Background

Dahil sa krisis sa enerhiya, mas malawak na ginagamit ang mga lithium-ion battery energy storage system (ESS) sa nakalipas na ilang taon, ngunit mayroon ding ilang mapanganib na aksidente na nagreresulta sa pinsala sa mga pasilidad at kapaligiran, pagkawala ng ekonomiya, at maging ng pagkawala ng buhay. Nalaman ng mga pagsisiyasat na kahit na naabot ng ESS ang mga pamantayang nauugnay sa mga sistema ng baterya, gaya ng UL 9540 at UL 9540A, naganap ang thermal abuse at sunog. Samakatuwid, ang pag-aaral ng mga aral mula sa mga nakaraang kaso at pag-aaral ng mga panganib at ang kanilang mga countermeasure ay makikinabang sa pagpapaunlad ng teknolohiya ng ESS.

Pagsusuri ng mga kaso

Ang sumusunod ay nagbubuod ng mga kaso ng aksidente ng malakihang ESS sa buong mundo mula 2019 hanggang sa kasalukuyan, na iniulat sa publiko.

Ang mga sanhi ng mga aksidente sa itaas ay maaaring buod bilang ang sumusunod na dalawa:

1) Ang pagkabigo ng panloob na cell ay nag-trigger ng thermal abuse ng baterya at module, at sa wakas ay nagiging sanhi ng sunog o pagsabog ng buong ESS.

Ang kabiguan na dulot ng thermal abuse ng cell ay karaniwang sinusunod na isang apoy na sinusundan ng isang pagsabog. Halimbawa, ang mga aksidente ng McMicken power station sa Arizona, USA noong 2019 at ang Fengtai power station sa Beijing, China noong 2021 ay parehong sumabog pagkatapos ng sunog. Ang ganitong kababalaghan ay sanhi ng pagkabigo ng isang cell, na nag-trigger ng isang panloob na reaksyon ng kemikal, naglalabas ng init (exothermic reaction), at ang temperatura ay patuloy na tumataas at kumakalat sa mga kalapit na mga cell at module, na nagiging sanhi ng sunog o kahit isang pagsabog. Ang failure mode ng isang cell ay karaniwang sanhi ng overcharge o control system failure, thermal exposure, external short circuit at internal short circuit (na maaaring sanhi ng iba't ibang kundisyon gaya ng indentation o dent, material impurities, penetration ng mga panlabas na bagay, atbp. ).

Pagkatapos ng thermal abuse ng cell, gagawa ng nasusunog na gas. Mula sa itaas maaari mong mapansin na ang unang tatlong mga kaso ng pagsabog ay may parehong dahilan, iyon ay, ang nasusunog na gas ay hindi maaaring maglabas sa oras. Sa puntong ito, ang baterya, ang module at ang container ventilation system ay partikular na mahalaga. Sa pangkalahatan, ang mga gas ay pinalalabas mula sa baterya sa pamamagitan ng exhaust valve, at ang pressure regulation ng exhaust valve ay maaaring mabawasan ang akumulasyon ng mga nasusunog na gas. Sa yugto ng module, karaniwang isang panlabas na bentilador o disenyo ng paglamig ng shell ang gagamitin upang maiwasan ang akumulasyon ng mga nasusunog na gas. Sa wakas, sa yugto ng lalagyan, ang mga pasilidad ng bentilasyon at mga sistema ng pagsubaybay ay kinakailangan din upang ilikas ang mga nasusunog na gas.

2) pagkabigo ng ESS na sanhi ng pagkabigo ng panlabas na auxiliary system

Ang pangkalahatang pagkabigo ng ESS na sanhi ng pagkabigo ng auxiliary system ay karaniwang nangyayari sa labas ng system ng baterya at maaaring magresulta sa pagkasunog o usok mula sa mga panlabas na bahagi. At kapag sinusubaybayan at tinugon ito ng system sa isang napapanahong paraan, hindi ito hahantong sa pagkabigo ng cell o thermal abuse. Sa mga aksidente ng Vistra Moss Landing Power station Phase 1 2021 at Phase 2 2022, nalikha ang usok at apoy dahil naka-off ang fault monitoring at mga electrical fail-safe na device sa oras na iyon sa yugto ng pag-commissioning at hindi makatugon sa napapanahong paraan . Ang ganitong uri ng pag-aapoy ng apoy ay karaniwang nagsisimula mula sa labas ng sistema ng baterya bago ito tuluyang kumalat sa loob ng cell, kaya walang marahas na exothermic reaction at nasusunog na gas accumulation, at sa gayon ay karaniwang walang pagsabog. Higit pa rito, kung ang sistema ng pandilig ay maaaring i-on sa oras, hindi ito magdudulot ng malawak na pinsala sa pasilidad.

