Latar belakang

Krisis tenaga telah menjadikan sistem penyimpanan tenaga bateri (ESS) litium-ion digunakan secara meluas dalam beberapa tahun kebelakangan ini, tetapi terdapat juga beberapa kemalangan berbahaya yang mengakibatkan kerosakan kepada kemudahan dan alam sekitar, kerugian ekonomi, dan juga kehilangan kehidupan. Siasatan mendapati bahawa walaupun ESS telah memenuhi piawaian yang berkaitan dengan sistem bateri, seperti UL 9540 dan UL 9540A, penyalahgunaan haba dan kebakaran telah berlaku. Oleh itu, mempelajari pengajaran daripada kes-kes lepas dan menganalisis risiko serta langkah-langkah balasnya akan memberi manfaat kepada pembangunan teknologi ESS.

Semakan kes

Berikut meringkaskan kes kemalangan ESS berskala besar di seluruh dunia dari 2019 hingga kini, yang telah dilaporkan secara terbuka.

Punca-punca kemalangan di atas boleh diringkaskan seperti dua berikut:

1) Kegagalan sel dalaman mencetuskan penyalahgunaan haba bateri dan modul, dan akhirnya menyebabkan keseluruhan ESS terbakar atau meletup.

Kegagalan yang disebabkan oleh penyalahgunaan haba sel pada asasnya diperhatikan bahawa kebakaran diikuti oleh letupan. Sebagai contoh, kemalangan stesen janakuasa McMicken di Arizona, Amerika Syarikat pada 2019 dan stesen janakuasa Fengtai di Beijing, China pada 2021 kedua-duanya meletup selepas kebakaran. Fenomena sedemikian disebabkan oleh kegagalan sel tunggal, yang mencetuskan tindak balas kimia dalaman, membebaskan haba (tindak balas eksotermik), dan suhu terus meningkat dan merebak ke sel dan modul berdekatan, menyebabkan kebakaran atau letupan. Mod kegagalan sel biasanya disebabkan oleh kegagalan sistem cas berlebihan atau kawalan, pendedahan haba, litar pintas luaran dan litar pintas dalaman (yang boleh disebabkan oleh pelbagai keadaan seperti lekukan atau lekuk, kekotoran bahan, penembusan oleh objek luar, dsb. ).

Selepas penyalahgunaan haba sel, gas mudah terbakar akan dihasilkan. Dari atas anda dapat melihat bahawa tiga kes pertama letupan mempunyai punca yang sama, iaitu gas mudah terbakar tidak boleh dilepaskan tepat pada masanya. Pada ketika ini, bateri, modul dan sistem pengudaraan bekas amat penting. Secara amnya gas dilepaskan daripada bateri melalui injap ekzos, dan peraturan tekanan injap ekzos boleh mengurangkan pengumpulan gas mudah terbakar. Pada peringkat modul, secara amnya kipas luaran atau reka bentuk penyejukan cangkerang akan digunakan untuk mengelakkan pengumpulan gas mudah terbakar. Akhir sekali, di peringkat kontena, kemudahan pengudaraan dan sistem pemantauan juga diperlukan untuk mengosongkan gas mudah terbakar.

2) Kegagalan ESS disebabkan oleh kegagalan sistem tambahan luaran

Kegagalan ESS keseluruhan yang disebabkan oleh kegagalan sistem tambahan biasanya berlaku di luar sistem bateri dan boleh mengakibatkan pembakaran atau asap daripada komponen luaran. Dan apabila sistem memantau dan membalasnya tepat pada masanya, ia tidak akan membawa kepada kegagalan sel atau penyalahgunaan haba. Dalam kemalangan stesen Janakuasa Vistra Moss Landing Fasa 1 2021 dan Fasa 2 2022, asap dan kebakaran dijana kerana pemantauan kerosakan dan peranti selamat gagal elektrik telah dimatikan pada masa itu semasa fasa pentauliahan dan tidak dapat bertindak balas tepat pada masanya. . Pembakaran nyalaan jenis ini biasanya bermula dari bahagian luar sistem bateri sebelum akhirnya merebak ke bahagian dalam sel, jadi tiada tindak balas eksotermik yang ganas dan pengumpulan gas mudah terbakar, dan biasanya tiada letupan. Apatah lagi, jika sistem pemercik dapat dihidupkan tepat pada masanya, ia tidak akan menyebabkan kerosakan yang meluas kepada kemudahan itu.

Kemalangan kebakaran "Stesen Kuasa Victoria" di Geelong, Australia pada tahun 2021 disebabkan oleh litar pintas dalam bateri yang disebabkan oleh kebocoran penyejuk, yang mengingatkan kita untuk memberi perhatian kepada pengasingan fizikal sistem bateri. Adalah disyorkan untuk mengekalkan ruang tertentu antara kemudahan luaran dan sistem bateri untuk mengelakkan gangguan bersama. Sistem bateri juga harus dilengkapi dengan fungsi penebat untuk mengelakkan litar pintas luaran.

Tindakan balas

Daripada analisis di atas, jelas bahawa punca kemalangan ESS adalah penyalahgunaan haba sel dan kegagalan sistem tambahan. Jika kegagalan tidak dapat dicegah, maka mengurangkan kemerosotan selanjutnya selepas kegagalan menyekat juga boleh mengurangkan kerugian. Tindakan balas boleh dipertimbangkan dari aspek berikut:

Menyekat penyebaran haba selepas penyalahgunaan haba sel

Penghalang penebat boleh ditambah untuk menghalang penyebaran penyalahgunaan haba sel, yang boleh dipasang di antara sel, antara modul atau antara rak. Dalam lampiran NFPA 855 (Standard untuk Pemasangan Sistem Penyimpanan Tenaga Pegun), anda juga boleh mencari keperluan yang berkaitan. Langkah-langkah khusus untuk mengasingkan penghalang termasuk memasukkan plat air sejuk, airgel dan sejenisnya di antara sel.

