Фон

Енергетична криза призвела до більш широкого використання літій-іонних акумуляторних систем накопичення енергії (ESS) за останні кілька років, але також сталася низка небезпечних аварій, які призвели до пошкодження об’єктів і навколишнього середовища, економічних збитків і навіть втрати життя. Дослідження виявили, що, незважаючи на те, що ESS відповідає стандартам, пов’язаним із системами акумуляторів, таким як UL 9540 та UL 9540A, трапляються перегрівання та пожежі. Таким чином, винесення уроків з минулих випадків та аналіз ризиків і їх протидії піде на користь розвитку технології ESS.

Перегляд справ

Нижче наведені випадки аварій великомасштабних ESS у всьому світі з 2019 року до сьогоднішнього дня, про які було відкрито.

Причини вищевказаних нещасних випадків можна підсумувати як наступні дві:

1) Відмова внутрішньої комірки спричиняє перегрівання батареї та модуля, що зрештою призводить до загоряння або вибуху всього ESS.

Збій, викликаний термічним впливом клітини, в основному спостерігається як пожежа з наступним вибухом. Наприклад, аварії на електростанції McMicken в Арізоні, США в 2019 році, і на електростанції Fengtai в Пекіні, Китай в 2021 році, обидві вибухнули після пожежі. Таке явище спричинене поломкою окремої комірки, яка запускає внутрішню хімічну реакцію з виділенням тепла (екзотермічна реакція), а температура продовжує зростати та поширюватися на сусідні комірки та модулі, викликаючи пожежу або навіть вибух. Відмова елемента, як правило, спричинена перезарядом або збоєм системи керування, впливом тепла, зовнішнім коротким замиканням і внутрішнім коротким замиканням (що може бути спричинено різними умовами, такими як вм’ятини або вм’ятини, забруднення матеріалу, проникнення зовнішніх об’єктів тощо). ).

Після термічного опромінення камери виділяється горючий газ. Зверху можна помітити, що перші три випадки вибуху мають однакову причину, тобто горючий газ не може вчасно вивільнитися. На цьому етапі батарея, модуль і система вентиляції контейнера є особливо важливими. Зазвичай гази виводяться з батареї через випускний клапан, і регулювання тиску випускного клапана може зменшити накопичення горючих газів. На модульному етапі, як правило, буде використовуватися зовнішній вентилятор або конструкція охолодження оболонки, щоб уникнути накопичення горючих газів. Нарешті, на стадії контейнера також необхідні вентиляційні засоби та системи моніторингу для видалення горючих газів.

2) Несправність ESS, викликана несправністю зовнішньої допоміжної системи

Загальна несправність ESS, спричинена несправністю допоміжної системи, зазвичай відбувається за межами акумуляторної системи та може призвести до горіння або диму від зовнішніх компонентів. І коли система відслідковує та своєчасно реагує на це, це не призведе до виходу з ладу клітини чи перегріву. Під час аварій на електростанції Vistra Moss Landing Power Phase 1 2021 та Phase 2 2022 утворився дим і вогонь, оскільки пристрої моніторингу несправностей і електричні пристрої безпеки були вимкнені на етапі введення в експлуатацію та не могли вчасно відреагувати . Таке горіння полум’я зазвичай починається із зовнішнього боку акумуляторної системи, перш ніж воно остаточно поширюється всередину елемента, тому немає бурхливої ​​екзотермічної реакції та накопичення горючого газу, і тому зазвичай немає вибуху. Більше того, якщо спринклерну систему вдасться ввімкнути вчасно, вона не завдасть значної шкоди об’єкту.

Пожежа на «Вікторіанській електростанції» в Джілонзі, Австралія, у 2021 році була спричинена коротким замиканням батареї, спричиненим витоком теплоносія, що нагадує нам звернути увагу на фізичну ізоляцію системи батареї. Рекомендується залишати певний простір між зовнішніми об’єктами та акумуляторною системою, щоб уникнути взаємних перешкод. Акумуляторна система також повинна бути оснащена функцією ізоляції, щоб уникнути зовнішнього короткого замикання.

Заходи протидії

З наведеного вище аналізу стає зрозумілим, що причинами аварій ESS є перегрівання комірки та відмова допоміжної системи. Якщо несправність неможливо запобігти, тоді зменшення подальшого погіршення після відмови блокування також може зменшити втрати. Контрзаходи можна розглядати з таких аспектів:

Блокування теплового розповсюдження після термічного впливу клітини

Ізоляційний бар'єр може бути доданий для блокування поширення теплового зловживання коміркою, який може бути встановлений між комірками, між модулями або між стійками. У додатку NFPA 855 (Стандарт для встановлення стаціонарних систем накопичення енергії) ви також можете знайти відповідні вимоги. Конкретні заходи ізоляції бар’єру включають вставлення пластин із холодною водою, аерогелю та подібних матеріалів між осередками.

