Arka plan

Enerji krizi, son birkaç yılda lityum iyon pil enerji depolama sistemlerinin (ESS) daha yaygın olarak kullanılmasını sağladı, ancak aynı zamanda tesislere ve çevreye zarar veren, ekonomik kayıplara ve hatta enerji kaybına yol açan çok sayıda tehlikeli kaza da yaşandı. hayat. Araştırmalar, ESS'nin akü sistemleriyle ilgili UL 9540 ve UL 9540A gibi standartları karşılamasına rağmen termal suistimal ve yangınların meydana geldiğini ortaya çıkardı. Bu nedenle geçmiş vakalardan dersler çıkarmak, riskleri ve bunlara karşı önlemleri analiz etmek ESS teknolojisinin geliştirilmesine fayda sağlayacaktır.

Vaka incelemesi

Aşağıdakiler, 2019'dan bugüne dünya çapında kamuya açıklanan büyük ölçekli ESS kaza vakalarını özetlemektedir.

Yukarıdaki kazaların nedenleri aşağıdaki iki şekilde özetlenebilir:

1) Dahili hücredeki bir arıza, pilin ve modülün termal olarak kötüye kullanılmasına neden olur ve sonunda tüm ESS'nin alev almasına veya patlamasına neden olur.

Hücrenin termal olarak kötüye kullanılmasından kaynaklanan arıza, temel olarak bir yangının ardından bir patlamanın meydana geldiği görülmektedir. Örneğin, 2019'da ABD'nin Arizona kentindeki McMicken elektrik santralinde ve 2021'de Çin'in Pekin kentindeki Fengtai elektrik santralinde meydana gelen kazaların her ikisi de bir yangın sonrasında patladı. Bu tür bir olay, dahili bir kimyasal reaksiyonu tetikleyen, ısıyı serbest bırakan (ekzotermik reaksiyon) tek bir hücrenin arızalanmasından kaynaklanır ve sıcaklık artmaya devam ederek yakındaki hücrelere ve modüllere yayılarak yangına ve hatta patlamaya neden olur. Bir hücrenin arıza moduna genellikle aşırı şarj veya kontrol sistemi arızası, termal maruz kalma, harici kısa devre ve dahili kısa devre (girinti veya göçük, malzeme safsızlıkları, harici nesnelerin nüfuz etmesi vb. gibi çeşitli koşullar neden olabilir) neden olur. ).

Hücrenin termal olarak kötüye kullanılmasından sonra yanıcı gaz üretilecektir. Yukarıdan bakıldığında, ilk üç patlama vakasının aynı nedenden kaynaklandığını, yani yanıcı gazın zamanında boşaltılamadığını fark edebilirsiniz. Bu noktada özellikle batarya, modül ve konteyner havalandırma sistemi önem taşıyor. Genellikle gazlar aküden egzoz valfi yoluyla boşaltılır ve egzoz valfinin basınç düzenlemesi yanıcı gazların birikmesini azaltabilir. Modül aşamasında yanıcı gazların birikmesini önlemek için genellikle harici bir fan veya kabuk soğutma tasarımı kullanılacaktır. Son olarak konteyner aşamasında yanıcı gazların tahliyesi için havalandırma tesisleri ve izleme sistemlerine de ihtiyaç duyulmaktadır.

2) Harici yardımcı sistem arızasından kaynaklanan ESS arızası

Yardımcı sistem arızasından kaynaklanan genel bir ESS arızası genellikle akü sisteminin dışında meydana gelir ve harici bileşenlerden yanma veya duman çıkmasıyla sonuçlanabilir. Sistem zamanında izlendiğinde ve yanıt verdiğinde, hücrenin arızalanmasına veya ısının kötüye kullanılmasına yol açmayacaktır. Vistra Moss Landing Elektrik Santrali Faz 1 2021 ve Faz 2 2022 kazalarında, devreye alma aşamasında arıza izleme ve elektriksel arıza emniyet cihazlarının o sırada kapatılması ve zamanında müdahale edilememesi nedeniyle duman ve yangın oluştu. . Bu tür alevli yanma genellikle pil sisteminin dışından başlar ve sonunda hücrenin içine yayılır, dolayısıyla şiddetli ekzotermik reaksiyon ve yanıcı gaz birikimi olmaz ve dolayısıyla genellikle patlama olmaz. Üstelik sprinkler sistemi zamanında devreye alınabilirse tesise büyük zararlar vermeyecektir.

