Sfondo

Negli ultimi anni la crisi energetica ha reso più diffuso l’utilizzo dei sistemi di accumulo dell’energia tramite batterie agli ioni di litio (ESS), ma si sono verificati anche numerosi incidenti pericolosi con conseguenti danni alle strutture e all’ambiente, perdite economiche e persino perdite di energia. vita. Le indagini hanno rilevato che, anche se gli ESS soddisfacevano gli standard relativi ai sistemi di batterie, come UL 9540 e UL 9540A, si sono verificati abusi termici e incendi. Pertanto, imparare lezioni dai casi passati e analizzare i rischi e le relative contromisure andrà a beneficio dello sviluppo della tecnologia ESS.

Revisione dei casi

Di seguito sono riepilogati i casi di incidenti di ESS su larga scala in tutto il mondo dal 2019 ad oggi, che sono stati segnalati pubblicamente.

Le cause degli incidenti sopra indicati possono essere riassunte nelle seguenti due:

1) Un guasto della cella interna provoca un abuso termico della batteria e del modulo e infine provoca l'incendio o l'esplosione dell'intero ESS.

Il guasto causato dall'abuso termico della cella si osserva sostanzialmente come un incendio seguito da un'esplosione. Ad esempio, gli incidenti della centrale elettrica McMicken in Arizona, USA nel 2019 e della centrale elettrica Fengtai a Pechino, Cina nel 2021, sono entrambi esplosi dopo un incendio. Tale fenomeno è causato dal guasto di una singola cella, che innesca una reazione chimica interna, rilasciando calore (reazione esotermica), e la temperatura continua a salire e diffondersi alle celle e ai moduli vicini, provocando un incendio o addirittura un'esplosione. La modalità di guasto di una cella è generalmente causata da sovraccarico o guasto del sistema di controllo, esposizione termica, cortocircuito esterno e cortocircuito interno (che possono essere causati da varie condizioni come rientranze o ammaccature, impurità del materiale, penetrazione di oggetti esterni, ecc. ).

Dopo l'abuso termico della cella si produrrà gas infiammabile. Dall'alto si può notare che i primi tre casi di esplosione hanno la stessa causa, cioè il gas infiammabile non riesce a scaricarsi tempestivamente. A questo punto sono particolarmente importanti la batteria, il modulo e il sistema di ventilazione del container. Generalmente i gas vengono scaricati dalla batteria attraverso la valvola di scarico e la regolazione della pressione della valvola di scarico può ridurre l'accumulo di gas combustibili. Nella fase del modulo, verrà generalmente utilizzata una ventola esterna o un design di raffreddamento a guscio per evitare l'accumulo di gas combustibili. Infine, nella fase del container, sono necessari anche impianti di ventilazione e sistemi di monitoraggio per evacuare i gas combustibili.

2) Guasto ESS causato da guasto del sistema ausiliario esterno

Un guasto generale dell'ESS causato da un guasto del sistema ausiliario si verifica generalmente all'esterno del sistema batteria e può provocare bruciature o fumo provenienti da componenti esterni. E quando il sistema lo monitora e risponde in modo tempestivo, non si verificherà un guasto della cella o un abuso termico. Negli incidenti della centrale elettrica Vistra Moss Landing Fase 1 2021 e Fase 2 2022, si sono generati fumo e incendi perché il monitoraggio dei guasti e i dispositivi elettrici di sicurezza erano spenti in quel momento durante la fase di messa in servizio e non potevano rispondere in modo tempestivo . Questo tipo di fiamma che brucia di solito inizia dall'esterno del sistema batteria prima di diffondersi infine all'interno della cella, quindi non vi è alcuna violenta reazione esotermica e accumulo di gas combustibile, e quindi solitamente nessuna esplosione. Inoltre, se il sistema di irrigazione può essere attivato in tempo, non causerà danni estesi alla struttura.

L’incendio della “Victorian Power Station” a Geelong, in Australia, nel 2021, è stato causato da un cortocircuito nella batteria causato da una perdita di liquido refrigerante, che ci ricorda di prestare attenzione all’isolamento fisico del sistema batteria. Si consiglia di mantenere un certo spazio tra le strutture esterne e il sistema batteria per evitare interferenze reciproche. Il sistema batteria deve inoltre essere dotato di funzione di isolamento per evitare cortocircuiti esterni.

Contromisure

Dall'analisi di cui sopra risulta chiaro che le cause degli incidenti ESS sono l'abuso termico della cella e il guasto del sistema ausiliario. Se il guasto non può essere prevenuto, anche la riduzione dell’ulteriore deterioramento dopo il guasto del blocco può ridurre la perdita. Le contromisure possono essere considerate dai seguenti aspetti:

Blocco della diffusione termica dopo l'abuso termico della cella

È possibile aggiungere una barriera isolante per bloccare la diffusione dell'abuso termico della cella, che può essere installata tra le celle, tra i moduli o tra i rack. Nell'appendice della NFPA 855 (Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems), si possono trovare anche i relativi requisiti. Misure specifiche per isolare la barriera includono l’inserimento di piastre di acqua fredda, aerogel e simili tra le celle.