Пристрій пожежогасіння може бути доданий до системи батареї, щоб вона могла швидко реагувати, щоб активувати пристрій пожежогасіння, коли термічне порушення відбувається в одній комірці. Хімія, яка лежить в основі небезпеки пожежі літій-іонного типу, призводить до іншої конструкції пожежогасіння для систем накопичення енергії, ніж у звичайних протипожежних рішеннях, яка полягає не лише в гасінні пожежі, але й у зниженні температури батареї. В іншому випадку екзотермічні хімічні реакції клітин продовжуватимуть відбуватися і викличуть повторне займання.

Особлива увага також потрібна при виборі вогнегасних матеріалів. Якщо вода розбризкується безпосередньо на палаючий корпус батареї, може утворитися горюча газова суміш. А якщо корпус або каркас батареї виготовлені зі сталі, вода не запобіжить перегріву. Деякі випадки показують, що вода або інші типи рідин, які контактують з клемами акумулятора, також можуть посилити пожежу. Наприклад, під час пожежі на електростанції Vistra Moss Landing у вересні 2021 року, згідно з повідомленнями, охолоджуючі шланги та з’єднання труб станції вийшли з ладу, в результаті чого вода розбризкувалася на батарейні стійки, що зрештою призвело до короткого замикання та виникнення дугового розряду.

1.Своєчасний викид горючих газів

Усі наведені вище випадки вказують на концентрацію горючих газів як основну причину вибухів. Таким чином, дизайн і планування майданчика, системи моніторингу газу та вентиляції важливі для зменшення цього ризику. У стандарті NFPA 855 зазначено, що потрібна безперервна система виявлення газу. Коли буде виявлено певний рівень горючого газу (тобто 25% LFL), система запустить витяжну вентиляцію. Крім того, стандарт тестування UL 9540A також згадує вимогу щодо збору вихлопних газів і виявлення нижньої межі LFL газу.

На додаток до вентиляції також рекомендується використовувати панелі захисту від вибуху. У NFPA 855 згадується, що ESSs необхідно встановлювати та обслуговувати відповідно до NFPA 68 (Стандарт захисту від вибуху шляхом дефлаграційної вентиляції) та NFPA 69 (Стандарт систем захисту від вибуху). Однак, якщо система відповідає вимогам випробувань на пожежу та вибух (UL 9540A або еквівалент), її можна звільнити від цієї вимоги. Однак, оскільки умови випробувань не повністю відображають справжню ситуацію, рекомендується покращити вентиляцію та захист від вибуху.

2. Профілактика відмов допоміжних систем

Невідповідне програмне забезпечення/мікропрограмне забезпечення та процедури введення в експлуатацію/передпуску також сприяли інцидентам з пожежею на електростанції Victorian Power Station і станції Vistra Moss Landing. Під час пожежі на Вікторіанській електростанції термічне порушення, ініційоване одним із модулів, не було ідентифіковано або заблоковано, і пожежу, що виникла, також не було перервано. Причина, чому сталася така ситуація, полягає в тому, що в той час не було потрібно вводити в експлуатацію, і система була вимкнута вручну, включаючи систему телеметрії, моніторинг несправностей і електричний пристрій безпеки. Крім того, система диспетчерського контролю та збору даних (SCADA) також ще не працювала, оскільки для встановлення підключення обладнання знадобилося 24 години.

Тому рекомендується, щоб будь-які неактивні модулі мали такі пристрої, як активна телеметрія, моніторинг несправностей і пристрої електричної безпеки, а не вимикалися вручну за допомогою перемикача блокування. Всі засоби захисту електробезпеки слід тримати в активному режимі. Крім того, слід додати додаткові системи сигналізації для ідентифікації та реагування на різні надзвичайні події.

Помилка програмного забезпечення також була виявлена ​​на станції Vistra Moss Landing Power Phases 1 і 2, оскільки поріг запуску не перевищено, радіатор батареї був активований. У той же час, несправність роз’єму водопровідної труби з витоком верхнього шару батареї робить воду доступною для модуля батареї, а потім викликає коротке замикання. Ці два приклади показують, наскільки важливо, щоб програмне забезпечення/мікропрограмне забезпечення було перевірено та налагоджено перед процедурою запуску.

Резюме

Завдяки аналізу кількох аварій пожежі на станції зберігання енергії слід надати високий пріоритет контролю вентиляції та вибуху, належним процедурам встановлення та введення в експлуатацію, включаючи перевірки програмного забезпечення, які можуть запобігти аваріям акумулятора. Крім того, слід розробити комплексний план реагування на надзвичайні ситуації для боротьби з утворенням токсичних газів і речовин.