktivni moduli imaju uređaje poput aktivne telemetrije, nadzora kvarova i električnih sigurnosnih uređaja, umjesto da se ručno isključuju putem prekidača za zaključavanje. Sve električne sigurnosne zaštitne uređaje treba držati u aktivnom načinu rada. Osim toga, potrebno je dodati dodatne alarmne sustave za prepoznavanje i reagiranje na različite hitne događaje.

Pogreška u programiranju softvera također je pronađena u Vistra Moss Landing Power station Phases 1 i 2, budući da prag pokretanja nije premašen, hladnjak baterije je bio aktiviran. U isto vrijeme, kvar konektora cijevi za vodu s 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/firmwarea provjeri i otklone pogreške prije postupka pokretanja.

Sažetak

Kroz analizu nekoliko požarnih nesreća u stanici za skladištenje energije, visoki prioritet treba dati ventilaciji i kontroli eksplozije, pravilnoj instalaciji i postupcima puštanja u rad, uključujući provjere programiranja softvera, koji mogu spriječiti nesreće s baterijama. Osim toga, potrebno je razviti sveobuhvatan plan odgovora na hitne slučajeve za rješavanje stvaranja otrovnih plinova i tvari.