Ang aksidente sa sunog sa "Victorian Power Station" sa Geelong, Australia noong 2021 ay sanhi ng short circuit sa baterya na sanhi ng pagtagas ng coolant, na nagpapaalala sa atin na bigyang pansin ang pisikal na paghihiwalay ng sistema ng baterya. Inirerekomenda na panatilihin ang isang tiyak na puwang sa pagitan ng mga panlabas na pasilidad at ang sistema ng baterya upang maiwasan ang panghihimasok sa isa't isa. Ang sistema ng baterya ay dapat ding nilagyan ng insulation function upang maiwasan ang panlabas na short circuit.

Countermeasures

Mula sa pagsusuri sa itaas, malinaw na ang mga sanhi ng mga aksidente sa ESS ay ang thermal abuse ng cell at ang pagkabigo ng auxiliary system. Kung hindi mapipigilan ang kabiguan, ang pagbabawas ng karagdagang pagkasira pagkatapos ng pagkabigo sa pagharang ay maaari ring mabawasan ang pagkawala. Ang mga countermeasure ay maaaring isaalang-alang mula sa mga sumusunod na aspeto:

Hinaharang ang thermal spread pagkatapos ng thermal abuse ng cell

Maaaring idagdag ang insulation barrier upang harangan ang pagkalat ng thermal abuse ng cell, na maaaring i-install sa pagitan ng mga cell, sa pagitan ng mga module o sa pagitan ng mga rack. Sa appendix ng NFPA 855 (Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems), mahahanap mo rin ang mga kaugnay na kinakailangan. Ang mga partikular na hakbang upang ihiwalay ang hadlang ay ang pagpasok ng mga plato ng malamig na tubig, airgel at mga gusto sa pagitan ng mga cell.

Maaaring magdagdag ng fire suppression device sa sistema ng baterya upang mabilis itong makapag-react para i-activate ang fire suppression device kapag naganap ang thermal abuse sa isang cell. Ang kimika sa likod ng mga panganib sa sunog ng lithium-ion ay humahantong sa ibang disenyo ng pagsugpo sa sunog para sa mga sistema ng pag-iimbak ng enerhiya kaysa sa mga nakasanayang solusyon sa sunog, na hindi lamang upang patayin ang apoy, kundi pati na rin upang bawasan ang temperatura ng baterya. Kung hindi, ang mga exothermic na kemikal na reaksyon ng mga cell ay patuloy na magaganap at mag-trigger ng muling pag-aapoy.

Kailangan din ang dagdag na pag-iingat kapag pumipili ng mga materyales sa pamatay ng apoy. Kung ang tubig ay direktang i-spray sa nasusunog na pambalot ng baterya ay maaaring makabuo ng nasusunog na halo ng gas. At kung ang casing o frame ng baterya ay gawa sa bakal, hindi mapipigilan ng tubig ang thermal abuse. Ang ilang mga kaso ay nagpapakita na ang tubig o iba pang mga uri ng likido na nakakadikit sa mga terminal ng baterya ay maaari ding magpalala ng apoy. Halimbawa, sa aksidente sa sunog ng Vistra Moss Landing power station noong Setyembre 2021, ipinahiwatig ng mga ulat na nabigo ang mga cooling hose at pipe joint ng istasyon, na nagdulot ng pag-spray ng tubig sa mga rack ng baterya at sa huli ay naging sanhi ng short circuit at arc ang mga baterya.

