רקע כללי

משבר האנרגיה הפך את מערכות אחסון האנרגיה של סוללות ליתיום-יון (ESS) לשימוש נרחב יותר בשנים האחרונות, אך היו גם מספר תאונות מסוכנות שגרמו לנזק למתקנים ולסביבה, לאובדן כלכלי ואף לאובדן של חַיִים.חקירות מצאו שלמרות ש-ESS עמדה בתקנים הקשורים למערכות סוללות, כגון UL 9540 ו-UL 9540A, התרחשו התעללות תרמית ושריפות.לכן, הפקת לקחים ממקרי העבר וניתוח הסיכונים ואמצעי הנגד שלהם יועילו לפיתוח טכנולוגיית ESS.

סקירת מקרים

להלן סיכום מקרי תאונות של ESS בקנה מידה גדול ברחבי העולם משנת 2019 ועד היום, אשר דווחו בפומבי.

ניתן לסכם את הגורמים לתאונות לעיל כשתי הבאות:

1) כשל בתא פנימי גורם לניצול תרמי של הסוללה והמודול, ולבסוף גורם ל-ESS כולו להתלקח או להתפוצץ.

הכשל שנגרם על ידי שימוש לרעה תרמית בתא הוא בעצם ציין כי שריפה ואחריה פיצוץ.לדוגמה, תאונות של תחנת הכוח McMicken באריזונה, ארה"ב בשנת 2019 ותחנת הכוח Fengtai בבייג'ינג, סין בשנת 2021, שתיהן התפוצצו לאחר שריפה.תופעה כזו נגרמת כתוצאה מכשל של תא בודד, מה שמעורר תגובה כימית פנימית, משחרר חום (תגובה אקסותרמית), והטמפרטורה ממשיכה לעלות ולהתפשט לתאים ולמודולים סמוכים, ולגרום לשריפה או אפילו לפיצוץ.מצב הכשל של תא נגרם בדרך כלל על ידי טעינת יתר או כשל במערכת הבקרה, חשיפה תרמית, קצר חשמלי חיצוני וקצר חשמלי פנימי (שיכול להיגרם ממצבים שונים כמו חריטה או שקע, זיהומים חומרים, חדירת עצמים חיצוניים וכו'. ).

לאחר ההתעללות התרמית של התא, יווצר גז דליק.מלמעלה אתה יכול להבחין כי שלושת המקרים הראשונים של פיצוץ יש את אותה סיבה, כלומר גז דליק לא יכול לפרוק בזמן.בשלב זה, הסוללה, המודול ומערכת האוורור של המיכל חשובים במיוחד.בדרך כלל יוצאים גזים מהסוללה דרך שסתום הפליטה, וויסות הלחץ של שסתום הפליטה יכול להפחית את הצטברות גזים דליקים.בשלב המודול, בדרך כלל ישמש מאוורר חיצוני או עיצוב קירור של מעטפת כדי למנוע הצטברות של גזים דליקים.לבסוף, בשלב המכולה נדרשים גם מתקני אוורור ומערכות ניטור לפינוי גזים דליקים.

2) כשל ESS שנגרם כתוצאה מכשל מערכת עזר חיצונית

כשל כללי ב-ESS שנגרם כתוצאה מכשל במערכת העזר מתרחש בדרך כלל מחוץ למערכת הסוללה ועלול לגרום לשריפה או לעשן ממרכיבים חיצוניים.וכאשר המערכת ניטרה והגיבה אליו בזמן, זה לא יוביל לכשל של התא או לניצול תרמי.בתאונות של תחנת הכוח ויסטרה מוס נחיתה שלב 1 2021 ושלב 2 2022, נוצר עשן ואש בגלל שניטור התקלות והמכשירים החשמליים המוגנים מפני תקלות כובו באותו זמן בשלב ההפעלה ולא יכלו להגיב בזמן. .שריפת להבה מסוג זה מתחילה בדרך כלל מהחלק החיצוני של מערכת הסוללות לפני שהיא מתפשטת לבסוף אל פנים התא, כך שאין תגובה אקסותרמית אלימה והצטברות גז דליק, ולכן בדרך כלל אין פיצוץ.מה גם שאם ניתן יהיה להפעיל את מערכת הספרינקלרים בזמן, זה לא יגרום נזק רב למתקן.

תאונת השריפה "תחנת הכוח ויקטוריאנית" בג'ילונג, אוסטרליה בשנת 2021 נגרמה מקצר בסוללה שנגרם על ידי דליפת נוזל קירור, מה שמזכיר לנו לשים לב לבידוד הפיזי של מערכת הסוללות.מומלץ לשמור על מרווח מסוים בין מתקנים חיצוניים למערכת הסוללות כדי למנוע הפרעות הדדיות.מערכת הסוללות צריכה להיות מצוידת גם בפונקציית בידוד כדי למנוע קצר חשמלי חיצוני.

אמצעי נגד

מהניתוח לעיל, ברור שהגורמים לתאונות ESS הם התעללות תרמית בתא וכשל של מערכת העזר.אם לא ניתן למנוע את הכשל, אזי הפחתת ההידרדרות הנוספת לאחר כשל החסימה יכולה גם להפחית את ההפסד.ניתן לשקול את אמצעי הנגד מההיבטים הבאים:

חסימת ההתפשטות התרמית לאחר שימוש לרעה תרמית בתא

ניתן להוסיף מחסום בידוד כדי לחסום את התפשטות ההתעללות התרמית של התא, אותו ניתן להתקין בין התאים, בין המודולים או בין המתלים.בנספח של NFPA 855 (תקן להתקנה של מערכות אחסון אנרגיה נייחות), תוכל למצוא גם את הדרישות הקשורות.אמצעים ספציפיים לבידוד המחסום כוללים הכנסת צלחות מים קרים, איירגל ולייקים בין התאים.

