Фон

Енергийната криза направи системите за съхранение на енергия от литиево-йонни батерии (ESS) по-широко използвани през последните няколко години, но също така имаше редица опасни аварии, довели до щети на съоръжения и околната среда, икономически загуби и дори загуба на живот. Разследванията са установили, че въпреки че ESS отговарят на стандартите, свързани с батерийните системи, като UL 9540 и UL 9540A, са възникнали термични злоупотреби и пожари. Следователно извличането на поуки от минали случаи и анализирането на рисковете и техните противодействия ще бъде от полза за развитието на ESS технологията.

Преглед на казуси

По-долу са обобщени случаи на аварии на мащабни ESS по света от 2019 г. до днес, които са били публично докладвани.

Причините за горните аварии могат да бъдат обобщени като следните две:

1) Повреда на вътрешна клетка предизвиква термично увреждане на батерията и модула и накрая кара цялата ESS да се запали или експлодира.

Повредата, причинена от термично натоварване на клетката, основно се наблюдава при пожар, последван от експлозия. Например авариите на електроцентралата McMicken в Аризона, САЩ през 2019 г. и електроцентралата Fengtai в Пекин, Китай през 2021 г., и двете избухнаха след пожар. Такова явление се причинява от повреда на една клетка, която предизвиква вътрешна химическа реакция, освобождаваща топлина (екзотермична реакция), а температурата продължава да се покачва и се разпространява към близките клетки и модули, причинявайки пожар или дори експлозия. Режимът на повреда на клетка обикновено се причинява от презареждане или повреда на системата за управление, термично излагане, външно късо съединение и вътрешно късо съединение (което може да бъде причинено от различни условия като вдлъбнатина или вдлъбнатина, материални примеси, проникване на външни обекти и др. ).

След термичното натоварване на клетката ще се получи запалим газ. Отгоре можете да забележите, че първите три случая на експлозия имат една и съща причина, тоест запалимият газ не може да се освободи навреме. В този момент батерията, модулът и вентилационната система на контейнера са особено важни. Обикновено газовете се изпускат от акумулатора през изпускателния клапан и регулирането на налягането на изпускателния клапан може да намали натрупването на горими газове. В етапа на модула обикновено ще се използва външен вентилатор или дизайн на охлаждане на корпуса, за да се избегне натрупването на горими газове. И накрая, в етапа на контейнера са необходими също вентилационни съоръжения и системи за наблюдение за евакуиране на горими газове.

2) Повреда на ESS, причинена от повреда на външна спомагателна система

Цялостната повреда на ESS, причинена от повреда на спомагателна система, обикновено се случва извън акумулаторната система и може да доведе до изгаряне или дим от външни компоненти. И когато системата го наблюдава и реагира своевременно, това няма да доведе до повреда на клетката или термична злоупотреба. При авариите на Vistra Moss Landing Power station Фаза 1 2021 г. и Фаза 2 2022 г. бяха генерирани дим и огън, тъй като устройствата за наблюдение на неизправностите и електрическите устройства за безопасност бяха изключени по това време по време на фазата на пускане в експлоатация и не можаха да реагират своевременно . Този вид горене на пламък обикновено започва от външната страна на акумулаторната система, преди най-накрая да се разпространи във вътрешността на клетката, така че няма бурна екзотермична реакция и натрупване на горими газове и следователно обикновено няма експлозия. Нещо повече, ако спринклерната система може да бъде включена навреме, тя няма да причини големи щети на съоръжението.

Пожарната авария „Victorian Power Station“ в Джилонг, Австралия през 2021 г. беше причинена от късо съединение в батерията, причинено от изтичане на охлаждаща течност, което ни напомня да обърнем внимание на физическата изолация на системата на батерията. Препоръчва се да се запази известно пространство между външните съоръжения и акумулаторната система, за да се избегнат взаимни смущения. Батерийната система също трябва да бъде оборудвана с изолационна функция, за да се избегне външно късо съединение.

Мерки за противодействие

От горния анализ става ясно, че причините за авариите на ESS са термичното натоварване на клетката и повредата на спомагателната система. Ако повредата не може да бъде предотвратена, тогава намаляването на по-нататъшното влошаване след повредата на блокирането също може да намали загубата. Мерките за противодействие могат да се разглеждат от следните аспекти:

Блокиране на топлинното разпространение след термично натоварване на клетката

Може да се добави изолационна бариера, за да се блокира разпространението на термично натоварване на клетката, която може да се монтира между клетките, между модулите или между стелажите. В приложението към NFPA 855 (Стандарт за инсталиране на стационарни системи за съхранение на енергия) можете също да намерите съответните изисквания. Специфичните мерки за изолиране на бариерата включват вмъкване на плочи със студена вода, аерогел и подобни между клетките.

