پس زمینه

بحران انرژی در چند سال گذشته سیستم‌های ذخیره انرژی باتری لیتیوم یونی (ESS) را به طور گسترده‌تری مورد استفاده قرار داده است، اما همچنین تعدادی از حوادث خطرناک منجر به آسیب به تاسیسات و محیط زیست، ضرر اقتصادی و حتی از دست دادن زندگی تحقیقات نشان داده است که حتی اگر ESS استانداردهای مربوط به سیستم های باتری مانند UL 9540 و UL 9540A را رعایت کرده است، سوء استفاده حرارتی و آتش سوزی رخ داده است. بنابراین، عبرت گرفتن از موارد گذشته و تجزیه و تحلیل خطرات و اقدامات متقابل آنها، برای توسعه فناوری ESS مفید خواهد بود.

بررسی پرونده ها

موارد زیر خلاصه ای از موارد تصادف ESS در مقیاس بزرگ در سراسر جهان از سال 2019 تا به امروز است که به طور عمومی گزارش شده است.

علل حوادث فوق را می توان به دو مورد زیر خلاصه کرد:

1) خرابی سلول داخلی باعث سوء استفاده حرارتی از باتری و ماژول می شود و در نهایت باعث می شود کل ESS آتش بگیرد یا منفجر شود.

شکست ناشی از سوء استفاده حرارتی از سلول اساساً مشاهده می شود که یک آتش سوزی به دنبال آن یک انفجار است. به عنوان مثال، حوادث نیروگاه مک میکن در آریزونا، ایالات متحده آمریکا در سال 2019 و نیروگاه فنگتای در پکن، چین در سال 2021 هر دو پس از آتش سوزی منفجر شدند. چنین پدیده ای در اثر شکست یک سلول منفرد ایجاد می شود که باعث واکنش شیمیایی داخلی می شود و گرما آزاد می شود (واکنش گرمازا) و دما همچنان به افزایش می یابد و به سلول ها و ماژول های مجاور سرایت می کند و باعث آتش سوزی یا حتی انفجار می شود. حالت خرابی یک سلول عموماً ناشی از شارژ بیش از حد یا خرابی سیستم کنترل، قرار گرفتن در معرض حرارت، اتصال کوتاه خارجی و اتصال کوتاه داخلی (که می تواند در اثر شرایط مختلف مانند فرورفتگی یا فرورفتگی، ناخالصی های مواد، نفوذ اجسام خارجی و غیره ایجاد شود) ایجاد می شود. ).

پس از سوء استفاده حرارتی از سلول، گاز قابل اشتعال تولید خواهد شد. از بالا می توانید متوجه شوید که سه مورد اول انفجار یک علت دارند، یعنی گاز قابل اشتعال نمی تواند به موقع تخلیه شود. در این مرحله باتری، ماژول و سیستم تهویه کانتینر اهمیت ویژه ای دارند. به طور کلی گازها از طریق دریچه اگزوز از باتری تخلیه می شوند و تنظیم فشار دریچه اگزوز می تواند تجمع گازهای قابل احتراق را کاهش دهد. در مرحله ماژول، به طور کلی از یک فن خارجی یا یک طراحی خنک کننده پوسته برای جلوگیری از تجمع گازهای قابل احتراق استفاده می شود. در نهایت، در مرحله کانتینری، تاسیسات تهویه و سیستم های نظارتی نیز برای تخلیه گازهای قابل احتراق مورد نیاز است.

2) خرابی ESS ناشی از خرابی سیستم کمکی خارجی

خرابی کلی ESS ناشی از خرابی سیستم کمکی معمولاً در خارج از سیستم باتری رخ می دهد و ممکن است منجر به سوختن یا دود ناشی از قطعات خارجی شود. و هنگامی که سیستم به موقع آن را تحت نظر گرفته و به آن پاسخ دهد، منجر به خرابی سلول یا سوء استفاده حرارتی نخواهد شد. در تصادفات نیروگاه ویسترا ماس لندینگ فاز 1 2021 و فاز 2 2022، دود و آتش سوزی ایجاد شد زیرا دستگاه های مانیتورینگ خطا و ایمن برق در آن زمان در مرحله راه اندازی خاموش شدند و نتوانستند به موقع پاسخ دهند. . این نوع شعله سوزی معمولاً از بیرون سیستم باتری شروع می شود قبل از اینکه در نهایت به داخل سلول گسترش یابد، بنابراین هیچ واکنش شدید گرمازا و تجمع گاز قابل احتراق وجود ندارد و بنابراین معمولاً هیچ انفجاری وجود ندارد. علاوه بر این، اگر سیستم اسپرینکلر را بتوان به موقع روشن کرد، آسیب زیادی به تاسیسات وارد نخواهد کرد.

