Bakgrund

Energikrisen har gjort att litiumjonbatteriers energilagringssystem (ESS) används mer allmänt under de senaste åren, men det har också inträffat ett antal farliga olyckor som resulterat i skador på anläggningar och miljö, ekonomiska förluster och till och med förlust av liv. Undersökningar har visat att även om ESS har uppfyllt standarder relaterade till batterisystem, såsom UL 9540 och UL 9540A, har termisk missbruk och bränder inträffat. Därför kommer att dra lärdomar från tidigare fall och analysera riskerna och deras motåtgärder till nytta för utvecklingen av ESS-teknik.

Ärendegranskning

Följande sammanfattar olycksfall av storskaliga ESS runt om i världen från 2019 till dags dato, som har rapporterats offentligt.

Orsakerna till ovanstående olyckor kan sammanfattas som följande två:

1) Ett fel på den interna cellen utlöser termisk missbruk av batteriet och modulen, och får slutligen hela ESS att fatta eld eller explodera.

Felet som orsakas av termisk missbruk av cell observeras i princip att en brand följt av en explosion. Till exempel exploderade olyckorna vid kraftverket McMicken i Arizona, USA 2019 och Fengtai kraftverket i Peking, Kina 2021 efter en brand. Sådant fenomen orsakas av att en enskild cell misslyckas, vilket utlöser en intern kemisk reaktion, frigör värme (exoterm reaktion), och temperaturen fortsätter att stiga och spridas till närliggande celler och moduler, vilket orsakar en brand eller till och med en explosion. En cells felläge orsakas i allmänhet av överladdning eller fel i kontrollsystemet, termisk exponering, extern kortslutning och intern kortslutning (vilket kan orsakas av olika tillstånd som fördjupning eller buckla, materialföroreningar, penetrering av externa föremål, etc. ).

Efter termisk missbruk av cellen kommer brandfarlig gas att produceras. Från ovan kan du märka att de tre första fallen av explosion har samma orsak, det vill säga brandfarlig gas kan inte släppas ut i tid. Vid denna tidpunkt är batteriet, modulen och behållarens ventilationssystem särskilt viktiga. Generellt släpps gaser ut från batteriet genom avgasventilen, och tryckregleringen av avgasventilen kan minska ansamlingen av brännbara gaser. I modulstadiet kommer i allmänhet en extern fläkt eller ett skals kyldesign att användas för att undvika ansamling av brännbara gaser. Slutligen, i containerskedet, krävs även ventilationsanläggningar och övervakningssystem för att evakuera brännbara gaser.

2) ESS-fel orsakat av externt hjälpsystemfel

Ett övergripande ESS-fel orsakat av ett hjälpsystemfel inträffar vanligtvis utanför batterisystemet och kan resultera i bränning eller rök från externa komponenter. Och när systemet övervakade och svarade på det i tid, kommer det inte att leda till cellfel eller termisk missbruk. Vid olyckorna i Vistra Moss Landing Power Station Fas 1 2021 och Fas 2 2022 genererades rök och brand eftersom felövervakningen och elektriska felsäkra enheter var avstängda vid den tidpunkten under driftsättningsfasen och inte kunde svara i tid. . Denna typ av flamma börjar vanligtvis från utsidan av batterisystemet innan den slutligen sprider sig till insidan av cellen, så det finns ingen våldsam exoterm reaktion och ansamling av brännbar gas, och därför vanligtvis ingen explosion. Dessutom, om sprinklersystemet kan slås på i tid kommer det inte att orsaka omfattande skador på anläggningen.

Brandolyckan "Victorian Power Station" i Geelong, Australien 2021 orsakades av en kortslutning i batteriet orsakad av ett kylvätskeläckage, vilket påminner oss om att vara uppmärksamma på den fysiska isoleringen av batterisystemet. Det rekommenderas att hålla ett visst utrymme mellan externa anläggningar och batterisystemet för att undvika ömsesidig störning. Batterisystemet bör även utrustas med isoleringsfunktion för att undvika extern kortslutning.

Motåtgärder

Från ovanstående analys är det tydligt att orsakerna till ESS-olyckor är termisk missbruk av cellen och fel på hjälpsystemet. Om felet inte kan förhindras, kan också minska förlusten genom att minska den ytterligare försämringen efter blockeringsfelet. Motåtgärderna kan övervägas utifrån följande aspekter:

Blockerar den termiska spridningen efter termisk missbruk av cellen

Isoleringsbarriär kan läggas till för att blockera spridningen av termisk missbruk av cellen, som kan installeras mellan cellerna, mellan modulerna eller mellan ställen. I bilagan till NFPA 855 (Standard för installation av stationära energilagringssystem) kan du också hitta relaterade krav. Specifika åtgärder för att isolera barriären inkluderar att sätta in kallvattenplattor, aerogel och liknande mellan cellerna.