Към акумулаторната система може да се добави устройство за гасене на пожар, така че тя да може да реагира бързо, за да активира устройството за гасене на пожар, когато в една клетка възникне термично злоупотреба. Химията зад литиево-йонните опасности от пожар води до различен дизайн за потушаване на пожар за системи за съхранение на енергия в сравнение с конвенционалните противопожарни решения, който не само гаси огъня, но и намалява температурата на батерията. В противен случай екзотермичните химични реакции на клетките ще продължат да се случват и ще предизвикат повторно запалване.

Необходимо е също така допълнително внимание при избора на пожарогасителни материали. Ако водата се пръска директно върху горящия корпус на батерията, може да се получи запалима газова смес. И ако корпусът или рамката на батерията са направени от стомана, водата няма да предотврати термичното злоупотреба. Някои случаи показват, че водата или други видове течности в контакт с клемите на батерията също могат да влошат пожара. Например при пожара в електроцентрала Vistra Moss Landing през септември 2021 г. докладите показват, че охладителните маркучи и тръбните съединения на станцията са се повредили, което е довело до пръскане на вода върху стелажите на батериите и в крайна сметка до късо съединение и дъга в батериите.

1.Навременна емисия на горими газове

Всички горепосочени доклади за случаи сочат концентрации на горими газове като основна причина за експлозии. Следователно дизайнът и оформлението на обекта, газовият мониторинг и вентилационните системи са важни за намаляване на този риск. В стандарта NFPA 855 се споменава, че е необходима непрекъсната система за откриване на газ. Когато се открие определено ниво на горим газ (т.е. 25% от LFL), системата ще започне смукателна вентилация. В допълнение, тестовият стандарт UL 9540A също споменава изискването за събиране на отработените газове и откриване на долната граница на LFL на газ.

В допълнение към вентилацията се препоръчва и използването на панели за освобождаване от експлозия. В NFPA 855 се споменава, че ESS трябва да се инсталират и поддържат в съответствие с NFPA 68 (Стандарт за защита от експлозия чрез дефлаграционна вентилация) и NFPA 69 (Стандарти за системи за защита от експлозия). Въпреки това, когато системата отговаря на теста за пожар и експлозия (UL 9540A или еквивалентен), тя може да бъде освободена от това изискване. Въпреки това, тъй като условията на изпитване не са напълно представителни за истинската ситуация, се препоръчва подобряване на вентилацията и защитата от експлозия.

2. Предотвратяване на отказ на спомагателни системи

Неадекватното софтуерно/фърмуерно програмиране и пускане в експлоатация/предварителни процедури също допринесоха за пожарните инциденти във Викторианската електроцентрала и Вистра Мос Лендинг електростанция. При пожара във Викторианската електроцентрала топлинна злоупотреба, инициирана от един от модулите, не беше идентифицирана или блокирана и последвалият пожар също не беше прекъснат. Причината за възникването на тази ситуация е, че по това време не е било необходимо пускане в експлоатация и системата е била изключена ръчно, включително телеметрична система, мониторинг на неизправности и електрическо аварийно устройство. В допълнение, системата за надзорен контрол и събиране на данни (SCADA) също все още не работеше, тъй като бяха необходими 24 часа, за да се установи свързаност на оборудването.

Поради това се препоръчва всички неактивни модули да имат устройства като активна телеметрия, мониторинг на неизправности и устройства за електрическа безопасност, вместо да бъдат изключвани ръчно чрез ключ за заключване. Всички защитни устройства за електрическа безопасност трябва да се поддържат в активен режим. Освен това трябва да се добавят допълнителни алармени системи за идентифициране и реагиране на различни аварийни събития.

Грешка в софтуерното програмиране също беше открита във фазите 1 и 2 на Vistra Moss Landing Power station, тъй като прагът за стартиране не беше превишен, радиаторът на батерията беше активиран. В същото време повредата на съединителя на водопроводната тръба с изтичането на горния слой на батерията прави водата достъпна за модула на батерията и след това причинява късо съединение. Тези два примера показват колко важно е програмирането на софтуер/фърмуер да бъде проверено и отстранено преди процедурата по стартиране.

Резюме

Чрез анализа на няколко пожарни произшествия в станция за съхранение на енергия трябва да се даде висок приоритет на контрола на вентилацията и експлозията, правилното инсталиране и процедурите за пускане в експлоатация, включително проверки на софтуерното програмиране, които могат да предотвратят аварии с батерии. Освен това трябва да се разработи цялостен план за реагиране при извънредни ситуации за справяне с генерирането на токсични газове и вещества.