Baggrund

Energikrisen har gjort lithium-ion batteri energilagringssystemer (ESS) mere udbredt i de seneste par år, men der har også været en række farlige ulykker, der har resulteret i skader på faciliteter og miljø, økonomisk tab og endda tab af liv.Undersøgelser har vist, at selvom ESS har opfyldt standarder relateret til batterisystemer, såsom UL 9540 og UL 9540A, er der opstået termisk misbrug og brande.Derfor vil det gavne udviklingen af ​​ESS-teknologien at lære af tidligere sager og analysere risiciene og deres modforanstaltninger.

Sagsgennemgang

Det følgende opsummerer ulykkestilfælde af storstilet ESS rundt om i verden fra 2019 til dato, som er blevet offentligt rapporteret.

Årsagerne til ovenstående ulykker kan opsummeres som følgende to:

1) Et svigt i intern celle udløser termisk misbrug af batteriet og modulet, og til sidst får hele ESS'en i brand eller eksploderer.

Fejlen forårsaget af termisk misbrug af celle er dybest set observeret, at en brand efterfulgt af en eksplosion.For eksempel eksploderede ulykker på McMicken-kraftværket i Arizona, USA i 2019 og Fengtai-kraftværket i Beijing, Kina i 2021, efter en brand.Et sådant fænomen er forårsaget af svigt af en enkelt celle, som udløser en intern kemisk reaktion, frigiver varme (exoterm reaktion), og temperaturen fortsætter med at stige og spredes til nærliggende celler og moduler, hvilket forårsager en brand eller endda en eksplosion.Fejltilstanden i en celle er generelt forårsaget af overopladning eller kontrolsystemfejl, termisk eksponering, ekstern kortslutning og intern kortslutning (som kan være forårsaget af forskellige forhold, såsom fordybning eller bule, materialeurenheder, indtrængning af eksterne genstande osv. ).

Efter det termiske misbrug af cellen vil der blive produceret brændbar gas.Fra oven kan du bemærke, at de første tre tilfælde af eksplosion har samme årsag, det vil sige, at brændbar gas ikke kan udledes rettidigt.På dette tidspunkt er batteriet, modulet og beholderventilationssystemet særligt vigtige.Generelt udledes gasser fra batteriet gennem udstødningsventilen, og trykreguleringen af ​​udstødningsventilen kan reducere ophobningen af ​​brændbare gasser.I modulstadiet vil der generelt blive brugt en ekstern ventilator eller en skals køledesign for at undgå ophobning af brændbare gasser.Endelig er der i containerstadiet også behov for ventilationsanlæg og overvågningssystemer til at evakuere brændbare gasser.

2) ESS-fejl forårsaget af eksternt hjælpesystemfejl

En generel ESS-fejl forårsaget af en hjælpesystemfejl opstår typisk uden for batterisystemet og kan resultere i forbrænding eller røg fra eksterne komponenter.Og når systemet overvågede og reagerede på det rettidigt, vil det ikke føre til cellesvigt eller termisk misbrug.I ulykkerne på Vistra Moss Landing Power Station fase 1 2021 og fase 2 2022 blev der genereret røg og ild, fordi fejlovervågningen og de elektriske fejlsikre enheder var slukket på det tidspunkt under idriftsættelsesfasen og ikke kunne reagere rettidigt .Denne form for flammebrænding starter normalt udefra batterisystemet, før den endelig spreder sig til indersiden af ​​cellen, så der er ingen voldsom eksoterm reaktion og ophobning af brændbar gas, og derfor normalt ingen eksplosion.Hvad mere er, hvis sprinkleranlægget kan tændes i tide, vil det ikke forårsage omfattende skader på anlægget.

Brandulykken "Victorian Power Station" i Geelong, Australien i 2021 var forårsaget af en kortslutning i batteriet forårsaget af en kølevæskelækage, som minder os om at være opmærksomme på den fysiske isolering af batterisystemet.Det anbefales at holde en vis afstand mellem eksterne faciliteter og batterisystemet for at undgå gensidig interferens.Batterisystemet bør også være udstyret med isoleringsfunktion for at undgå ekstern kortslutning.

Modforanstaltninger

Fra ovenstående analyse er det klart, at årsagerne til ESS-uheld er termisk misbrug af cellen og svigt af hjælpesystemet.Hvis fejlen ikke kan forhindres, kan en reduktion af den yderligere forringelse efter blokeringsfejlen også reducere tabet.Modforanstaltningerne kan overvejes ud fra følgende aspekter:

Blokering af den termiske spredning efter termisk misbrug af cellen

Isoleringsbarriere kan tilføjes for at blokere spredningen af ​​termisk misbrug af cellen, som kan installeres mellem cellerne, mellem modulerne eller mellem stativerne.I tillægget til NFPA 855 (Standard for installation af stationære energilagringssystemer) kan du også finde de relaterede krav.Specifikke foranstaltninger til at isolere barrieren omfatter indsættelse af koldtvandsplader, aerogel og lignende mellem cellerne.

