Фон

Энергетический кризис привел к более широкому использованию систем хранения энергии на литий-ионных батареях (ESS), но также произошел ряд опасных аварий, которые привели к нанесению ущерба объектам и окружающей среде, экономическим потерям и даже потерям энергии. жизнь. Расследования показали, что, хотя ESS соответствует стандартам, связанным с аккумуляторными системами, таким как UL 9540 и UL 9540A, случались термические нарушения и пожары. Таким образом, изучение уроков из прошлых случаев и анализ рисков и мер противодействия им принесут пользу развитию технологии ESS.

Обзор кейсов

Ниже кратко описаны случаи крупномасштабных аварий ESS по всему миру с 2019 года по настоящее время, о которых сообщалось публично.

Причины вышеперечисленных аварий можно свести к следующим двум:

1) Выход из строя внутреннего элемента вызывает термическое воздействие на батарею и модуль и, в конечном итоге, приводит к возгоранию или взрыву всей ESS.

Выход из строя, вызванный термическим воздействием на элемент, в основном проявляется в виде пожара с последующим взрывом. Например, аварии на электростанции МакМикен в Аризоне, США, в 2019 году и на электростанции Фэнтай в Пекине, Китай, в 2021 году произошли в результате пожара. Такое явление вызвано выходом из строя одной ячейки, что запускает внутреннюю химическую реакцию с выделением тепла (экзотермическая реакция), при этом температура продолжает расти и распространяться на близлежащие ячейки и модули, вызывая пожар или даже взрыв. Режим отказа элемента обычно вызван перезарядкой или отказом системы управления, тепловым воздействием, внешним коротким замыканием и внутренним коротким замыканием (которое может быть вызвано различными условиями, такими как вмятины или вмятины, примеси материала, проникновение внешних объектов и т. д.). ).

После термического воздействия на элемент будет выделяться горючий газ. Из вышесказанного можно заметить, что первые три случая взрыва имеют одну и ту же причину: горючий газ не может быть выпущен вовремя. На этом этапе особенно важны аккумулятор, модуль и система вентиляции контейнера. Обычно газы выводятся из аккумулятора через выпускной клапан, а регулирование давления выпускного клапана может уменьшить накопление горючих газов. На этапе модуля обычно используется внешний вентилятор или конструкция охлаждения корпуса, чтобы избежать накопления горючих газов. Наконец, на стадии контейнера также необходимы вентиляционные установки и системы мониторинга для удаления горючих газов.

2) Отказ ESS, вызванный отказом внешней вспомогательной системы.

Общий отказ ESS, вызванный отказом вспомогательной системы, обычно происходит за пределами аккумуляторной системы и может привести к возгоранию или дыму от внешних компонентов. И когда система отслеживала и своевременно реагировала на это, это не приведет к выходу из строя ячейки или перегреву. При авариях на электростанции Вистра Мосс, этап 1 в 2021 году и этап 2 в 2022 году, возник дым и огонь, поскольку устройства контроля неисправностей и электрические устройства безопасности были отключены в это время на этапе ввода в эксплуатацию и не могли своевременно отреагировать. . Этот вид горения пламени обычно начинается снаружи аккумуляторной системы, а затем, наконец, распространяется внутрь элемента, поэтому не происходит сильной экзотермической реакции и накопления горючего газа, и поэтому обычно не происходит взрыва. Более того, если вовремя включить спринклерную систему, это не нанесет серьезного ущерба объекту.

Авария на электростанции «Викторианская электростанция» в Джилонге, Австралия, в 2021 году была вызвана коротким замыканием батареи, вызванным утечкой охлаждающей жидкости, что напоминает нам о необходимости обратить внимание на физическую изоляцию аккумуляторной системы. Рекомендуется сохранять определенное пространство между внешними объектами и аккумуляторной системой во избежание взаимного влияния. Система аккумуляторов также должна быть оснащена функцией изоляции, чтобы избежать внешнего короткого замыкания.

Контрмеры

Из приведенного выше анализа ясно, что причинами аварий ESS являются тепловое воздействие на ячейку и отказ вспомогательной системы. Если сбой невозможно предотвратить, то уменьшение дальнейшего ухудшения состояния после сбоя блокировки также может уменьшить потери. Меры противодействия можно рассматривать со следующих точек зрения:

Блокирование распространения тепла после термического воздействия на клетку

Для предотвращения распространения теплового воздействия на элемент можно добавить изоляционный барьер, который можно установить между элементами, между модулями или между стойками. В приложении к NFPA 855 (Стандарт установки стационарных систем хранения энергии) вы также можете найти соответствующие требования. Конкретные меры по изоляции барьера включают в себя вставку пластин с холодной водой, аэрогеля и тому подобного между клетками.