ניתן להוסיף מכשיר כיבוי אש למערכת הסוללות כך שיוכל להגיב במהירות להפעלת התקן כיבוי אש כאשר מתרחשת התעללות תרמית בתא בודד.הכימיה שמאחורי סכנות אש ליתיום-יון מובילה לתכנון כיבוי אש שונה עבור מערכות אחסון אנרגיה מאשר פתרונות כיבוי אש קונבנציונליים, שנועד לא רק לכבות את השריפה, אלא גם להפחית את טמפרטורת הסוללה.אחרת, התגובות הכימיות האקסותרמיות של התאים ימשיכו להתרחש ויגרמו להצתה מחדש.

זהירות נוספת נדרשת גם בעת בחירת חומרי כיבוי אש.אם המים מותזים ישירות על מעטפת הסוללה הבוערת עלולים לייצר תערובת גז דליקה.ואם מעטפת הסוללה או המסגרת עשויה מפלדה, מים לא ימנעו שימוש לרעה תרמית.מקרים מסוימים מראים כי מים או סוגים אחרים של נוזלים במגע עם נקודות הסוללה עלולים אף הם להחמיר את השריפה.לדוגמה, בתאונת השריפה של תחנת הכוח Vistra Moss Landing בספטמבר 2021, דיווחים הצביעו על כך שצינורות הקירור וחיבורי הצינור של התחנה כשלו, מה שגרם להתזת מים על מדפי הסוללות ובסופו של דבר גרמו לקצר ולקשת הסוללות.

1. פליטה בזמן של גזים דליקים

כל דיווחי המקרים לעיל מצביעים על ריכוזי גזים דליקים כגורם העיקרי לפיצוצים.לכן, עיצוב ופריסה של האתר, מערכות ניטור גז ואוורור חשובים להפחתת סיכון זה.בתקן NFPA 855 מוזכר כי נדרשת מערכת גילוי גז רציפה.כאשר מתגלה רמה מסוימת של גז דליק (כלומר 25% מ-LFL), המערכת תתחיל אוורור פליטה.בנוסף, תקן הבדיקה UL 9540A מזכיר גם את הדרישה לאסוף פליטה ולגלות את הגבול התחתון של LFL גז.

בנוסף לאוורור, מומלץ להשתמש גם בלוחות סיוע לפיצוץ.מוזכר ב-NFPA 855 כי ESS יש להתקין ולתחזק בהתאם ל-NFPA 68 (סטנדרט על הגנה מפני התפוצצות באמצעות אוורור התפוצצות) ו-NFPA 69 (סטנדרטים על מערכות הגנה מפני פיצוץ).עם זאת, כאשר המערכת עומדת בבדיקת האש והפיצוץ (UL 9540A או שווה ערך), היא יכולה להיות פטורה מדרישה זו.עם זאת, מכיוון שתנאי הבדיקה אינם מייצגים לחלוטין את המצב האמיתי, מומלץ להגביר את ההגנה על אוורור ופיצוץ.

2.מניעת תקלות במערכות עזר

תכנות לקוי של תוכנה/קושחה ונהלי הפעלה/התחלות מוקדמות תרמו גם לאירועי השריפה של תחנת הכוח הוויקטוריאנית ו-Vistra Moss Landing Power Station.בשריפה של תחנת הכוח הוויקטוריאנית, התעללות תרמית שיזם אחד המודולים לא זוהתה או נחסמה, וגם השריפה הבאה לא נקטעה.הסיבה לכך שמצב זה קרה היא שלא נדרשה הפעלה באותו זמן, והמערכת נסגרה ידנית, כולל מערכת טלמטריה, ניטור תקלות והתקן חשמלי חסין תקלות.בנוסף, גם מערכת בקרת הפיקוח ורכישת הנתונים (SCADA) עדיין לא הייתה פעילה, שכן לקח 24 שעות ליצור קישוריות לציוד.

לכן, מומלץ שלכל מודולי סרק יהיו מכשירים כמו טלמטריה פעילה, ניטור תקלות והתקני בטיחות חשמליים, במקום כיבוי ידני באמצעות מתג נעילה.יש לשמור את כל התקני ההגנה החשמליים במצב פעיל.כמו כן, יש להוסיף מערכות אזעקה נוספות לזיהוי ולתגובה לאירועי חירום שונים.

נמצאה שגיאת תכנות תוכנה גם בתחנת הכוח Vistra Moss Landing Power שלבים 1 ו-2, מכיוון שלא חרג מסף ההפעלה, גוף הקירור של הסוללה הופעל.במקביל, כשל במחבר צינור המים עם דליפה של השכבה העליונה של הסוללה הופכים את המים לזמינים למודול הסוללה ואז גורמים לקצר חשמלי.שתי הדוגמאות הללו מראות עד כמה חשוב שתכנות תוכנה/קושחה תיבדק ונפתה באגים לפני הליך ההפעלה.

סיכום

באמצעות ניתוח של מספר תאונות שריפה בתחנות אגירת אנרגיה, יש לתת עדיפות גבוהה לאוורור ובקרת פיצוץ, נהלי התקנה והפעלה נכונים, לרבות בדיקות תכנות תוכנה, שיכולות למנוע תאונות סוללה.בנוסף, יש לפתח תוכנית חירום מקיפה להתמודדות עם יצירת גזים וחומרים רעילים.