حادثه آتش‌سوزی «ایستگاه برق ویکتوریا» در جیلونگ استرالیا در سال 2021 به دلیل اتصال کوتاه باتری ناشی از نشت مایع خنک‌کننده رخ داد که ما را یادآوری می‌کند که به انزوای فیزیکی سیستم باتری توجه کنیم. توصیه می شود برای جلوگیری از تداخل متقابل، فضای مشخصی بین تجهیزات خارجی و سیستم باتری حفظ شود. سیستم باتری همچنین باید به عملکرد عایق مجهز باشد تا از اتصال کوتاه خارجی جلوگیری شود.

اقدامات متقابل

از تجزیه و تحلیل بالا مشخص می شود که علل حوادث ESS سوء استفاده حرارتی سلول و خرابی سیستم کمکی است. اگر نتوان از خرابی جلوگیری کرد، کاهش زوال بیشتر پس از شکست مسدود کردن نیز می‌تواند تلفات را کاهش دهد. اقدامات متقابل را می توان از جنبه های زیر در نظر گرفت:

مسدود کردن گسترش حرارتی پس از سوء استفاده حرارتی از سلول

می توان برای جلوگیری از گسترش سوء استفاده حرارتی سلول، مانع عایق اضافه کرد که می تواند بین سلول ها، بین ماژول ها یا بین قفسه ها نصب شود. در پیوست NFPA 855 (استاندارد نصب سیستم‌های ذخیره انرژی ثابت)، می‌توانید الزامات مربوطه را نیز بیابید. اقدامات خاص برای جداسازی مانع شامل قرار دادن صفحات آب سرد، ایروژل و موارد مشابه بین سلول ها است.

یک دستگاه اطفاء حریق را می توان به سیستم باتری اضافه کرد تا در صورت وقوع سوء استفاده حرارتی در یک سلول واحد، بتواند به سرعت واکنش نشان دهد و دستگاه اطفاء حریق را فعال کند. شیمی پشت خطرات آتش سوزی لیتیوم یون منجر به طراحی متفاوت اطفاء حریق برای سیستم های ذخیره انرژی نسبت به راه حل های معمولی آتش نشانی می شود که نه تنها برای خاموش کردن آتش، بلکه برای کاهش دمای باتری نیز می باشد. در غیر این صورت، واکنش های شیمیایی گرمازا سلول ها ادامه خواهد داشت و باعث احتراق مجدد می شود.

هنگام انتخاب مواد اطفاء حریق نیز دقت بیشتری لازم است. اگر آب به طور مستقیم روی محفظه باتری در حال سوختن پاشیده شود، ممکن است مخلوط گاز قابل اشتعال ایجاد شود. و اگر بدنه یا قاب باتری از فولاد ساخته شده باشد، آب از سوء استفاده حرارتی جلوگیری نمی کند. برخی موارد نشان می دهد که آب یا انواع دیگر مایعات در تماس با پایانه های باتری نیز ممکن است آتش را تشدید کند. به عنوان مثال، در حادثه آتش‌سوزی نیروگاه Vistra Moss Landing در سپتامبر 2021، گزارش‌ها حاکی از آن بود که شلنگ‌های خنک‌کننده و اتصالات لوله‌های ایستگاه از کار افتاده و باعث پاشیدن آب روی قفسه‌های باتری و در نهایت باعث اتصال کوتاه و قوس شدن باتری‌ها می‌شود.

