Tausta

Energiakriisi on lisännyt litiumioniakkujen energiavarastojärjestelmien (ESS) käyttöä viime vuosina, mutta on myös sattunut useita vaarallisia onnettomuuksia, jotka ovat johtaneet tilojen ja ympäristön vahingoittumiseen, taloudellisiin menetyksiin ja jopa energian menetyksiin. elämää. Tutkimuksissa on havaittu, että vaikka ESS on täyttänyt akkujärjestelmiin liittyvät standardit, kuten UL 9540 ja UL 9540A, lämpöä ja tulipaloja on esiintynyt. Siksi aiemmista tapauksista oppiminen ja riskien ja niiden vastatoimien analysointi hyödyttävät ESS-teknologian kehitystä.

Tapausten tarkastelu

Seuraavassa on yhteenveto laajamittaisten ESS-onnettomuuksien tapauksista ympäri maailmaa vuodesta 2019 tähän päivään mennessä, joista on raportoitu julkisesti.

Yllä olevien onnettomuuksien syyt voidaan tiivistää seuraavasti:

1) Sisäisen kennon vika laukaisee akun ja moduulin lämmön väärinkäytön ja lopulta aiheuttaa koko ESS:n syttymisen tai räjähdyksen.

Kennon termisen väärinkäytön aiheuttama vika on periaatteessa havaittu, että tulipalo seuraa räjähdystä. Esimerkiksi McMickenin voimalaitoksen Arizonassa, Yhdysvalloissa vuonna 2019 ja Fengtain voimalaitoksessa Pekingissä, Kiinassa vuonna 2021, räjähti tulipalon jälkeen. Tällainen ilmiö johtuu yksittäisen kennon epäonnistumisesta, joka laukaisee sisäisen kemiallisen reaktion, vapauttaen lämpöä (eksoterminen reaktio), ja lämpötila jatkaa nousuaan ja leviää läheisiin kennoihin ja moduuleihin aiheuttaen tulipalon tai jopa räjähdyksen. Kennon vikatila johtuu yleensä ylilatauksesta tai ohjausjärjestelmän viasta, lämpöaltistumisesta, ulkoisesta oikosulusta ja sisäisestä oikosulusta (jotka voivat johtua erilaisista olosuhteista, kuten painauma tai kolhu, materiaalin epäpuhtaudet, ulkoisten esineiden tunkeutuminen jne. ).

Kennon termisen väärinkäytön jälkeen syntyy palavaa kaasua. Ylhäältä voi huomata, että kolmella ensimmäisellä räjähdystapauksella on sama syy, eli syttyvä kaasu ei pääse purkautumaan ajoissa. Tässä vaiheessa akku, moduuli ja säiliön tuuletusjärjestelmä ovat erityisen tärkeitä. Yleensä kaasut purkautuvat akusta pakoventtiilin kautta, ja pakoventtiilin paineensäätö voi vähentää palavien kaasujen kertymistä. Moduulivaiheessa käytetään yleensä ulkoista tuuletinta tai vaipan jäähdytysrakennetta, jotta vältetään palavien kaasujen kerääntyminen. Lopuksi säiliövaiheessa tarvitaan myös ilmanvaihtolaitteita ja valvontajärjestelmiä palavien kaasujen poistamiseksi.