È possibile aggiungere un dispositivo antincendio al sistema batteria in modo che possa reagire rapidamente per attivare il dispositivo antincendio quando si verifica un abuso termico in una singola cella. La chimica alla base dei rischi di incendio degli ioni di litio porta a una diversa progettazione di soppressione degli incendi per i sistemi di accumulo di energia rispetto alle soluzioni antincendio convenzionali, che non mira solo a estinguere l'incendio, ma anche a ridurre la temperatura della batteria. Altrimenti, le reazioni chimiche esotermiche delle cellule continueranno a verificarsi e innescheranno una riaccensione.

È inoltre necessario prestare particolare attenzione nella scelta dei materiali estinguenti. Se l'acqua viene spruzzata direttamente sull'involucro della batteria in fiamme potrebbe produrre una miscela di gas infiammabile. E se l’involucro o il telaio della batteria sono in acciaio, l’acqua non impedirà l’abuso termico. Alcuni casi mostrano che anche l'acqua o altri tipi di liquidi a contatto con i terminali della batteria possono aggravare l'incendio. Ad esempio, nell'incidente dell'incendio della centrale elettrica di Vistra Moss Landing nel settembre 2021, i rapporti hanno indicato che i tubi di raffreddamento e i giunti dei tubi della stazione si sono guastati, causando spruzzi d'acqua sui rack delle batterie e, infine, causando il cortocircuito e l'arco delle batterie.

1. Emissione tempestiva di gas combustibili

Tutti i casi riportati sopra indicano le concentrazioni di gas combustibili come la causa principale delle esplosioni. Pertanto, la progettazione e il layout del sito, il monitoraggio del gas e i sistemi di ventilazione sono importanti per ridurre questo rischio. Nello standard NFPA 855 si menziona la necessità di un sistema di rilevamento continuo del gas. Quando viene rilevato un certo livello di gas combustibile (ovvero il 25% del LFL), il sistema avvierà la ventilazione di scarico. Inoltre, lo standard di test UL 9540A menziona anche l'obbligo di raccogliere i gas di scarico e rilevare il limite inferiore del gas LFL.

Oltre allo sfogo, si consiglia anche l'uso di pannelli antideflagranti. Nella norma NFPA 855 viene menzionato che gli ESS devono essere installati e mantenuti in conformità con la norma NFPA 68 (standard sulla protezione contro le esplosioni mediante sfiato antideflagrante) e con la NFPA 69 (standard sui sistemi di protezione contro le esplosioni). Tuttavia, quando il sistema è conforme al test antincendio ed esplosione (UL 9540A o equivalente), può essere esentato da questo requisito. Tuttavia, poiché le condizioni del test non sono pienamente rappresentative della situazione reale, si raccomanda di migliorare la ventilazione e la protezione contro le esplosioni.

2.Prevenzione dei guasti dei sistemi ausiliari

Anche la programmazione inadeguata del software/firmware e le procedure di messa in servizio/preavvio hanno contribuito agli incidenti di incendio della centrale elettrica di Victorian e della centrale elettrica di Vistra Moss Landing. Nell'incendio della centrale elettrica del Victoria, un abuso termico avviato da uno dei moduli non è stato identificato o bloccato, e nemmeno l'incendio successivo è stato interrotto. Il motivo per cui si è verificata questa situazione è che in quel momento non era necessaria la messa in servizio e il sistema, compreso il sistema di telemetria, il monitoraggio dei guasti e il dispositivo di sicurezza elettrica, è stato spento manualmente. Inoltre, anche il sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) non era ancora operativo, poiché sono state necessarie 24 ore per stabilire la connettività delle apparecchiature.

Pertanto, si consiglia che tutti i moduli inattivi dispongano di dispositivi come telemetria attiva, monitoraggio dei guasti e dispositivi di sicurezza elettrica, anziché essere spenti manualmente tramite un interruttore di blocco. Tutti i dispositivi di protezione elettrica di sicurezza devono essere mantenuti in modalità attiva. Inoltre, dovrebbero essere aggiunti ulteriori sistemi di allarme per identificare e rispondere a vari eventi di emergenza.

Un errore di programmazione del software è stato riscontrato anche nella centrale elettrica Vistra Moss Landing Fase 1 e 2, poiché la soglia di avvio non è stata superata, il dissipatore di calore della batteria è stato attivato. Allo stesso tempo, il guasto del connettore del tubo dell'acqua con la perdita dello strato superiore della batteria rende l'acqua disponibile al modulo batteria e quindi causa un cortocircuito. Questi due esempi mostrano quanto sia importante che la programmazione del software/firmware venga controllata e sottoposta a debug prima della procedura di avvio.

Riepilogo

Attraverso l'analisi di numerosi incendi avvenuti nelle stazioni di stoccaggio dell'energia, dovrebbe essere data alta priorità alla ventilazione e al controllo delle esplosioni, alle corrette procedure di installazione e messa in servizio, compresi i controlli di programmazione del software, che possono prevenire incidenti con le batterie. Inoltre, dovrebbe essere sviluppato un piano completo di risposta alle emergenze per far fronte alla generazione di gas e sostanze tossiche.