Φόντο

Η ενεργειακή κρίση έχει κάνει τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπαταριών ιόντων λιθίου (ESS) να χρησιμοποιούνται ευρύτερα τα τελευταία χρόνια, αλλά έχουν σημειωθεί επίσης ορισμένα επικίνδυνα ατυχήματα που έχουν ως αποτέλεσμα ζημιές στις εγκαταστάσεις και το περιβάλλον, οικονομικές απώλειες, ακόμη και απώλεια ζωή. Οι έρευνες διαπίστωσαν ότι παρόλο που το ESS πληρούσε τα πρότυπα που σχετίζονται με τα συστήματα μπαταριών, όπως το UL 9540 και το UL 9540A, έχουν σημειωθεί θερμική κατάχρηση και πυρκαγιές. Επομένως, η εκμάθηση διδαγμάτων από προηγούμενες υποθέσεις και η ανάλυση των κινδύνων και των αντίμετρών τους θα ωφελήσει την ανάπτυξη της τεχνολογίας ESS.

Ανασκόπηση υποθέσεων

Τα παρακάτω συνοψίζουν περιπτώσεις ατυχημάτων μεγάλης κλίμακας ESS σε όλο τον κόσμο από το 2019 έως σήμερα, τα οποία έχουν αναφερθεί δημόσια.

Τα αίτια των παραπάνω ατυχημάτων μπορούν να συνοψιστούν στα ακόλουθα δύο:

1) Μια αστοχία της εσωτερικής κυψέλης πυροδοτεί θερμική κατάχρηση της μπαταρίας και της μονάδας και τελικά προκαλεί φωτιά ή έκρηξη ολόκληρου του ESS.

Η αστοχία που προκαλείται από τη θερμική κατάχρηση της κυψέλης παρατηρείται βασικά ότι μια πυρκαγιά ακολουθείται από μια έκρηξη. Για παράδειγμα, ατυχήματα του σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας McMicken στην Αριζόνα των ΗΠΑ το 2019 και του σταθμού παραγωγής ενέργειας Fengtai στο Πεκίνο της Κίνας το 2021 εξερράγησαν και τα δύο μετά από πυρκαγιά. Τέτοιο φαινόμενο προκαλείται από την αστοχία ενός μόνο κυττάρου, η οποία πυροδοτεί μια εσωτερική χημική αντίδραση, απελευθερώνοντας θερμότητα (εξώθερμη αντίδραση), και η θερμοκρασία συνεχίζει να αυξάνεται και να εξαπλώνεται σε κοντινές κυψέλες και μονάδες, προκαλώντας πυρκαγιά ή ακόμα και έκρηξη. Ο τρόπος αστοχίας μιας κυψέλης προκαλείται γενικά από υπερφόρτιση ή αστοχία συστήματος ελέγχου, θερμική έκθεση, εξωτερικό βραχυκύκλωμα και εσωτερικό βραχυκύκλωμα (το οποίο μπορεί να προκληθεί από διάφορες συνθήκες όπως εσοχή ή βαθούλωμα, ακαθαρσίες υλικού, διείσδυση από εξωτερικά αντικείμενα κ.λπ. ).

Μετά τη θερμική κατάχρηση της κυψέλης, θα παραχθεί εύφλεκτο αέριο. Από πάνω μπορείτε να παρατηρήσετε ότι οι τρεις πρώτες περιπτώσεις έκρηξης έχουν την ίδια αιτία, δηλαδή το εύφλεκτο αέριο δεν μπορεί να εκκενωθεί έγκαιρα. Σε αυτό το σημείο, η μπαταρία, η μονάδα και το σύστημα εξαερισμού του δοχείου είναι ιδιαίτερα σημαντικά. Γενικά, τα αέρια εκκενώνονται από την μπαταρία μέσω της βαλβίδας εξαγωγής και η ρύθμιση της πίεσης της βαλβίδας εξαγωγής μπορεί να μειώσει τη συσσώρευση εύφλεκτων αερίων. Στο στάδιο της μονάδας, γενικά θα χρησιμοποιηθεί ένας εξωτερικός ανεμιστήρας ή ένας σχεδιασμός ψύξης κελύφους για να αποφευχθεί η συσσώρευση εύφλεκτων αερίων. Τέλος, στο στάδιο του εμπορευματοκιβωτίου, απαιτούνται επίσης εγκαταστάσεις αερισμού και συστήματα παρακολούθησης για την εκκένωση εύφλεκτων αερίων.

