Achtergrond

Door de energiecrisis zijn energieopslagsystemen (ESS) met lithium-ionbatterijen de afgelopen jaren op grotere schaal gebruikt, maar er hebben zich ook een aantal gevaarlijke ongelukken voorgedaan die hebben geleid tot schade aan faciliteiten en het milieu, economische verliezen en zelfs verlies van energie. leven. Uit onderzoek is gebleken dat, hoewel ESS voldoet aan de normen met betrekking tot batterijsystemen, zoals UL 9540 en UL 9540A, er zich thermische misstanden en branden hebben voorgedaan. Daarom zal het trekken van lessen uit eerdere gevallen en het analyseren van de risico's en de tegenmaatregelen daarvan de ontwikkeling van de ESS-technologie ten goede komen.

Beoordeling van gevallen

Het volgende vat de ongevalsgevallen van grootschalige ESS over de hele wereld vanaf 2019 tot nu samen, die publiekelijk zijn gerapporteerd.

De oorzaken van de bovengenoemde ongevallen kunnen als volgt worden samengevat:

1) Een defect aan de interne cel veroorzaakt thermisch misbruik van de batterij en module, en zorgt er uiteindelijk voor dat de hele ESS in brand vliegt of explodeert.

Het falen veroorzaakt door thermisch misbruik van de cel wordt in principe waargenomen als een brand gevolgd door een explosie. Zo ontploften bijvoorbeeld de ongelukken van de McMicken-krachtcentrale in Arizona, VS in 2019 en de Fengtai-krachtcentrale in Beijing, China in 2021, beide na een brand. Een dergelijk fenomeen wordt veroorzaakt door het falen van een enkele cel, wat een interne chemische reactie veroorzaakt, waarbij warmte vrijkomt (exotherme reactie), en de temperatuur blijft stijgen en zich verspreiden naar nabijgelegen cellen en modules, waardoor brand of zelfs een explosie ontstaat. De storingsmodus van een cel wordt doorgaans veroorzaakt door overbelasting of falen van het regelsysteem, thermische blootstelling, externe kortsluiting en interne kortsluiting (die kan worden veroorzaakt door verschillende omstandigheden zoals inkepingen of deuken, materiële onzuiverheden, penetratie door externe voorwerpen, enz. ).

Na het thermische misbruik van de cel zal er brandbaar gas worden geproduceerd. Van bovenaf kun je zien dat de eerste drie explosiegevallen dezelfde oorzaak hebben, namelijk dat brandbaar gas niet tijdig kan ontsnappen. Op dit punt zijn vooral de batterij, de module en het containerventilatiesysteem belangrijk. Over het algemeen worden gassen uit de accu afgevoerd via de uitlaatklep, en de drukregeling van de uitlaatklep kan de ophoping van brandbare gassen verminderen. In de modulefase zal over het algemeen een externe ventilator of een koelontwerp van een schaal worden gebruikt om de ophoping van brandbare gassen te voorkomen. Ten slotte zijn in de containerfase ook ventilatievoorzieningen en monitoringsystemen nodig om brandbare gassen af ​​te voeren.

2) ESS-storing veroorzaakt door een storing van een extern hulpsysteem

Een algehele ESS-storing veroorzaakt door een storing in het hulpsysteem treedt doorgaans op buiten het accusysteem en kan leiden tot brandwonden of rook uit externe componenten. En als het systeem er tijdig op reageert en erop reageert, zal dit niet leiden tot celstoringen of thermisch misbruik. Bij de ongevallen van Vistra Moss Landing Power station Fase 1 2021 en Fase 2 2022 ontstond er rook en brand omdat de storingsbewaking en elektrische fail-safe apparaten op dat moment tijdens de inbedrijfstellingsfase waren uitgeschakeld en niet tijdig konden reageren . Dit soort vlamverbranding begint meestal aan de buitenkant van het batterijsysteem voordat deze zich uiteindelijk naar de binnenkant van de cel verspreidt, zodat er geen gewelddadige exotherme reactie en ophoping van brandbaar gas plaatsvindt, en dus meestal ook geen explosie. Bovendien zal het, als het sprinklersysteem op tijd kan worden ingeschakeld, geen grote schade aan de faciliteit veroorzaken.

Het brandongeval bij de “Victorian Power Station” in Geelong, Australië in 2021 werd veroorzaakt door een kortsluiting in de batterij veroorzaakt door lekkage van koelvloeistof, wat ons eraan herinnert aandacht te besteden aan de fysieke isolatie van het batterijsysteem. Het wordt aanbevolen om een ​​bepaalde ruimte tussen externe voorzieningen en het batterijsysteem te behouden om wederzijdse interferentie te voorkomen. Het batterijsysteem moet ook worden uitgerust met een isolatiefunctie om externe kortsluiting te voorkomen.

Tegenmaatregelen

Uit de bovenstaande analyse is het duidelijk dat de oorzaken van ESS-ongevallen het thermische misbruik van de cel en het falen van het hulpsysteem zijn. Als de storing niet kan worden voorkomen, kan het verminderen van de verdere verslechtering na de blokkerende storing ook het verlies verminderen. De tegenmaatregelen kunnen vanuit de volgende aspecten worden overwogen:

Het blokkeren van de thermische verspreiding na thermisch misbruik van de cel

Er kan een isolatiebarrière worden toegevoegd om de verspreiding van thermisch misbruik van de cel te blokkeren. Deze barrière kan tussen de cellen, tussen de modules of tussen de rekken worden geïnstalleerd. In de bijlage van NFPA 855 (Standaard voor de installatie van stationaire energieopslagsystemen) kunt u ook de bijbehorende eisen vinden. Specifieke maatregelen om de barrière te isoleren zijn onder meer het plaatsen van koudwaterplaten, aerogel en dergelijke tussen de cellen.

