Pozadí

Energetická krize způsobila, že systémy pro ukládání energie z lithium-iontových baterií (ESS) se v posledních letech rozšířily, ale došlo také k řadě nebezpečných nehod, které měly za následek poškození zařízení a životního prostředí, ekonomické ztráty a dokonce ztráty život. Šetřením bylo zjištěno, že i když ESS splnily normy týkající se bateriových systémů, jako jsou UL 9540 a UL 9540A, došlo k tepelnému poškození a požáru. Poučení z minulých případů a analýza rizik a jejich protiopatření proto prospěje rozvoji technologie ESS.

Přehled případů

Níže jsou shrnuty případy nehod velkého rozsahu ESS po celém světě od roku 2019 do dnešního dne, které byly veřejně hlášeny.

Příčiny výše uvedených nehod lze shrnout do následujících dvou:

1) Selhání vnitřního článku způsobí tepelné namáhání baterie a modulu a nakonec způsobí požár nebo explozi celého ESS.

Porucha způsobená tepelným zneužitím článku je v podstatě pozorována jako požár následovaný výbuchem. Například havárie elektrárny McMicken v Arizoně v USA v roce 2019 a elektrárny Fengtai v Pekingu v Číně v roce 2021 obě explodovaly po požáru. Takový jev je způsoben selháním jednoho článku, který spustí vnitřní chemickou reakci, uvolňuje teplo (exotermická reakce), teplota dále stoupá a šíří se do blízkých článků a modulů, což způsobuje požár nebo dokonce výbuch. Poruchový režim článku je obecně způsoben přebitím nebo poruchou řídicího systému, tepelnou expozicí, vnějším zkratem a vnitřním zkratem (který může být způsoben různými podmínkami, jako je promáčknutí nebo promáčknutí, materiálové nečistoty, proniknutí vnějšími předměty atd. ).

Po tepelném zneužití článku bude produkován hořlavý plyn. Shora si můžete všimnout, že první tři případy výbuchu mají stejnou příčinu, to znamená, že hořlavý plyn se nemůže vypustit včas. V tomto bodě jsou zvláště důležité baterie, modul a ventilační systém kontejneru. Obecně se plyny vypouštějí z baterie přes výfukový ventil a regulace tlaku výfukového ventilu může snížit hromadění hořlavých plynů. Ve fázi modulu se obecně použije vnější ventilátor nebo konstrukce chlazení pláště, aby se zabránilo hromadění hořlavých plynů. A konečně, ve fázi kontejnerů jsou také zapotřebí ventilační zařízení a monitorovací systémy pro odsávání hořlavých plynů.

2) Porucha ESS způsobená poruchou externího pomocného systému

Celková porucha ESS způsobená poruchou pomocného systému se obvykle vyskytuje mimo bateriový systém a může mít za následek spálení nebo kouř z externích součástí. A když systém monitoruje a včas na to zareaguje, nepovede to k selhání buňky nebo tepelnému zneužití. Při nehodách elektrárny Vistra Moss Landing Power Station Fáze 1 2021 a Fáze 2 2022 došlo ke vzniku kouře a požáru, protože v tu dobu během fáze uvádění do provozu byla vypnuta zařízení pro sledování poruch a elektrická bezpečnostní zařízení a nemohla včas reagovat. . Tento druh hoření plamene obvykle začíná z vnějšku bateriového systému, než se definitivně rozšíří do vnitřku článku, takže nedochází k prudké exotermické reakci a hromadění hořlavých plynů, a proto obvykle k explozi. A co víc, pokud se zavlažovací systém podaří zapnout včas, nezpůsobí rozsáhlé škody na zařízení.

Nehoda požáru „Victorian Power Station“ v australském Geelongu v roce 2021 byla způsobena zkratem v baterii způsobeným únikem chladicí kapaliny, což nám připomíná, abychom věnovali pozornost fyzické izolaci systému baterie. Doporučuje se ponechat určitý prostor mezi externími zařízeními a bateriovým systémem, aby se zabránilo vzájemnému rušení. Bateriový systém by měl být také vybaven izolační funkcí, aby se zabránilo vnějšímu zkratu.

Protiopatření

Z výše uvedené analýzy je zřejmé, že příčinami havárií ESS jsou tepelné zneužití článku a selhání pomocného systému. Pokud nelze poruše zabránit, pak snížením dalšího zhoršování stavu po poruše blokování lze také snížit ztrátu. Protiopatření lze posuzovat z následujících hledisek:

Blokování šíření tepla po tepelném zneužití článku

K blokování šíření tepelného narušení buňky lze přidat izolační bariéru, která může být instalována mezi buňkami, mezi moduly nebo mezi stojany. V příloze NFPA 855 (Standard pro instalaci stacionárních systémů skladování energie) naleznete také související požadavky. Specifická opatření k izolaci bariéry zahrnují vkládání desek se studenou vodou, aerogelu a podobných buněk mezi buňky.