2021 yılında Avustralya'nın Geelong kentinde meydana gelen "Viktorya Güç İstasyonu" yangın kazası, soğutucu sızıntısının aküde meydana getirdiği kısa devreden kaynaklandı ve bu durum bize akü sisteminin fiziksel izolasyonuna dikkat etmemiz gerektiğini hatırlatıyor. Karşılıklı girişimi önlemek için harici tesisler ile akü sistemi arasında belirli bir mesafe bırakılması tavsiye edilir. Pil sistemi ayrıca harici kısa devreyi önlemek için yalıtım işleviyle donatılmalıdır.

Karşı önlemler

Yukarıdaki analizden, ESS kazalarının nedenlerinin hücrenin termal olarak kötüye kullanılması ve yardımcı sistemin arızalanması olduğu açıktır. Arıza önlenemiyorsa, engelleme arızasından sonra daha fazla bozulmanın azaltılması da kaybı azaltabilir. Karşı önlemler aşağıdaki yönlerden değerlendirilebilir:

Hücrenin termal olarak kötüye kullanılmasından sonra termal yayılmanın engellenmesi

Hücreler arasına, modüller arasına veya raflar arasına yerleştirilebilen hücrenin termal istismarının yayılmasını engellemek için yalıtım bariyeri eklenebilir. NFPA 855 (Sabit Enerji Depolama Sistemlerinin Kurulum Standardı) ekinde de ilgili gereklilikleri bulabilirsiniz. Bariyeri izole etmeye yönelik özel önlemler arasında, hücrelerin arasına soğuk su plakaları, aerojel ve benzerlerinin yerleştirilmesi yer alır.

Tek bir hücrede termal suistimal meydana geldiğinde yangın söndürme cihazını devreye sokacak şekilde hızlı tepki verebilmesi için akü sistemine bir yangın söndürme cihazı eklenebilir. Lityum iyon yangın tehlikelerinin ardındaki kimya, enerji depolama sistemleri için geleneksel yangın söndürme çözümlerinden farklı bir yangın söndürme tasarımına yol açmaktadır; bu, yalnızca yangını söndürmekle kalmayıp aynı zamanda pilin sıcaklığını da düşürmektedir. Aksi halde hücrelerin ekzotermik kimyasal reaksiyonları oluşmaya devam edecek ve yeniden tutuşmayı tetikleyecektir.

Yangın söndürme malzemelerini seçerken de ekstra özen gösterilmesi gerekmektedir. Suyun doğrudan yanan akü muhafazasının üzerine püskürtülmesi durumunda yanıcı bir gaz karışımı oluşabilir. Pil muhafazası veya çerçevesi çelikten yapılmışsa su, termal istismarı engellemez. Bazı durumlarda, akü terminalleriyle temas eden su veya diğer sıvı türlerinin de yangını şiddetlendirebileceği gösterilmektedir. Örneğin, Eylül 2021'de Vistra Moss Landing elektrik santralinde meydana gelen yangın kazasında raporlar, istasyonun soğutma hortumlarının ve boru bağlantılarının arızalandığını, bunun akü raflarına su sıçramasına ve sonuçta akülerin kısa devre yapmasına ve ark yapmasına neden olduğunu gösterdi.