2) Βλάβη ESS που προκαλείται από βλάβη εξωτερικού βοηθητικού συστήματος

Μια συνολική αστοχία ESS που προκαλείται από βλάβη βοηθητικού συστήματος εμφανίζεται συνήθως έξω από το σύστημα μπαταρίας και μπορεί να οδηγήσει σε κάψιμο ή καπνό από εξωτερικά εξαρτήματα. Και όταν το σύστημα παρακολουθεί και ανταποκρίνεται σε αυτό εγκαίρως, δεν θα οδηγήσει σε αστοχία της κυψέλης ή σε θερμική κατάχρηση. Στα ατυχήματα του σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Vistra Moss Landing Phase 1 2021 και Phase 2 2022, δημιουργήθηκε καπνός και φωτιά επειδή η παρακολούθηση σφαλμάτων και οι ηλεκτρικές συσκευές ασφαλείας απενεργοποιήθηκαν εκείνη τη στιγμή κατά τη φάση θέσης σε λειτουργία και δεν μπορούσαν να ανταποκριθούν έγκαιρα . Αυτό το είδος καύσης φλόγας ξεκινά συνήθως από το εξωτερικό του συστήματος της μπαταρίας προτού τελικά εξαπλωθεί στο εσωτερικό της κυψέλης, επομένως δεν υπάρχει βίαιη εξώθερμη αντίδραση και συσσώρευση εύφλεκτων αερίων και επομένως συνήθως δεν υπάρχει έκρηξη. Επιπλέον, εάν το σύστημα καταιωνιστήρων μπορεί να ενεργοποιηθεί εγκαίρως, δεν θα προκαλέσει εκτεταμένη ζημιά στην εγκατάσταση.

Το ατύχημα πυρκαγιάς «Victorian Power Station» στο Geelong της Αυστραλίας το 2021 προκλήθηκε από βραχυκύκλωμα στην μπαταρία που προκλήθηκε από διαρροή ψυκτικού υγρού, το οποίο μας υπενθυμίζει να προσέχουμε τη φυσική απομόνωση του συστήματος μπαταρίας. Συνιστάται να διατηρείτε ένα συγκεκριμένο χώρο μεταξύ των εξωτερικών εγκαταστάσεων και του συστήματος μπαταριών για την αποφυγή αμοιβαίων παρεμβολών. Το σύστημα μπαταρίας θα πρέπει επίσης να είναι εξοπλισμένο με λειτουργία μόνωσης για την αποφυγή εξωτερικού βραχυκυκλώματος.

Αντίμετρα

Από την παραπάνω ανάλυση, είναι σαφές ότι τα αίτια των ατυχημάτων ESS είναι η θερμική κατάχρηση της κυψέλης και η αστοχία του βοηθητικού συστήματος. Εάν η αστοχία δεν μπορεί να αποτραπεί, τότε η μείωση της περαιτέρω φθοράς μετά την αστοχία μπλοκαρίσματος μπορεί επίσης να μειώσει την απώλεια. Τα αντίμετρα μπορούν να εξεταστούν από τις ακόλουθες πτυχές:

Αποκλεισμός της θερμικής εξάπλωσης μετά από θερμική κατάχρηση του κυττάρου

Μπορεί να προστεθεί φράγμα μόνωσης για να εμποδίσει την εξάπλωση της θερμικής κατάχρησης του στοιχείου, το οποίο μπορεί να εγκατασταθεί μεταξύ των κυψελών, μεταξύ των μονάδων ή μεταξύ των ραφιών. Στο παράρτημα του NFPA 855 (Πρότυπο για την Εγκατάσταση Σταθερών Συστημάτων Αποθήκευσης Ενέργειας), μπορείτε επίσης να βρείτε τις σχετικές απαιτήσεις. Ειδικά μέτρα για την απομόνωση του φραγμού περιλαμβάνουν την εισαγωγή πλακών κρύου νερού, αερογέλης και παρόμοιων στοιχείων μεταξύ των κυττάρων.