Er kan een brandblusapparaat aan het batterijsysteem worden toegevoegd, zodat het snel kan reageren om het brandblusapparaat te activeren wanneer thermisch misbruik optreedt in een enkele cel. De chemie achter lithium-ionbrandgevaren leidt tot een ander brandblusontwerp voor energieopslagsystemen dan conventionele brandbestrijdingsoplossingen, namelijk niet alleen om de brand te blussen, maar ook om de temperatuur van de batterij te verlagen. Anders zullen de exotherme chemische reacties van de cellen blijven plaatsvinden en een herontsteking veroorzaken.

Extra zorg is ook nodig bij de keuze van brandblusmaterialen. Als het water rechtstreeks op de brandende accubehuizing wordt gespoten, kan er een ontvlambaar gasmengsel ontstaan. En als de batterijbehuizing of het frame van staal is gemaakt, kan water thermisch misbruik niet voorkomen. Sommige gevallen laten zien dat water of andere soorten vloeistoffen die in contact komen met de accupolen de brand ook kunnen verergeren. Bij het brandongeval van de Vistra Moss Landing-krachtcentrale in september 2021 gaven rapporten bijvoorbeeld aan dat de koelslangen en pijpverbindingen van het station het begaven, waardoor water op de batterijrekken sproeide en uiteindelijk kortsluiting en boogvorming in de batterijen veroorzaakte.

1. Tijdige uitstoot van brandbare gassen

Alle bovengenoemde casusrapporten wijzen op concentraties van brandbare gassen als de voornaamste oorzaak van explosies. Daarom zijn het ontwerp en de indeling van de locatie, gasmonitoring- en ventilatiesystemen belangrijk om dit risico te verminderen. In de NFPA 855 standaard wordt vermeld dat een continu gasdetectiesysteem vereist is. Wanneer een bepaald niveau aan brandbaar gas (dwz 25% van de LFL) wordt gedetecteerd, start het systeem de afzuigventilatie. Bovendien vermeldt de UL 9540A-testnorm ook de vereiste om uitlaatgassen te verzamelen en de ondergrens van gas LFL te detecteren.

Naast ontluchten wordt ook het gebruik van explosieontlastingspanelen aanbevolen. In NFPA 855 wordt vermeld dat ESS's moeten worden geïnstalleerd en onderhouden in overeenstemming met NFPA 68 (Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting) en NFPA 69 (Standards on Explosion Protection Systems). Wanneer het systeem echter voldoet aan de brand- en explosietest (UL 9540A of gelijkwaardig), kan het worden vrijgesteld van deze vereiste. Omdat de testomstandigheden echter niet volledig representatief zijn voor de werkelijke situatie, wordt een verbetering van de ventilatie en explosiebeveiliging aanbevolen.

2. Foutpreventie van hulpsystemen

Ontoereikende software-/firmwareprogrammering en inbedrijfstellings-/pre-startprocedures hebben ook bijgedragen aan de brandincidenten in de Victorian Power Station en de Vistra Moss Landing Power Station. Bij de brand in de Victoriaanse elektriciteitscentrale werd een door een van de modules geïnitieerd thermisch misbruik niet geïdentificeerd of geblokkeerd, en de daaropvolgende brand werd ook niet onderbroken. De reden waarom deze situatie zich heeft voorgedaan, is dat inbedrijfstelling op dat moment niet nodig was en dat het systeem handmatig werd uitgeschakeld, inclusief telemetriesysteem, foutbewaking en een elektrisch fail-safe apparaat. Bovendien was het Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)-systeem nog niet operationeel, omdat het 24 uur duurde om de connectiviteit van de apparatuur tot stand te brengen.

Daarom wordt aanbevolen dat inactieve modules apparaten zoals actieve telemetrie, foutbewaking en elektrische veiligheidsvoorzieningen hebben, in plaats van handmatig te worden uitgeschakeld via een vergrendelingsschakelaar. Alle elektrische veiligheidsvoorzieningen moeten in actieve modus worden gehouden. Bovendien moeten er extra alarmsystemen worden toegevoegd om verschillende noodsituaties te identificeren en erop te reageren.

Er werd ook een softwareprogrammeerfout gevonden in fase 1 en 2 van de Vistra Moss Landing Power Station, omdat de opstartdrempel niet werd overschreden en het koellichaam van de batterij werd geactiveerd. Tegelijkertijd zorgt het falen van de waterleidingconnector door lekkage van de bovenste laag van de batterij ervoor dat het water beschikbaar komt voor de batterijmodule en veroorzaakt vervolgens kortsluiting. Deze twee voorbeelden laten zien hoe belangrijk het is dat de software-/firmwareprogrammering vóór de opstartprocedure wordt gecontroleerd en opgespoord.

Samenvatting

Door de analyse van verschillende brandongevallen in energieopslagstations moet hoge prioriteit worden gegeven aan ventilatie en explosiebeheersing, goede installatie- en inbedrijfstellingsprocedures, inclusief softwareprogrammeringscontroles, die batterijongevallen kunnen voorkomen. Bovendien moet er een alomvattend noodplan worden ontwikkeld om de vorming van giftige gassen en stoffen aan te pakken.