1. Napapanahong paglabas ng mga nasusunog na gas

Ang lahat ng mga ulat ng kaso sa itaas ay tumutukoy sa mga konsentrasyon ng mga nasusunog na gas bilang pangunahing sanhi ng mga pagsabog. Samakatuwid, ang disenyo at layout ng site, pagsubaybay sa gas at mga sistema ng bentilasyon ay mahalaga para mabawasan ang panganib na ito. Sa NFPA 855 standard mayroong nabanggit na ang isang tuluy-tuloy na sistema ng pagtuklas ng gas ay kinakailangan. Kapag ang isang tiyak na antas ng nasusunog na gas (ibig sabihin, 25% ng LFL) ay nakita, ang sistema ay magsisimula ng maubos na bentilasyon. Bilang karagdagan, binabanggit din ng UL 9540A test standard ang pangangailangan upang mangolekta ng tambutso at makita ang mas mababang limitasyon ng gas LFL.

Bilang karagdagan sa pagpapalabas ng hangin, inirerekomenda din ang paggamit ng mga explosion relief panel. Nabanggit sa NFPA 855 na ang mga ESS ay dapat i-install at papanatilihin alinsunod sa NFPA 68 (Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting) at NFPA 69 (Standards on Explosion Protection Systems). Gayunpaman, kapag sumunod ang system sa Fire and Explosion Test (UL 9540A o katumbas), maaari itong maging exempt sa kinakailangang ito. Gayunpaman, dahil ang mga kondisyon ng pagsubok ay hindi ganap na kumakatawan sa totoong sitwasyon, inirerekomenda ang pagpapahusay ng bentilasyon at proteksyon ng pagsabog.

2. Pag-iwas sa pagkabigo ng mga auxiliary system

Ang hindi sapat na software/firmware programming at commissioning/pre-start procedures ay nag-ambag din sa mga insidente ng sunog sa Victorian Power Station at Vistra Moss Landing Power Station. Sa sunog sa Victorian Power Station, hindi natukoy o na-block ang isang thermal abuse na pinasimulan ng isa sa mga module, at hindi rin naputol ang sumunod na sunog. Ang dahilan kung bakit nangyari ang sitwasyong ito ay ang pag-commissioning ay hindi kinakailangan sa panahong iyon, at ang system ay manu-manong isinara, kabilang ang telemetry system, fault monitoring at electrical fail-safe na device. Bilang karagdagan, ang Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) system ay hindi pa rin gumagana, dahil tumagal ng 24 na oras upang maitaguyod ang pagkakakonekta ng kagamitan.

Samakatuwid, inirerekomenda na ang anumang mga idle na module ay dapat magkaroon ng mga device tulad ng aktibong telemetry, fault monitoring at electrical safety device, sa halip na manu-manong isara sa pamamagitan ng lock-out switch. Ang lahat ng mga de-koryenteng kagamitan sa proteksyon sa kaligtasan ay dapat panatilihing nasa active mode. Bilang karagdagan, ang mga karagdagang sistema ng alarma ay dapat idagdag upang matukoy at tumugon sa iba't ibang mga emergency na kaganapan.

May nakita ring error sa software programming sa Vistra Moss Landing Power station Phases 1 at 2, dahil hindi nalampasan ang start-up threshold, na-activate ang heat sink ng baterya. Kasabay nito, ang pagkabigo ng water pipe connector na may pagtagas sa itaas na layer ng baterya ay ginagawang available ang tubig sa module ng baterya at pagkatapos ay nagiging sanhi ng short circuit. Ipinapakita ng dalawang halimbawang ito kung gaano kahalaga para sa software/firmware programming na suriin at i-debug bago ang pamamaraan ng pagsisimula.

Buod

Sa pamamagitan ng pagsusuri ng ilang mga aksidente sa sunog sa istasyon ng imbakan ng enerhiya, ang mataas na priyoridad ay dapat ibigay sa bentilasyon at kontrol ng pagsabog, wastong pag-install at mga pamamaraan ng pag-commissioning, kabilang ang mga pagsusuri sa software programming, na maaaring maiwasan ang mga aksidente sa baterya. Bilang karagdagan, ang isang komprehensibong plano sa pagtugon sa emerhensiya ay dapat na binuo upang harapin ang pagbuo ng mga nakakalason na gas at mga sangkap.