Fons

La crisi energètica ha fet que els sistemes d'emmagatzematge d'energia de la bateria d'ions de liti (ESS) s'utilitzin més en els últims anys, però també hi ha hagut una sèrie d'accidents perillosos que han provocat danys a les instal·lacions i al medi ambient, pèrdues econòmiques i fins i tot pèrdua de vida. Les investigacions han trobat que, tot i que ESS ha complert els estàndards relacionats amb els sistemes de bateries, com ara UL 9540 i UL 9540A, s'han produït incendis i abús tèrmic. Per tant, aprendre lliçons de casos passats i analitzar els riscos i les seves contramesures beneficiarà el desenvolupament de la tecnologia ESS.

Revisió de casos

A continuació es resumeixen els casos d'accidents d'ESS a gran escala a tot el món des del 2019 fins a la data, que s'han informat públicament.

Les causes dels accidents anteriors es poden resumir en les dues següents:

1) Una fallada de la cèl·lula interna desencadena un abús tèrmic de la bateria i el mòdul i, finalment, fa que tot l'ESS s'incendi o exploti.

La fallada provocada per l'abús tèrmic de la cèl·lula s'observa bàsicament que un incendi seguit d'una explosió. Per exemple, els accidents de la central elèctrica McMicken a Arizona, EUA el 2019 i de la central elèctrica de Fengtai a Pequín, Xina, el 2021, van explotar després d'un incendi. Aquest fenomen és causat per la fallada d'una sola cèl·lula, que desencadena una reacció química interna, alliberant calor (reacció exotèrmica) i la temperatura continua augmentant i estenent-se a les cèl·lules i mòduls propers, provocant un incendi o fins i tot una explosió. El mode de fallada d'una cèl·lula generalment és causat per una sobrecàrrega o una fallada del sistema de control, exposició tèrmica, curtcircuit extern i curtcircuit intern (que pot ser causat per diverses condicions com ara sagnat o abolladura, impureses del material, penetració d'objectes externs, etc.). ).

Després de l'abús tèrmic de la cèl·lula, es produirà gas inflamable. Des de dalt es pot notar que els tres primers casos d'explosió tenen la mateixa causa, és a dir, el gas inflamable no es pot descarregar a temps. En aquest punt, la bateria, el mòdul i el sistema de ventilació del contenidor són especialment importants. En general, els gasos es descarreguen de la bateria a través de la vàlvula d'escapament i la regulació de la pressió de la vàlvula d'escapament pot reduir l'acumulació de gasos combustibles. En l'etapa del mòdul, generalment s'utilitzarà un ventilador extern o un disseny de refrigeració d'una carcassa per evitar l'acumulació de gasos combustibles. Finalment, en l'etapa de contenidors també es requereixen instal·lacions de ventilació i sistemes de control per evacuar els gasos combustibles.

2) Falla de l'ESS causada per una fallada del sistema auxiliar extern

Una fallada general de l'ESS causada per una fallada del sistema auxiliar es produeix normalment fora del sistema de bateries i pot provocar cremades o fum dels components externs. I quan el sistema el supervisa i respon a ell de manera oportuna, no provocarà una fallada de la cèl·lula o un abús tèrmic. En els accidents de la central elèctrica Vistra Moss Landing Fase 1 2021 i Fase 2 2022, es va generar fum i foc perquè els dispositius de control de fallades i els dispositius elèctrics de seguretat es van apagar en aquell moment durant la fase de posada en marxa i no van poder respondre de manera oportuna. . Aquest tipus de combustió de flama sol començar des de l'exterior del sistema de bateries abans que finalment s'estengui a l'interior de la cèl·lula, de manera que no hi ha cap reacció exotèrmica violenta ni acumulació de gas combustible i, per tant, normalment no hi ha cap explosió. A més, si el sistema d'aspersió es pot encendre a temps, no causarà danys importants a la instal·lació.

L'accident d'incendi de "Victorian Power Station" a Geelong, Austràlia el 2021 va ser causat per un curtcircuit a la bateria causat per una fuita de refrigerant, que ens recorda que hem de prestar atenció a l'aïllament físic del sistema de la bateria. Es recomana mantenir un cert espai entre les instal·lacions externes i el sistema de bateries per evitar interferències mútues. El sistema de bateries també ha d'estar equipat amb funció d'aïllament per evitar curtcircuits externs.

Contramesures

De l'anàlisi anterior, queda clar que les causes dels accidents de l'ESS són l'abús tèrmic de la cèl·lula i la fallada del sistema auxiliar. Si no es pot prevenir la fallada, reduir el deteriorament posterior després de la fallada de bloqueig també pot reduir la pèrdua. Les contramesures es poden considerar des dels aspectes següents:

Bloqueig de la propagació tèrmica després de l'abús tèrmic de la cèl·lula

Es pot afegir una barrera d'aïllament per bloquejar la propagació de l'abús tèrmic de la cèl·lula, que es pot instal·lar entre les cèl·lules, entre els mòduls o entre els bastidors. A l'annex de la NFPA 855 (estàndard per a la instal·lació de sistemes d'emmagatzematge d'energia estacionaris), també podeu trobar els requisits relacionats. Les mesures específiques per aïllar la barrera inclouen la inserció de plaques d'aigua freda, aerogel i likes entre les cel·les.