2) ESS-vika, joka johtuu ulkoisen apujärjestelmän viasta

Apujärjestelmän vian aiheuttama yleinen ESS-vika tapahtuu tyypillisesti akkujärjestelmän ulkopuolella ja voi johtaa palovammaan tai savuun ulkoisista komponenteista. Ja kun järjestelmä tarkkaili sitä ja vastasi siihen ajoissa, se ei johda solun vikaantumiseen tai lämmön väärinkäyttöön. Vistra Moss Landing Power Stationin vaiheen 1 2021 ja vaiheen 2 2022 onnettomuuksissa syntyi savua ja tulipaloa, koska vikavalvonta ja sähköiset vikaturvalaitteet olivat tuolloin pois päältä käyttöönottovaiheen aikana eivätkä pystyneet reagoimaan ajoissa. . Tällainen liekkipoltto alkaa yleensä akkujärjestelmän ulkopuolelta ennen kuin se lopulta leviää kennon sisäpuolelle, joten ei tapahdu rajua eksotermistä reaktiota ja palavien kaasujen kerääntymistä, eikä siis yleensä tapahdu räjähdystä. Lisäksi jos sprinklerijärjestelmä voidaan käynnistää ajoissa, se ei aiheuta suuria vahinkoja laitokselle.

"Victorian Power Station" -paloonnettomuus Geelongissa, Australiassa vuonna 2021 johtui jäähdytysnestevuodon aiheuttamasta oikosulusta akussa, mikä muistuttaa kiinnittämään huomiota akkujärjestelmän fyysiseen eristykseen. On suositeltavaa jättää tietty tila ulkoisten laitteiden ja akkujärjestelmän väliin keskinäisten häiriöiden välttämiseksi. Akkujärjestelmä tulee myös varustaa eristystoiminnolla ulkoisen oikosulun välttämiseksi.

Vastatoimenpiteet

Yllä olevasta analyysistä käy selvästi ilmi, että ESS-onnettomuuksien syyt ovat kennon lämpökäyttö ja apujärjestelmän vika. Jos vikaa ei voida estää, myös estovaurion jälkeisen huononemisen vähentäminen voi vähentää häviötä. Vastatoimia voidaan tarkastella seuraavista näkökohdista:

Lämmön leviämisen estäminen kennon lämmön väärinkäytön jälkeen

Eristyssulku voidaan lisätä estämään kennon lämmön väärinkäytön leviäminen, joka voidaan asentaa kennojen väliin, moduulien väliin tai telineiden väliin. NFPA 855:n (Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems) liitteestä löydät myös siihen liittyvät vaatimukset. Erityisiä toimenpiteitä esteen eristämiseksi ovat kylmävesilevyjen, aerogeelin ja vastaavien asettaminen solujen väliin.

Akkujärjestelmään voidaan lisätä palonsammutuslaite, jotta se voi reagoida nopeasti ja aktivoida palonsammutuslaitteen, kun lämmön väärinkäyttöä tapahtuu yhdessä kennossa. Litiumioni-palovaarojen taustalla oleva kemia johtaa energian varastointijärjestelmien palonsammutusratkaisuihin, jotka eroavat tavanomaisista palontorjuntaratkaisuista, mikä ei tarkoita vain tulipalon sammuttamista, vaan myös akun lämpötilan alentamista. Muuten solujen eksotermiset kemialliset reaktiot jatkuvat ja laukaisevat uudelleen syttymisen.

Erityistä huolellisuutta tarvitaan myös sammutusmateriaalien valinnassa. Jos vettä suihkutetaan suoraan palavan akun kotelon päälle, voi muodostua syttyvä kaasuseos. Ja jos akun kotelo tai runko on terästä, vesi ei estä lämmön väärinkäyttöä. Jotkut tapaukset osoittavat, että vesi tai muun tyyppiset nesteet, jotka ovat kosketuksissa akun napojen kanssa, voivat myös pahentaa tulipaloa. Esimerkiksi Vistra Moss Landingin voimalaitoksen palo-onnettomuudessa syyskuussa 2021 raportit osoittivat, että aseman jäähdytysletkut ja putkiliitokset epäonnistuivat, mikä aiheutti veden roiskumisen akkutelineiden päälle ja lopulta aiheutti akkujen oikosulun ja valokaaren.