Μπορεί να προστεθεί μια συσκευή πυρόσβεσης στο σύστημα μπαταρίας, ώστε να μπορεί να αντιδράσει γρήγορα για να ενεργοποιήσει τη συσκευή πυρόσβεσης όταν συμβαίνει θερμική κατάχρηση σε ένα μόνο στοιχείο. Η χημεία πίσω από τους κινδύνους πυρκαγιάς ιόντων λιθίου οδηγεί σε διαφορετικό σχεδιασμό πυρόσβεσης για συστήματα αποθήκευσης ενέργειας από τις συμβατικές λύσεις πυρόσβεσης, που δεν είναι μόνο η κατάσβεση της φωτιάς, αλλά και η μείωση της θερμοκρασίας της μπαταρίας. Διαφορετικά, οι εξώθερμες χημικές αντιδράσεις των κυττάρων θα συνεχίσουν να συμβαίνουν και θα πυροδοτήσουν μια εκ νέου ανάφλεξη.

Χρειάζεται επίσης ιδιαίτερη προσοχή κατά την επιλογή πυροσβεστικών υλικών. Εάν το νερό ψεκαστεί απευθείας στο περίβλημα της μπαταρίας που καίγεται μπορεί να δημιουργήσει ένα εύφλεκτο μείγμα αερίων. Και αν το περίβλημα ή το πλαίσιο της μπαταρίας είναι κατασκευασμένο από χάλυβα, το νερό δεν θα αποτρέψει τη θερμική κατάχρηση. Ορισμένες περιπτώσεις δείχνουν ότι το νερό ή άλλα είδη υγρών σε επαφή με τους ακροδέκτες της μπαταρίας μπορεί επίσης να επιδεινώσουν τη φωτιά. Για παράδειγμα, στο ατύχημα της πυρκαγιάς του σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Vistra Moss Landing τον Σεπτέμβριο του 2021, οι αναφορές ανέφεραν ότι οι εύκαμπτοι σωλήνες ψύξης και οι σύνδεσμοι σωλήνων του σταθμού απέτυχαν, προκαλώντας ψεκασμό νερού στις βάσεις μπαταριών και τελικά βραχυκύκλωμα και τόξο των μπαταριών.

1.Έγκαιρη εκπομπή καύσιμων αερίων

Όλες οι παραπάνω αναφορές περιπτώσεων αναφέρουν τις συγκεντρώσεις εύφλεκτων αερίων ως την κύρια αιτία των εκρήξεων. Επομένως, ο σχεδιασμός και η διάταξη του χώρου, τα συστήματα παρακολούθησης αερίου και αερισμού είναι σημαντικά για τη μείωση αυτού του κινδύνου. Στο πρότυπο NFPA 855 αναφέρεται ότι απαιτείται συνεχές σύστημα ανίχνευσης αερίων. Όταν ανιχνευτεί ένα ορισμένο επίπεδο καύσιμου αερίου (δηλαδή 25% του LFL), το σύστημα θα ξεκινήσει τον εξαερισμό. Επιπλέον, το πρότυπο δοκιμής UL 9540A αναφέρει επίσης την απαίτηση συλλογής καυσαερίων και ανίχνευσης του κατώτερου ορίου LFL αερίου.

Εκτός από τον εξαερισμό, συνιστάται επίσης η χρήση πάνελ ανακούφισης έκρηξης. Αναφέρεται στο NFPA 855 ότι τα ESS πρέπει να εγκατασταθούν και να συντηρηθούν σύμφωνα με το NFPA 68 (Πρότυπο για την προστασία από έκρηξη με εξαέρωση από εκρήξεις) και το NFPA 69 (Πρότυπα για συστήματα προστασίας από έκρηξη). Ωστόσο, όταν το σύστημα συμμορφώνεται με τη δοκιμή πυρκαγιάς και έκρηξης (UL 9540A ή ισοδύναμο), μπορεί να εξαιρεθεί από αυτήν την απαίτηση. Ωστόσο, καθώς οι συνθήκες της δοκιμής δεν είναι πλήρως αντιπροσωπευτικές της πραγματικής κατάστασης, συνιστάται η ενίσχυση της προστασίας του αερισμού και της έκρηξης.