Es pot afegir un dispositiu d'extinció d'incendis al sistema de bateries perquè pugui reaccionar ràpidament per activar el dispositiu d'extinció d'incendis quan es produeix un abús tèrmic en una sola cel·la. La química darrere dels perills d'incendi d'ions de liti condueix a un disseny de supressió d'incendis diferent per als sistemes d'emmagatzematge d'energia que les solucions d'extinció d'incendis convencionals, que no només és extingir el foc, sinó també reduir la temperatura de la bateria. En cas contrari, les reaccions químiques exotèrmiques de les cèl·lules continuaran produint-se i desencadenen una re-encesa.

També cal una atenció especial a l'hora de seleccionar els materials d'extinció d'incendis. Si l'aigua es ruixa directament sobre la carcassa de la bateria en flames, es pot produir una barreja de gasos inflamables. I si la carcassa o el marc de la bateria són d'acer, l'aigua no evitarà l'abús tèrmic. Alguns casos mostren que l'aigua o altres tipus de líquids en contacte amb els terminals de la bateria també poden agreujar el foc. Per exemple, en l'accident d'incendi de la central elèctrica de Vistra Moss Landing el setembre de 2021, els informes van indicar que les mànegues de refrigeració i les juntes de canonades de l'estació van fallar, provocant que l'aigua ruixés als bastidors de bateries i, finalment, va provocar un curtcircuit i un arc de les bateries.

1. Emissió oportuna de gasos combustibles

Tots els informes de casos anteriors apunten a les concentracions de gasos combustibles com a causa principal de les explosions. Per tant, el disseny i la disposició del lloc, els sistemes de control de gas i ventilació són importants per reduir aquest risc. A l'estàndard NFPA 855 s'esmenta que es requereix un sistema de detecció contínua de gasos. Quan es detecta un cert nivell de gas combustible (és a dir, el 25% de LFL), el sistema iniciarà la ventilació d'escapament. A més, l'estàndard de prova UL 9540A també esmenta el requisit de recollir l'escapament i detectar el límit inferior de gas LFL.

A més de la ventilació, també es recomana l'ús de panells d'alleujament d'explosió. A la NFPA 855 s'esmenta que els ESS s'han d'instal·lar i mantenir d'acord amb NFPA 68 (Norma sobre protecció contra explosions mitjançant ventilació de deflagració) i NFPA 69 (Normes sobre sistemes de protecció contra explosions). Tanmateix, quan el sistema compleix amb la prova d'incendis i explosions (UL 9540A o equivalent), pot quedar exempt d'aquest requisit. Tanmateix, com que les condicions de les proves no són totalment representatives de la situació real, es recomana una millora de la ventilació i la protecció contra explosions.

2.Prevenció de fallades de sistemes auxiliars

La programació inadequada de programari/firmware i els procediments de posada en marxa/pre-arrencada també van contribuir als incidents d'incendis de la central elèctrica de Victoria i Vistra Moss Landing. En l'incendi de la central elèctrica de Victoria, no es va identificar ni bloquejar un abús tèrmic iniciat per un dels mòduls, i tampoc es va interrompre el foc posterior. El motiu pel qual es va produir aquesta situació és que en aquell moment no es va requerir la posada en marxa i el sistema es va apagar manualment, inclòs el sistema de telemetria, el control de fallades i el dispositiu elèctric de seguretat. A més, el sistema de Control de Supervisió i Adquisició de Dades (SCADA) tampoc estava encara operatiu, ja que es van tardar 24 hores a establir la connectivitat dels equips.

Per tant, es recomana que tots els mòduls inactius tinguin dispositius com ara la telemetria activa, el control de fallades i els dispositius de seguretat elèctrica, en lloc d'apagar-se manualment mitjançant un interruptor de bloqueig. Tots els dispositius de protecció de seguretat elèctrica s'han de mantenir en mode actiu. A més, s'han d'afegir sistemes d'alarma addicionals per identificar i respondre a diversos esdeveniments d'emergència.

També s'ha detectat un error de programació de programari a les fases 1 i 2 de la central Vistra Moss Landing, ja que no es va superar el llindar d'arrencada, es va activar el dissipador de calor de la bateria. Al mateix temps, la fallada del connector de la canonada d'aigua amb la fuita de la capa superior de la bateria fa que l'aigua estigui disponible per al mòdul de la bateria i després provoqui un curtcircuit. Aquests dos exemples mostren l'important que és comprovar i depurar la programació del programari/firmware abans del procediment d'arrencada.

Resum

Mitjançant l'anàlisi de diversos accidents d'incendi a l'estació d'emmagatzematge d'energia, s'ha de donar una alta prioritat a la ventilació i el control d'explosions, els procediments d'instal·lació i posada en marxa adequats, incloses les comprovacions de programació de programari, que poden prevenir accidents de la bateria. A més, s'hauria d'elaborar un pla integral de resposta d'emergència per fer front a la generació de gasos i substàncies tòxiques.