Peranti pencegah kebakaran pada sistem bateri boleh ditambah supaya ia boleh bertindak balas dengan cepat untuk mengaktifkan peranti pencegah kebakaran apabila penyalahgunaan haba berlaku dalam satu sel. Kimia di sebalik bahaya kebakaran lithium-ion membawa kepada reka bentuk penindasan kebakaran yang berbeza untuk sistem penyimpanan tenaga daripada penyelesaian memadam kebakaran konvensional, yang bukan sahaja untuk memadamkan api, tetapi juga untuk mengurangkan suhu bateri. Jika tidak, tindak balas kimia eksotermik sel akan terus berlaku dan mencetuskan penyalaan semula.

Penjagaan tambahan juga diperlukan semasa memilih bahan pemadam api. Jika air disembur terus pada selongsong bateri yang terbakar boleh menghasilkan campuran gas mudah terbakar. Dan jika selongsong atau bingkai bateri diperbuat daripada keluli, air tidak akan menghalang penyalahgunaan haba. Sesetengah kes menunjukkan bahawa air atau jenis cecair lain yang bersentuhan dengan terminal bateri juga boleh memburukkan lagi kebakaran. Contohnya, dalam kemalangan kebakaran stesen janakuasa Vistra Moss Landing pada September 2021, laporan menunjukkan bahawa hos penyejuk dan sambungan paip stesen itu gagal, menyebabkan air menyembur pada rak bateri dan akhirnya menyebabkan bateri litar pintas dan arka.

1. Pembebasan gas mudah terbakar tepat pada masanya

Semua laporan kes di atas menunjukkan kepekatan gas mudah terbakar sebagai punca utama letupan. Oleh itu, reka bentuk dan susun atur tapak, pemantauan gas dan sistem pengudaraan adalah penting untuk mengurangkan risiko ini. Dalam piawaian NFPA 855 disebutkan bahawa sistem pengesanan gas berterusan diperlukan. Apabila tahap tertentu gas mudah terbakar (iaitu 25% daripada LFL) dikesan, sistem akan memulakan pengudaraan ekzos. Di samping itu, piawaian ujian UL 9540A juga menyebut keperluan untuk mengumpul ekzos dan mengesan had bawah gas LFL.

Sebagai tambahan kepada pengudaraan, penggunaan panel pelega letupan juga disyorkan. Disebutkan dalam NFPA 855 bahawa ESSs hendaklah dipasang dan diselenggara mengikut NFPA 68 (Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting) dan NFPA 69 (Standards on Explosion Protection Systems). Walau bagaimanapun, apabila sistem mematuhi Ujian Kebakaran dan Letupan (UL 9540A atau setara), ia boleh dikecualikan daripada keperluan ini. Walau bagaimanapun, oleh kerana syarat ujian tidak mewakili sepenuhnya keadaan sebenar, peningkatan pengudaraan dan perlindungan letupan adalah disyorkan.

2.Pencegahan kegagalan sistem tambahan

Pengaturcaraan perisian/perisian tegar dan prosedur pentauliahan/pramula yang tidak mencukupi turut menyumbang kepada insiden kebakaran Stesen Janakuasa Victoria dan Stesen Janakuasa Vistra Moss Landing. Dalam kebakaran Stesen Janakuasa Victoria, penyalahgunaan haba yang dimulakan oleh salah satu modul tidak dikenal pasti atau disekat, dan kebakaran yang menyusul juga tidak terganggu. Sebab mengapa keadaan ini berlaku ialah pentauliahan tidak diperlukan pada masa itu, dan sistem telah ditutup secara manual, termasuk sistem telemetri, pemantauan kerosakan dan peranti selamat gagal elektrik. Selain itu, sistem Kawalan Penyeliaan dan Pemerolehan Data (SCADA) juga masih belum beroperasi, kerana ia mengambil masa 24 jam untuk mewujudkan ketersambungan peralatan.

Oleh itu, adalah disyorkan bahawa mana-mana modul terbiar harus mempunyai peranti seperti telemetri aktif, pemantauan kerosakan dan peranti keselamatan elektrik, dan bukannya ditutup secara manual melalui suis kunci keluar. Semua peranti perlindungan keselamatan elektrik hendaklah disimpan dalam mod aktif. Selain itu, sistem penggera tambahan perlu ditambah untuk mengenal pasti dan bertindak balas terhadap pelbagai peristiwa kecemasan.

Ralat pengaturcaraan perisian juga ditemui dalam stesen Janakuasa Vistra Moss Landing Fasa 1 dan 2, kerana ambang permulaan tidak melebihi, sink haba bateri telah diaktifkan. Pada masa yang sama, kegagalan penyambung paip air dengan kebocoran lapisan atas bateri menjadikan air tersedia ke modul bateri dan kemudian menyebabkan litar pintas. Kedua-dua contoh ini menunjukkan betapa pentingnya pengaturcaraan perisian/perisian tegar disemak dan dinyahpepijat sebelum prosedur permulaan.

Ringkasan

Melalui analisis beberapa kemalangan kebakaran di stesen simpanan tenaga, keutamaan yang tinggi harus diberikan kepada kawalan pengudaraan dan letupan, prosedur pemasangan dan pentauliahan yang betul, termasuk pemeriksaan pengaturcaraan perisian, yang boleh mengelakkan kemalangan bateri. Di samping itu, pelan tindak balas kecemasan yang komprehensif perlu dibangunkan untuk menangani penjanaan gas dan bahan toksik.