1. انتشار به موقع گازهای قابل احتراق

همه گزارش‌های موردی بالا به غلظت گازهای قابل احتراق به عنوان عامل اصلی انفجار اشاره می‌کنند. بنابراین طراحی و چیدمان سایت، سیستم های نظارت بر گاز و تهویه برای کاهش این خطر مهم هستند. در استاندارد NFPA 855 ذکر شده است که یک سیستم تشخیص گاز مداوم مورد نیاز است. هنگامی که سطح معینی از گاز قابل احتراق (یعنی 25٪ LFL) تشخیص داده شود، سیستم تهویه خروجی را شروع می کند. علاوه بر این، استاندارد تست UL 9540A همچنین به جمع آوری اگزوز و تشخیص حد پایین LFL گاز اشاره می کند.

علاوه بر هواگیری، استفاده از پانل های ضد انفجار نیز توصیه می شود. در NFPA 855 ذکر شده است که ESSها باید مطابق با NFPA 68 (استاندارد محافظت در برابر انفجار با تهویه ضد انفجار) و NFPA 69 (استانداردهای سیستم های حفاظت از انفجار) نصب و نگهداری شوند. با این حال، زمانی که سیستم با تست آتش سوزی و انفجار (UL 9540A یا معادل آن) مطابقت داشته باشد، می تواند از این الزام معاف باشد. با این حال، از آنجایی که شرایط آزمایش به طور کامل نشان دهنده وضعیت واقعی نیست، افزایش تهویه و حفاظت در برابر انفجار توصیه می شود.

2. جلوگیری از خرابی سیستم های کمکی

برنامه‌نویسی ناکافی نرم‌افزار/سیستم‌افزار و رویه‌های راه‌اندازی/پیش‌شروع نیز در حوادث آتش‌سوزی نیروگاه ویکتوریا و نیروگاه فرود Vistra Moss نقش داشته است. در آتش سوزی نیروگاه ویکتوریا، سوء استفاده حرارتی که توسط یکی از ماژول ها آغاز شده بود شناسایی یا مسدود نشد و آتش سوزی پس از آن نیز قطع نشد. دلیل وقوع این وضعیت این است که در آن زمان نیازی به راه اندازی نبود و سیستم به صورت دستی از جمله سیستم تله متری، نظارت بر خطا و دستگاه ایمن الکتریکی خاموش شد. علاوه بر این، سیستم کنترل نظارت و جمع آوری داده ها (SCADA) نیز هنوز عملیاتی نشده بود، زیرا 24 ساعت طول کشید تا اتصال تجهیزات برقرار شود.

بنابراین، توصیه می‌شود که هر ماژول غیرفعال باید دارای دستگاه‌هایی مانند تله‌متری فعال، نظارت بر خطا و دستگاه‌های ایمنی الکتریکی باشد، نه اینکه به‌طور دستی از طریق کلید قفل خاموش شوند. تمام وسایل حفاظت ایمنی الکتریکی باید در حالت فعال نگه داشته شوند. علاوه بر این، سیستم های هشدار اضافی باید برای شناسایی و پاسخگویی به حوادث مختلف اضطراری اضافه شود.

یک خطای برنامه‌نویسی نرم‌افزاری نیز در فاز 1 و 2 نیروگاه فرود Vistra Moss مشاهده شد، زیرا از آستانه راه‌اندازی فراتر نرفته بود، سینک حرارتی باتری فعال شد. در عین حال، خرابی رابط لوله آب با نشت لایه بالایی باتری، آب را در دسترس ماژول باتری قرار می دهد و سپس باعث اتصال کوتاه می شود. این دو مثال نشان می‌دهند که چقدر مهم است که برنامه‌نویسی نرم‌افزار/سیستم‌افزار قبل از شروع راه‌اندازی بررسی و اشکال‌زدایی شود.

خلاصه

از طریق تجزیه و تحلیل چندین حادثه آتش سوزی در ایستگاه ذخیره انرژی، اولویت بالایی باید به تهویه و کنترل انفجار، نصب و راه اندازی مناسب، از جمله بررسی های برنامه نویسی نرم افزار داده شود که می تواند از حوادث باتری جلوگیری کند. علاوه بر این، یک طرح جامع واکنش اضطراری باید برای مقابله با تولید گازها و مواد سمی ایجاد شود.