En brandsläckningsanordning kan läggas till batterisystemet så att den kan reagera snabbt för att aktivera brandsläckningsanordningen när termisk missbruk inträffar i en enskild cell. Kemin bakom brandrisker med litiumjoner leder till en annan brandsläckningsdesign för energilagringssystem än konventionella brandbekämpningslösningar, vilket inte bara är att släcka branden, utan också att sänka temperaturen på batteriet. Annars kommer de exoterma kemiska reaktionerna i cellerna att fortsätta att inträffa och utlösa en återtändning.

Extra försiktighet krävs också vid val av brandsläckningsmaterial. Om vattnet sprutas direkt på det brinnande batterihöljet kan en brandfarlig gasblandning bildas. Och om batterihöljet eller ramen är gjord av stål, kommer vatten inte att förhindra termisk missbruk. Vissa fall visar att vatten eller andra typer av vätskor i kontakt med batteripolerna också kan förvärra branden. Till exempel, vid brandolyckan i kraftverket Vistra Moss Landing i september 2021, indikerade rapporter att stationens kylslangar och rörkopplingar havererade, vilket gjorde att vatten sprutade på batteriställen och i slutändan fick batterierna att kortsluta och bli ljusbågar.

1. Utsläpp av brännbara gaser i rätt tid

Alla ovanstående fallrapporter pekar på koncentrationer av brännbara gaser som den primära orsaken till explosioner. Därför är platsdesign och layout, gasövervakning och ventilationssystem viktiga för att minska denna risk. I NFPA 855-standarden nämns att ett kontinuerligt gasdetekteringssystem krävs. När en viss nivå av brännbar gas (dvs. 25 % av LFL) detekteras kommer systemet att starta frånluftsventilation. Dessutom nämner UL 9540A teststandard också kravet på att samla upp avgaser och detektera den nedre gränsen för gas LFL.

Förutom ventilation rekommenderas även användning av explosionsavlastningspaneler. Det nämns i NFPA 855 att ESS ska installeras och underhållas i enlighet med NFPA 68 (Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting) och NFPA 69 (Standards on Explosion Protection Systems). Men när systemet uppfyller brand- och explosionstestet (UL 9540A eller motsvarande) kan det undantas från detta krav. Men eftersom testförhållandena inte är helt representativa för den verkliga situationen, rekommenderas en förbättring av ventilationen och explosionsskyddet.

2. Felförebyggande av hjälpsystem

Otillräcklig programvara/firmware-programmering och idrifttagning/för-start-procedurer bidrog också till brandincidenter i Victorian Power Station och Vistra Moss Landing Power Station. I den viktorianska kraftstationens brand identifierades eller blockerades inte ett termiskt missbruk som initierats av en av modulerna, och branden som följde avbröts inte heller. Anledningen till att denna situation inträffade är att driftsättning inte krävdes vid den tidpunkten, och systemet stängdes av manuellt, inklusive telemetrisystem, felövervakning och elektrisk felsäker enhet. Dessutom var systemet för Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) inte heller i drift, eftersom det tog 24 timmar att upprätta utrustningsanslutning.

Därför rekommenderas att alla lediga moduler bör ha enheter som aktiv telemetri, felövervakning och elektriska säkerhetsanordningar, istället för att stängas av manuellt via en spärrbrytare. Alla elektriska säkerhetsanordningar bör hållas i aktivt läge. Dessutom bör ytterligare larmsystem läggas till för att identifiera och reagera på olika nödsituationer.

Ett programvaruprogrammeringsfel hittades även i Vistra Moss Landing Power Station Fas 1 och 2, eftersom starttröskeln inte överskreds aktiverades batteriets kylfläns. Samtidigt gör vattenrörets anslutningsfel med läckage av det övre lagret av batteriet vattnet tillgängligt för batterimodulen och orsakar sedan kortslutning. Dessa två exempel visar hur viktigt det är att programmering av programvara/firmware kontrolleras och felsöks innan uppstartsproceduren.

Sammanfattning

Genom analysen av flera brandolyckor i energilagringsstationer bör ventilation och explosionskontroll, korrekt installation och driftsättningsprocedurer, inklusive kontroller av mjukvaruprogrammering, ges hög prioritet, vilket kan förhindra batteriolyckor. Dessutom bör en omfattande beredskapsplan utvecklas för att hantera genereringen av giftiga gaser och ämnen.