2.Αποτροπή αστοχιών βοηθητικών συστημάτων

Ο ανεπαρκής προγραμματισμός λογισμικού/υλικολογισμικού και οι διαδικασίες θέσης σε λειτουργία/προεκκίνησης συνέβαλαν επίσης στα περιστατικά πυρκαγιάς στο σταθμό παραγωγής ενέργειας της Βικτώριας και στο σταθμό παραγωγής ενέργειας προσγείωσης Vistra Moss. Στην πυρκαγιά του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής της Βικτώριας, μια θερμική κατάχρηση που ξεκίνησε από μία από τις μονάδες δεν εντοπίστηκε ή μπλοκαρίστηκε και η πυρκαγιά που ακολούθησε δεν διακόπηκε επίσης. Ο λόγος για τον οποίο συνέβη αυτή η κατάσταση είναι ότι δεν απαιτούνταν η θέση σε λειτουργία εκείνη τη στιγμή και το σύστημα τερματίστηκε χειροκίνητα, συμπεριλαμβανομένου του συστήματος τηλεμετρίας, της παρακολούθησης σφαλμάτων και της ηλεκτρικής συσκευής ασφαλείας. Επιπλέον, το σύστημα Εποπτικού Ελέγχου και Απόκτησης Δεδομένων (SCADA) επίσης δεν ήταν ακόμη λειτουργικό, καθώς χρειάστηκαν 24 ώρες για να δημιουργηθεί συνδεσιμότητα εξοπλισμού.

Ως εκ τούτου, συνιστάται όλες οι μονάδες αδράνειας να διαθέτουν συσκευές όπως ενεργή τηλεμετρία, παρακολούθηση σφαλμάτων και συσκευές ηλεκτρικής ασφάλειας, αντί να κλείνουν χειροκίνητα μέσω ενός διακόπτη κλειδώματος. Όλες οι συσκευές ηλεκτρικής προστασίας πρέπει να διατηρούνται σε ενεργή λειτουργία. Επιπλέον, θα πρέπει να προστεθούν πρόσθετα συστήματα συναγερμού για τον εντοπισμό και την απόκριση σε διάφορα επείγοντα συμβάντα.

Εντοπίστηκε επίσης σφάλμα προγραμματισμού λογισμικού στους σταθμούς παραγωγής ενέργειας προσγείωσης Vistra Moss Φάσεις 1 και 2, καθώς δεν ξεπεράστηκε το όριο εκκίνησης, ενεργοποιήθηκε η ψύκτρα της μπαταρίας. Ταυτόχρονα, η αστοχία του συνδετήρα του σωλήνα νερού με τη διαρροή του ανώτερου στρώματος της μπαταρίας καθιστά το νερό διαθέσιμο στη μονάδα μπαταρίας και στη συνέχεια προκαλεί βραχυκύκλωμα. Αυτά τα δύο παραδείγματα δείχνουν πόσο σημαντικό είναι ο έλεγχος και ο εντοπισμός σφαλμάτων του προγραμματισμού λογισμικού/υλικολογισμικού πριν από τη διαδικασία εκκίνησης.

Περίληψη

Μέσω της ανάλυσης αρκετών ατυχημάτων πυρκαγιάς σε σταθμό αποθήκευσης ενέργειας, θα πρέπει να δοθεί υψηλή προτεραιότητα στον έλεγχο εξαερισμού και εκρήξεων, στις σωστές διαδικασίες εγκατάστασης και θέσης σε λειτουργία, συμπεριλαμβανομένων των ελέγχων προγραμματισμού λογισμικού, που μπορούν να αποτρέψουν ατυχήματα μπαταρίας. Επιπλέον, θα πρέπει να αναπτυχθεί ένα ολοκληρωμένο σχέδιο αντιμετώπισης καταστάσεων έκτακτης ανάγκης για την αντιμετώπιση της παραγωγής τοξικών αερίων και ουσιών.