1. Palavien kaasujen oikea-aikainen päästö

Kaikki yllä olevat tapausraportit osoittavat, että palavien kaasujen pitoisuudet ovat räjähdysten pääasiallinen syy. Siksi paikan suunnittelu ja layout, kaasunvalvonta ja ilmanvaihtojärjestelmät ovat tärkeitä tämän riskin vähentämiseksi. NFPA 855 -standardissa mainitaan, että jatkuva kaasunilmaisinjärjestelmä vaaditaan. Kun tietty määrä palavaa kaasua (eli 25 % LFL:stä) havaitaan, järjestelmä käynnistää poistoilmanvaihdon. Lisäksi UL 9540A -testistandardissa mainitaan myös vaatimus pakokaasujen keräämisestä ja kaasun LFL:n alarajan havaitsemisesta.

Ilmanvaihdon lisäksi suositellaan myös räjähdyssuojalevyjen käyttöä. NFPA 855:ssä mainitaan, että ESS:t on asennettava ja niitä on ylläpidettävä NFPA 68:n (Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting) ja NFPA 69:n (Standards on Explosion Protection Systems) mukaisesti. Jos järjestelmä kuitenkin täyttää palo- ja räjähdystestin (UL 9540A tai vastaava), se voidaan vapauttaa tästä vaatimuksesta. Koska testausolosuhteet eivät kuitenkaan täysin edusta todellista tilannetta, suositellaan ilmanvaihdon ja räjähdyssuojauksen parantamista.

2. Apujärjestelmien vikojen esto

Puutteellinen ohjelmisto-/laiteohjelmisto-ohjelmointi ja käyttöönotto/käynnistystä edeltävät menettelyt vaikuttivat myös Victorian Power Stationin ja Vistra Moss Landing Power Stationin tulipaloihin. Viktoriaanisessa voimalaitoksen tulipalossa yhden moduulin aiheuttamaa lämpöä ei tunnistettu tai estetty, eikä sitä seurannut paloa myöskään keskeytetty. Syynä tähän tilanteeseen on se, että käyttöönottoa ei tuolloin tarvittu ja järjestelmä sammutettiin käsin, mukaan lukien telemetriajärjestelmä, vikavalvonta ja sähköinen vikaturvalaite. Lisäksi SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) -järjestelmä ei myöskään ollut vielä toiminnassa, sillä laiteyhteyden muodostaminen kesti 24 tuntia.

Siksi on suositeltavaa, että kaikissa joutokäyntimoduuleissa on laitteita, kuten aktiivinen telemetria, vianvalvonta ja sähköiset turvalaitteet, sen sijaan, että ne sammutetaan manuaalisesti lukituskytkimellä. Kaikki sähköturvalliset suojalaitteet tulee pitää aktiivisessa tilassa. Lisäksi tulisi lisätä hälytysjärjestelmiä erilaisten hätätapahtumien tunnistamiseksi ja niihin reagoimiseksi.

Ohjelmistovirhe havaittiin myös Vistra Moss Landing Power Stationin vaiheissa 1 ja 2, koska käynnistyskynnystä ei ylitetty, akun jäähdytyselementti aktivoitui. Samalla vesiputken liittimen vika ja akun ylemmän kerroksen vuotaminen antaa veden saataville akkumoduulille ja aiheuttaa sitten oikosulun. Nämä kaksi esimerkkiä osoittavat, kuinka tärkeää ohjelmiston/laiteohjelmiston ohjelmoinnin tarkistaminen ja virheenkorjaus on ennen käynnistystä.

Yhteenveto

Analyysin avulla useita energiavarastoaseman palo-onnettomuuksia tulee asettaa etusijalle ilmanvaihto ja räjähdysvalvonta, asianmukaiset asennus- ja käyttöönottomenettelyt, mukaan lukien ohjelmistojen ohjelmointitarkistukset, jotka voivat estää akkuonnettomuuksia. Lisäksi olisi laadittava kattava hätätilannesuunnitelma myrkyllisten kaasujen ja aineiden syntymisen käsittelemiseksi.