К аккумуляторной системе можно добавить устройство пожаротушения, чтобы оно могло быстро реагировать на активацию устройства пожаротушения при возникновении термического воздействия в одном элементе. Химический состав пожароопасных литий-ионных систем приводит к иной конструкции пожаротушения систем хранения энергии, чем традиционные решения пожаротушения, которые предназначены не только для тушения огня, но и для снижения температуры батареи. В противном случае экзотермические химические реакции клеток продолжат происходить и вызовут повторное возгорание.

Особая осторожность необходима и при выборе огнетушащих материалов. Если вода распыляется непосредственно на горящий корпус аккумулятора, может образоваться горючая газовая смесь. А если корпус или рама батареи изготовлены из стали, вода не предотвратит термическое воздействие. Некоторые случаи показывают, что вода или другие жидкости, контактирующие с клеммами аккумулятора, также могут усугубить пожар. Например, во время пожара на электростанции Вистра-Мосс-Лендинг в сентябре 2021 года в отчетах указывалось, что охлаждающие шланги и соединения труб станции вышли из строя, что привело к разбрызгиванию воды на аккумуляторные стойки и, в конечном итоге, к короткому замыканию батарей и образованию дуги.

1. Своевременный выброс горючих газов.

Все приведенные выше сообщения о случаях указывают на концентрацию горючих газов как на основную причину взрывов. Поэтому дизайн и планировка объекта, системы газового мониторинга и вентиляции важны для снижения этого риска. В стандарте NFPA 855 упоминается, что требуется система непрерывного обнаружения газа. При обнаружении определенного уровня горючего газа (т.е. 25% от LFL) система включает вытяжную вентиляцию. Кроме того, в стандарте испытаний UL 9540A также упоминается требование собирать выхлопные газы и определять нижний предел LFL газа.

Помимо вентиляции также рекомендуется использовать панели защиты от взрыва. В NFPA 855 упоминается, что системы ESS должны устанавливаться и обслуживаться в соответствии со стандартами NFPA 68 (Стандарт по взрывозащите посредством дефлаграционной вентиляции) и NFPA 69 (Стандарты по системам взрывозащиты). Однако если система соответствует испытаниям на огнестойкость и взрывоопасность (UL 9540A или эквивалент), она может быть освобождена от этого требования. Однако, поскольку условия испытаний не полностью соответствуют реальной ситуации, рекомендуется усилить вентиляцию и взрывозащиту.

2. Предотвращение отказов вспомогательных систем.

Неадекватное программирование программного обеспечения/прошивки и процедуры ввода в эксплуатацию/предпусковой подготовки также способствовали возникновению пожаров на электростанциях Викториан и Вистра-Мосс-Лэндинг. При пожаре на электростанции в Виктории тепловое воздействие, инициированное одним из модулей, не было выявлено и заблокировано, и последующий пожар также не был прерван. Причина, по которой произошла такая ситуация, заключается в том, что ввод в эксплуатацию в то время не требовался, и система была отключена вручную, включая систему телеметрии, мониторинг неисправностей и электрическое предохранительное устройство. Кроме того, система диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) также еще не работала, поскольку на установление подключения оборудования ушло 24 часа.

Поэтому рекомендуется, чтобы все неиспользуемые модули имели такие устройства, как активная телеметрия, мониторинг неисправностей и устройства электробезопасности, а не отключались вручную с помощью выключателя блокировки. Все устройства электрозащиты должны находиться в активном режиме. Кроме того, следует добавить дополнительные системы сигнализации для выявления и реагирования на различные аварийные события.

Ошибка программирования программного обеспечения также была обнаружена на 1 и 2 фазах 1 и 2 посадочной электростанции Вистра Мосс, так как не был превышен порог запуска, активировался радиатор батареи. В то же время выход из строя соединителя водопроводной трубы с утечкой верхнего слоя батареи делает воду доступной для модуля батареи, а затем вызывает короткое замыкание. Эти два примера показывают, насколько важно, чтобы программное обеспечение/микропрограммное обеспечение было проверено и отлажено перед процедурой запуска.

Краткое содержание

При анализе нескольких пожаров на станциях хранения энергии первоочередное внимание следует уделить вентиляции и контролю взрывоопасности, надлежащим процедурам установки и ввода в эксплуатацию, включая проверки программного обеспечения, которые могут предотвратить аварии с батареями. Кроме того, необходимо разработать комплексный план реагирования на чрезвычайные ситуации для борьбы с образованием токсичных газов и веществ.