Der kan tilføjes en brandslukningsanordning til batterisystemet, så den kan reagere hurtigt for at aktivere brandslukningsanordningen, når der opstår termisk misbrug i en enkelt celle.Kemien bag lithium-ion brandfarer fører til et andet brandslukningsdesign for energilagringssystemer end konventionelle brandslukningsløsninger, som ikke kun er at slukke branden, men også at reducere temperaturen på batteriet.Ellers vil cellernes eksoterme kemiske reaktioner fortsætte med at forekomme og udløse en genantændelse.

Ekstra forsigtighed er også nødvendig, når du vælger brandslukningsmaterialer.Hvis vandet sprøjtes direkte på det brændende batterihus, kan der dannes en brændbar gasblanding.Og hvis batterihuset eller rammen er lavet af stål, vil vand ikke forhindre termisk misbrug.Nogle tilfælde viser, at vand eller andre typer væsker i kontakt med batteripolerne også kan forværre branden.For eksempel, ved brandulykken i Vistra Moss Landing kraftværk i september 2021, indikerede rapporter, at stationens køleslanger og rørsamlinger svigtede, hvilket fik vand til at sprøjte på batteristativerne og i sidste ende fik batterierne til at kortslutte og bue.

1.Rettidig emission af brændbare gasser

Alle ovenstående case-rapporter peger på koncentrationer af brændbare gasser som den primære årsag til eksplosioner.Derfor er design og indretning, gasovervågning og ventilationssystemer vigtige for at reducere denne risiko.I NFPA 855 standard er der nævnt, at der kræves et kontinuerligt gasdetektionssystem.Når et vist niveau af brændbar gas (dvs. 25 % af LFL) detekteres, vil systemet starte udsugningsventilation.Derudover nævner UL 9540A teststandard også kravet om at opsamle udstødning og detektere den nedre grænse for gas LFL.

Udover udluftning anbefales også brug af eksplosionsaflastningspaneler.Det er nævnt i NFPA 855, at ESS'er skal installeres og vedligeholdes i overensstemmelse med NFPA 68 (Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting) og NFPA 69 (Standards on Explosion Protection Systems).Men når systemet overholder brand- og eksplosionstesten (UL 9540A eller tilsvarende), kan det undtages fra dette krav.Men da testbetingelserne ikke er fuldt ud repræsentative for den sande situation, anbefales en forbedring af ventilations- og eksplosionsbeskyttelsen.

2. Fejlforebyggelse af hjælpesystemer

Utilstrækkelig software/firmware-programmering og idriftsættelse/før-start-procedurer bidrog også til brandhændelser i Victorian Power Station og Vistra Moss Landing Power Station.I den victorianske kraftværksbrand blev et termisk misbrug initieret af et af modulerne ikke identificeret eller blokeret, og den efterfølgende brand blev heller ikke afbrudt.Grunden til, at denne situation skete, er, at idriftsættelse ikke var påkrævet på det tidspunkt, og systemet blev manuelt lukket ned, herunder telemetrisystem, fejlovervågning og elektrisk fejlsikker enhed.Derudover var Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systemet heller ikke operationelt endnu, da det tog 24 timer at etablere udstyrsforbindelse.

Derfor anbefales det, at alle inaktive moduler skal have enheder som aktiv telemetri, fejlovervågning og elektriske sikkerhedsanordninger, i stedet for at blive lukket ned manuelt via en spærrekontakt.Alle elektriske sikkerhedsanordninger skal holdes i aktiv tilstand.Derudover bør der tilføjes yderligere alarmsystemer for at identificere og reagere på forskellige nødhændelser.

Der blev også fundet en softwareprogrammeringsfejl i Vistra Moss Landing Power station fase 1 og 2, da opstartstærsklen ikke blev overskredet, blev batterikølepladen aktiveret.Samtidig gør vandrørsforbindelsesfejlen med lækage af det øverste lag af batteriet vandet tilgængeligt for batterimodulet og forårsager derefter kortslutning.Disse to eksempler viser, hvor vigtigt det er, at software/firmwareprogrammering kontrolleres og fejlsøges før opstartsproceduren.

Resumé

Gennem analysen af ​​flere brandulykker i energilagringsstationer bør ventilation og eksplosionskontrol, korrekt installation og idriftsættelsesprocedurer, herunder kontrol af softwareprogrammering, gives høj prioritet, som kan forhindre batteriulykker.Derudover bør der udvikles en omfattende beredskabsplan for at håndtere dannelsen af ​​giftige gasser og stoffer.