Fondo

A crise enerxética fixo que os sistemas de almacenamento de enerxía de baterías de iones de litio (ESS) sexan máis utilizados nos últimos anos, pero tamén houbo unha serie de accidentes perigosos que provocaron danos ás instalacións e ao medio ambiente, perdas económicas e incluso perdas de enerxía. vida. As investigacións descubriron que aínda que ESS cumpriu os estándares relacionados cos sistemas de batería, como UL 9540 e UL 9540A, producíronse abusos térmicos e incendios. Polo tanto, aprender leccións de casos pasados ​​e analizar os riscos e as súas contramedidas beneficiará o desenvolvemento da tecnoloxía ESS.

Revisión de casos

O seguinte resume os casos de accidentes de ESS a gran escala en todo o mundo desde 2019 ata a data, que foron denunciados publicamente.

As causas dos accidentes anteriores pódense resumir nas dúas seguintes:

1) Un fallo da célula interna desencadea un abuso térmico da batería e do módulo e, finalmente, fai que todo o ESS se incendie ou explote.

O fallo causado polo abuso térmico da célula obsérvase basicamente que un incendio seguido dunha explosión. Por exemplo, os accidentes da central eléctrica McMicken en Arizona, Estados Unidos, en 2019, e da central eléctrica de Fengtai en Pequín, China, en 2021, estouparon tras un incendio. Este fenómeno é causado pola falla dunha soa célula, que desencadea unha reacción química interna, liberando calor (reacción exotérmica), e a temperatura segue aumentando e estendéndose ás células e módulos próximos, provocando un incendio ou mesmo unha explosión. O modo de fallo dunha cela é xeralmente causado por unha sobrecarga ou fallo do sistema de control, exposición térmica, curtocircuíto externo e curtocircuíto interno (que pode ser causado por varias condicións, como sangría ou abolladura, impurezas materiais, penetración de obxectos externos, etc. ).

Despois do abuso térmico da célula, producirase gas inflamable. Desde arriba pode notar que os tres primeiros casos de explosión teñen a mesma causa, é dicir, o gas inflamable non pode descargar a tempo. Neste punto, a batería, o módulo e o sistema de ventilación do recipiente son especialmente importantes. Xeralmente, os gases descárganse da batería a través da válvula de escape e a regulación da presión da válvula de escape pode reducir a acumulación de gases combustibles. Na fase do módulo, xeralmente empregarase un ventilador externo ou un deseño de refrixeración de carcasa para evitar a acumulación de gases combustibles. Finalmente, na fase de contedores, tamén se requiren instalacións de ventilación e sistemas de vixilancia para evacuar os gases combustibles.

2) Fallo ESS causado por fallo do sistema auxiliar externo

Un fallo global do ESS causado por un fallo do sistema auxiliar normalmente ocorre fóra do sistema de batería e pode provocar queimas ou fume dos compoñentes externos. E cando o sistema monitorizase e respondeu a el de forma oportuna, non levará á falla da célula nin ao abuso térmico. Nos accidentes da central eléctrica Vistra Moss Landing Fase 1 2021 e Fase 2 2022, xeráronse fume e lume porque os dispositivos de control de avarías e os dispositivos eléctricos de seguridade estaban apagados nese momento durante a fase de posta en servizo e non puideron responder a tempo. . Este tipo de queima de chama adoita comezar desde o exterior do sistema de batería antes de que finalmente se estenda ao interior da célula, polo que non hai reaccións exotérmicas violentas e acumulación de gas combustible, polo que normalmente non hai explosión. Ademais, se o sistema de aspersión se pode acender a tempo, non causará grandes danos á instalación.

O accidente de incendio da "Victorian Power Station" en Geelong, Australia en 2021, foi causado por un curtocircuíto na batería causado por unha fuga de líquido de refrixeración, o que nos lembra que debemos prestar atención ao illamento físico do sistema de batería. Recoméndase manter un certo espazo entre as instalacións externas e o sistema de batería para evitar interferencias mutuas. O sistema de batería tamén debe estar equipado cunha función de illamento para evitar curtocircuítos externos.

Contramedidas

Da análise anterior, despréndese que as causas dos accidentes de ESS son o abuso térmico da célula e a falla do sistema auxiliar. Se o fallo non se pode evitar, reducir o deterioro posterior á falla de bloqueo tamén pode reducir a perda. As contramedidas pódense considerar dende os seguintes aspectos:

Bloqueo da propagación térmica despois do abuso térmico da célula

Pódese engadir unha barreira de illamento para bloquear a propagación do abuso térmico da cela, que se pode instalar entre as celas, entre os módulos ou entre os bastidores. No apéndice da NFPA 855 (Norma para a instalación de sistemas estacionarios de almacenamento de enerxía), tamén podes atopar os requisitos relacionados. As medidas específicas para illar a barreira inclúen a inserción de placas de auga fría, aeroxel e gústame entre as celas.

