Bakgrunn

Energikrisen har gjort lithium-ion batteri energilagringssystemer (ESS) mer utbredt de siste årene, men det har også vært en rekke farlige ulykker som har resultert i skade på anlegg og miljø, økonomisk tap og til og med tap av liv. Undersøkelser har funnet at selv om ESS har oppfylt standarder knyttet til batterisystemer, som UL 9540 og UL 9540A, har det forekommet termisk misbruk og brann. Derfor vil det å lære lærdom fra tidligere tilfeller og analysere risikoene og deres mottiltak være til fordel for utviklingen av ESS-teknologi.

Saksgjennomgang

Følgende oppsummerer ulykkestilfeller av storskala ESS rundt om i verden fra 2019 til dags dato, som har blitt offentlig rapportert.

Årsakene til ulykkene ovenfor kan oppsummeres som følgende to:

1) En svikt i intern celle utløser termisk misbruk av batteriet og modulen, og fører til slutt til at hele ESS tar fyr eller eksploderer.

Feilen forårsaket av termisk misbruk av celle er i utgangspunktet observert som en brann etterfulgt av en eksplosjon. For eksempel eksploderte ulykker på McMicken kraftstasjon i Arizona, USA i 2019 og Fengtai kraftstasjon i Beijing, Kina i 2021 etter en brann. Et slikt fenomen er forårsaket av svikt i en enkelt celle, som utløser en intern kjemisk reaksjon, frigjør varme (eksoterm reaksjon), og temperaturen fortsetter å stige og spre seg til nærliggende celler og moduler, noe som forårsaker brann eller til og med en eksplosjon. Feilmodusen til en celle er vanligvis forårsaket av overlading eller kontrollsystemfeil, termisk eksponering, ekstern kortslutning og intern kortslutning (som kan være forårsaket av forskjellige forhold som fordypning eller bulk, urenheter i materialet, penetrering av eksterne gjenstander, etc. ).

Etter termisk misbruk av cellen vil det bli produsert brennbar gass. Fra oven kan du legge merke til at de tre første tilfellene av eksplosjon har samme årsak, det vil si at brennbar gass ikke kan slippe ut i tide. På dette tidspunktet er batteriet, modulen og beholderventilasjonssystemet spesielt viktig. Vanligvis utlades gasser fra batteriet gjennom eksosventilen, og trykkreguleringen av eksosventilen kan redusere opphopningen av brennbare gasser. I modulstadiet vil vanligvis en ekstern vifte eller et skalls kjøledesign brukes for å unngå opphopning av brennbare gasser. Til slutt, i containerstadiet, kreves det også ventilasjonsanlegg og overvåkingssystemer for å evakuere brennbare gasser.

2) ESS-feil forårsaket av eksternt hjelpesystemfeil

En generell ESS-feil forårsaket av en hjelpesystemfeil oppstår vanligvis utenfor batterisystemet og kan føre til brenning eller røyk fra eksterne komponenter. Og når systemet overvåket og reagerte på det i tide, vil det ikke føre til cellens feil eller termisk misbruk. I ulykkene ved Vistra Moss Landing Kraftstasjon Fase 1 2021 og Fase 2 2022 ble det generert røyk og brann fordi feilovervåking og elektriske feilsikre enheter var slått av på det tidspunktet under idriftsettelsesfasen og ikke kunne reagere i tide. . Denne typen flammebrenning starter vanligvis fra utsiden av batterisystemet før den til slutt sprer seg til innsiden av cellen, så det er ingen voldsom eksoterm reaksjon og opphopning av brennbar gass, og derfor vanligvis ingen eksplosjon. Dessuten, hvis sprinkleranlegget kan slås på i tide, vil det ikke forårsake omfattende skader på anlegget.

"Victorian Power Station"-brannulykken i Geelong, Australia i 2021 ble forårsaket av en kortslutning i batteriet forårsaket av en kjølevæskelekkasje, som minner oss om å være oppmerksom på den fysiske isolasjonen av batterisystemet. Det anbefales å holde et visst avstand mellom eksterne anlegg og batterisystemet for å unngå gjensidig interferens. Batterisystemet bør også utstyres med isolasjonsfunksjon for å unngå ekstern kortslutning.

Mottiltak

Fra analysen ovenfor er det klart at årsakene til ESS-ulykker er termisk misbruk av cellen og svikt i hjelpesystemet. Hvis feilen ikke kan forhindres, kan det også redusere tapet ved å redusere den ytterligere forverringen etter blokkeringsfeilen. Mottiltakene kan vurderes fra følgende aspekter:

Blokkerer den termiske spredningen etter termisk misbruk av cellen

Isolasjonsbarriere kan legges til for å blokkere spredningen av termisk misbruk av cellen, som kan installeres mellom cellene, mellom modulene eller mellom stativene. I vedlegget til NFPA 855 (Standard for installasjon av stasjonære energilagringssystemer) kan du også finne de relaterte kravene. Spesifikke tiltak for å isolere barrieren inkluderer å sette inn kaldtvannsplater, aerogel og lignende mellom cellene.