K bateriovému systému lze přidat zařízení pro potlačení požáru, aby mohlo rychle reagovat a aktivovat zařízení pro potlačení požáru, když dojde k tepelnému zneužití v jednom článku. Chemie za nebezpečím požáru lithium-iontů vede k jinému návrhu na potlačení požáru u systémů skladování energie než u konvenčních protipožárních řešení, což znamená nejen uhasit oheň, ale také snížit teplotu baterie. V opačném případě budou exotermické chemické reakce buněk pokračovat a spouštějí opětovné vznícení.

Zvláštní opatrnosti je zapotřebí také při výběru hasicích materiálů. Pokud je voda stříkána přímo na hořící pouzdro baterie, může vzniknout hořlavá směs plynů. A pokud je pouzdro nebo rám baterie vyrobeny z oceli, voda nezabrání tepelnému zneužití. Některé případy ukazují, že voda nebo jiné druhy kapalin v kontaktu s kontakty baterie mohou také zhoršit požár. Například při požáru elektrárny Vistra Moss Landing v září 2021 zprávy naznačovaly, že selhaly chladicí hadice a potrubní spoje stanice, což způsobilo rozstřikování vody na stojany baterií a nakonec to způsobilo zkrat a oblouk baterií.

1.Včasná emise hořlavých plynů

Všechny výše uvedené kazuistiky poukazují na koncentrace hořlavých plynů jako na primární příčinu výbuchů. Proto je pro snížení tohoto rizika důležitý návrh a uspořádání místa, monitorování plynu a ventilační systémy. V normě NFPA 855 je zmíněno, že je vyžadován kontinuální systém detekce plynu. Když je detekována určitá hladina hořlavého plynu (tj. 25 % LFL), systém spustí odsávací ventilaci. Kromě toho zkušební norma UL 9540A také zmiňuje požadavek shromažďovat výfukové plyny a detekovat spodní hranici plynu LFL.

Kromě odvětrání se také doporučuje použití panelů pro odlehčení výbuchu. V NFPA 855 je zmíněno, že ESS musí být instalovány a udržovány v souladu s NFPA 68 (Standard pro ochranu proti výbuchu deflagrací ventilací) a NFPA 69 (Standardy pro systémy ochrany proti výbuchu). Pokud však systém vyhovuje testu požáru a výbuchu (UL 9540A nebo ekvivalent), může být z tohoto požadavku vyjmut. Protože však podmínky zkoušení plně neodpovídají skutečné situaci, doporučuje se zlepšit ventilaci a ochranu proti výbuchu.

2.Prevence poruch pomocných systémů

K nehodám v elektrárnách Victorian Power Station a Vistra Moss Landing Power Station přispělo také nedostatečné programování softwaru/firmwaru a procedury uvádění do provozu/před spuštěním. Při požáru ve viktoriánské elektrárně nebylo zjištěno nebo zablokováno tepelné narušení iniciované jedním z modulů a ani následný požár nebyl přerušen. Důvodem, proč k této situaci došlo, je, že v té době nebylo nutné uvedení do provozu a systém byl ručně odstaven, včetně telemetrického systému, monitorování poruch a elektrického bezpečnostního zařízení. Kromě toho ještě nebyl funkční systém dohledu a sběru dat (SCADA), protože vytvoření konektivity zařízení trvalo 24 hodin.

Proto se doporučuje, aby všechny nečinné moduly měly zařízení, jako je aktivní telemetrie, monitorování poruch a elektrická bezpečnostní zařízení, spíše než aby byly ručně vypínány pomocí blokovacího spínače. Všechna elektrická bezpečnostní ochranná zařízení by měla být udržována v aktivním režimu. Kromě toho by měly být přidány další poplašné systémy pro identifikaci a reakci na různé mimořádné události.

Chyba softwarového programování byla zjištěna také ve fázi 1 a 2 elektrárny Vistra Moss Landing Power, protože nebyl překročen práh spouštění, byl aktivován chladič baterie. Porucha konektoru vodního potrubí s únikem horní vrstvy baterie zároveň zpřístupní vodu modulu baterie a následně způsobí zkrat. Tyto dva příklady ukazují, jak je důležité, aby bylo před spuštěním zkontrolováno a odladěno programování softwaru/firmwaru.

Shrnutí

Prostřednictvím analýzy několika požárních havárií ve skladovací stanici energie by měla být dána vysoká priorita ventilaci a kontrole výbuchu, správné instalaci a zprovoznění, včetně kontrol programování softwaru, které mohou zabránit nehodám baterií. Kromě toho by měl být vypracován komplexní plán reakce na mimořádné události, který by se vypořádal s tvorbou toxických plynů a látek.