Pódese engadir un dispositivo de extinción de incendios ao sistema de batería para que poida reaccionar rapidamente para activar o dispositivo de extinción de incendios cando se produza un abuso térmico nunha única cela. A química detrás dos riscos de incendio de iones de litio leva a un deseño de extinción de incendios diferente para os sistemas de almacenamento de enerxía que as solucións de loita contra incendios convencionais, que non só consiste en extinguir o lume, senón tamén en reducir a temperatura da batería. En caso contrario, as reaccións químicas exotérmicas das células continuarán producíndose e desencadean unha reignición.

Tamén é necesario un coidado especial ao seleccionar os materiais de extinción. Se a auga se pulveriza directamente sobre a carcasa da batería ardendo pode producirse unha mestura de gases inflamables. E se a carcasa ou o marco da batería están feitos de aceiro, a auga non evitará o abuso térmico. Algúns casos mostran que a auga ou outro tipo de líquidos en contacto cos terminais da batería tamén poden agravar o lume. Por exemplo, no accidente de incendio da central eléctrica de Vistra Moss Landing en setembro de 2021, os informes indicaron que as mangueiras de refrixeración e as xuntas dos tubos da estación fallaron, o que provocou que a auga pulverizase sobre os bastidores das baterías e, finalmente, provocou un curtocircuíto e un arco nas baterías.

1.Emisión oportuna de gases combustibles

Todos os informes de casos anteriores apuntan ás concentracións de gases combustibles como a principal causa das explosións. Polo tanto, o deseño e disposición do sitio, os sistemas de monitorización de gases e ventilación son importantes para reducir este risco. Na norma NFPA 855 menciónase que se require un sistema de detección continua de gases. Cando se detecta un determinado nivel de gas combustible (é dicir, o 25 % do LFL), o sistema iniciará a ventilación de escape. Ademais, a norma de proba UL 9540A tamén menciona o requisito de recoller o escape e detectar o límite inferior de gas LFL.

Ademais da ventilación, tamén se recomenda o uso de paneis de alivio de explosión. Na NFPA 855 menciónase que os ESS deben instalarse e manterse de acordo coa NFPA 68 (Norma sobre protección contra explosión mediante ventilación de deflagración) e NFPA 69 (Normas sobre sistemas de protección contra explosión). Non obstante, cando o sistema cumpre coa proba de incendio e explosión (UL 9540A ou equivalente), pode estar exento deste requisito. Non obstante, como as condicións das probas non son totalmente representativas da situación real, recoméndase mellorar a ventilación e a protección contra explosións.

2.Prevención de avarías dos sistemas auxiliares

A programación inadecuada de software/firmware e os procedementos de posta en marcha/pre-inicio tamén contribuíron aos incendios da central eléctrica Victorian e da central eléctrica Vistra Moss Landing. No incendio da Central Eléctrica Victoriana non se identificou nin bloqueou un abuso térmico iniciado por un dos módulos e tampouco se interrompeu o lume posterior. O motivo polo que se produciu esta situación é que non se requiriu a posta en servizo nese momento e o sistema foi apagado manualmente, incluíndo o sistema de telemetría, a vixilancia de avarías e o dispositivo eléctrico de seguridade. Ademais, o sistema de Control Supervisor e Adquisición de Datos (SCADA) tampouco estaba aínda operativo, xa que tardou 24 horas en establecer a conectividade dos equipos.

Polo tanto, recoméndase que os módulos inactivos teñan dispositivos como telemetría activa, monitorización de fallos e dispositivos de seguridade eléctrica, en lugar de apagarse manualmente mediante un interruptor de bloqueo. Todos os dispositivos de protección de seguridade eléctrica deben manterse en modo activo. Ademais, deberían engadirse sistemas de alarma adicionais para identificar e responder a varios eventos de emerxencia.

Tamén se atopou un erro de programación de software nas fases 1 e 2 da central Vistra Moss Landing, xa que non se superou o limiar de arranque, activouse o disipador de calor da batería. Ao mesmo tempo, o fallo do conector do tubo de auga coa fuga da capa superior da batería fai que a auga estea dispoñible para o módulo da batería e, a continuación, provoca un curtocircuíto. Estes dous exemplos mostran o importante que é comprobar e depurar a programación de software/firmware antes do procedemento de inicio.

Resumo

A través da análise de varios accidentes de incendio na estación de almacenamento de enerxía, débese dar unha alta prioridade á ventilación e control de explosións, procedementos de instalación e posta en servizo axeitados, incluíndo verificacións de programación de software, que poden evitar accidentes de batería. Ademais, debe desenvolverse un plan integral de resposta ás emerxencias para facer fronte á xeración de gases e substancias tóxicas.