1.Yanıcı gazların zamanında emisyonu

Yukarıdaki vaka raporlarının tümü, patlamaların ana nedeni olarak yanıcı gaz konsantrasyonlarına işaret etmektedir. Bu nedenle saha tasarımı ve yerleşimi, gaz izleme ve havalandırma sistemleri bu riskin azaltılması açısından önemlidir. NFPA 855 standardında sürekli gaz algılama sisteminin gerekli olduğundan bahsedilmektedir. Belirli bir seviyede yanıcı gaz (yani LFL'nin %25'i) tespit edildiğinde sistem egzoz havalandırmasını başlatacaktır. Ayrıca UL 9540A test standardında egzozun toplanması ve LFL gazının alt limitinin tespit edilmesi gerekliliğinden de bahsedilmektedir.

Havalandırmaya ek olarak patlama tahliye panellerinin kullanılması da tavsiye edilir. NFPA 855'te, ESS'lerin NFPA 68 (Yanılma Havalandırması ile Patlamaya Karşı Koruma Standardı) ve NFPA 69 (Patlamaya Karşı Koruma Sistemleri Standartları) uyarınca kurulması ve bakımının yapılması gerektiği belirtilmektedir. Ancak sistem Yangın ve Patlama Testine (UL 9540A veya eşdeğeri) uygun olduğunda bu gereklilikten muaf tutulabilir. Ancak test koşulları gerçek durumu tam olarak yansıtmadığından havalandırma ve patlamaya karşı korumanın iyileştirilmesi tavsiye edilir.

2.Yardımcı sistemlerin arızalarının önlenmesi

Yetersiz yazılım/ürün yazılımı programlaması ve devreye alma/başlatma öncesi prosedürleri de Victoria Elektrik Santrali ve Vistra Moss Landing Elektrik Santrali yangın olaylarına katkıda bulundu. Victoria Elektrik Santrali yangınında, modüllerden birinin başlattığı termal istismar tespit edilememiş veya engellenememiş ve yangının ardından gelen yangın da kesintiye uğramamıştır. Bu durumun yaşanmasının nedeni, o sırada devreye alma işlemine gerek duyulmaması ve telemetri sistemi, arıza izleme ve elektriksel arıza emniyet cihazı dahil olmak üzere sistemin manuel olarak kapatılmasıdır. Ayrıca, Denetleyici Kontrol ve Veri Toplama (SCADA) sistemi de ekipman bağlantısının kurulması 24 saat sürdüğü için henüz operasyonel değildi.

Bu nedenle, herhangi bir boş modülde, bir kilitleme anahtarı aracılığıyla manuel olarak kapatılmak yerine, aktif telemetri, arıza izleme ve elektriksel güvenlik cihazları gibi cihazların bulunması önerilir. Tüm elektriksel güvenlik koruma cihazları aktif modda tutulmalıdır. Ayrıca çeşitli acil durum olaylarını tanımlamak ve bunlara müdahale etmek için ek alarm sistemleri eklenmelidir.

Vistra Moss Landing Güç İstasyonu Aşama 1 ve 2'de de bir yazılım programlama hatası bulundu, başlatma eşiği aşılmadığından pil ısı emicisi etkinleştirildi. Aynı zamanda su borusu konnektörünün arızalanması ve akünün üst katmanının sızması, suyun akü modülüne ulaşmasını sağlar ve ardından kısa devreye neden olur. Bu iki örnek, yazılım/ürün yazılımı programlamasının başlatma prosedüründen önce kontrol edilmesinin ve hata ayıklamasının ne kadar önemli olduğunu göstermektedir.

Özet

Enerji depolama istasyonundaki çeşitli yangın kazalarının analizi yoluyla, akü kazalarını önleyebilecek yazılım programlama kontrolleri de dahil olmak üzere havalandırma ve patlama kontrolüne, uygun kurulum ve devreye alma prosedürlerine yüksek öncelik verilmelidir. Ayrıca zehirli gaz ve maddelerin oluşumuna karşı kapsamlı bir acil müdahale planı geliştirilmelidir.