En brannslokkingsanordning til batterisystemet kan legges til slik at den kan reagere raskt for å aktivere brannslokkingsanordningen når termisk misbruk oppstår i en enkelt celle. Kjemien bak litium-ion brannfarer fører til et annet brannslokkingsdesign for energilagringssystemer enn konvensjonelle brannslokkingsløsninger, som ikke bare er å slukke brannen, men også å redusere temperaturen på batteriet. Ellers vil de eksoterme kjemiske reaksjonene til cellene fortsette å skje og utløse en gjentenning.

Ekstra forsiktighet er også nødvendig når du velger brannslukkingsmaterialer. Hvis vannet sprayes direkte på det brennende batterihuset, kan det dannes en brennbar gassblanding. Og hvis batterihuset eller rammen er laget av stål, vil ikke vann forhindre termisk misbruk. Noen tilfeller viser at vann eller andre typer væsker i kontakt med batteripolene også kan forverre brannen. For eksempel, i brannulykken til Vistra Moss Landing kraftstasjon i september 2021, indikerte rapporter at stasjonens kjøleslanger og rørskjøter sviktet, noe som førte til at vann sprutet på batteristativene og til slutt førte til at batteriene kortsluttes og buede.

1.Rettidig utslipp av brennbare gasser

Alle de ovennevnte saksrapportene peker på konsentrasjoner av brennbare gasser som den primære årsaken til eksplosjoner. Derfor er plassdesign og layout, gassovervåking og ventilasjonssystemer viktig for å redusere denne risikoen. I NFPA 855 standard er det nevnt at det kreves et kontinuerlig gassdeteksjonssystem. Når et visst nivå av brennbar gass (dvs. 25 % av LFL) oppdages, vil systemet starte avtrekksventilasjon. I tillegg nevner UL 9540A teststandard også kravet om å samle opp eksos og detektere den nedre grensen for gass LFL.

I tillegg til utlufting anbefales også bruk av eksplosjonsavlastningspaneler. Det er nevnt i NFPA 855 at ESSer skal installeres og vedlikeholdes i samsvar med NFPA 68 (Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting) og NFPA 69 (Standards on Explosion Protection Systems). Men når systemet er i samsvar med brann- og eksplosjonstesten (UL 9540A eller tilsvarende), kan det unntas fra dette kravet. Men siden testbetingelsene ikke er helt representative for den sanne situasjonen, anbefales en forbedring av ventilasjon og eksplosjonsbeskyttelse.

2. Feilforebygging av hjelpesystemer

Utilstrekkelig programvare/fastvareprogrammering og igangkjøring/pre-start prosedyrer bidro også til brannhendelsene i Victorian Power Station og Vistra Moss Landing Power Station. I brannen i viktoriansk kraftstasjon ble et termisk misbruk initiert av en av modulene ikke identifisert eller blokkert, og brannen som fulgte ble heller ikke avbrutt. Grunnen til at denne situasjonen skjedde er at igangkjøring ikke var nødvendig på det tidspunktet, og systemet ble manuelt slått av, inkludert telemetrisystem, feilovervåking og elektrisk feilsikker enhet. I tillegg var systemet for tilsynskontroll og datainnsamling (SCADA) heller ikke operativt ennå, da det tok 24 timer å etablere utstyrstilkobling.

Derfor anbefales det at alle inaktive moduler bør ha enheter som aktiv telemetri, feilovervåking og elektriske sikkerhetsenheter, i stedet for å slås av manuelt via en låsebryter. Alle elektriske sikkerhetsanordninger bør holdes i aktiv modus. I tillegg bør ytterligere alarmsystemer legges til for å identifisere og reagere på ulike nødhendelser.

Det ble også funnet en programmeringsfeil i Vistra Moss Landing Kraftstasjon fase 1 og 2, da oppstartsterskelen ikke ble overskredet, ble batterikjøleribben aktivert. Samtidig gjør vannrørskoblingsfeilen med lekkasje av det øvre laget av batteriet vannet tilgjengelig for batterimodulen og forårsaker deretter kortslutning. Disse to eksemplene viser hvor viktig det er at programvare/fastvareprogrammering kontrolleres og feilsøkes før oppstartsprosedyren.

Sammendrag

Gjennom analysen av flere brannulykker i energilagringsstasjon bør ventilasjon og eksplosjonskontroll, riktig installasjon og igangkjøringsprosedyrer, inkludert kontroller av programvareprogrammering, gis høy prioritet, som kan forhindre batteriulykker. I tillegg bør det utvikles en omfattende beredskapsplan for å håndtere generering av giftige gasser og stoffer.