Μετρώντας τους κινδύνους των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας ιόντων λιθίου (BESS)
Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας (BESS) χρησιμοποιούν μια διάταξη μπαταριών και άλλων ηλεκτρικών συσκευών για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτές οι εγκαταστάσεις χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε εφαρμογές οικιακών, εμπορικών, βιομηχανικών και χρησιμότητας για υποστήριξη κορυφής ή δικτύου, που κυμαίνονται από μεγάλες υπαίθριες και εσωτερικές τοποθεσίες (π.χ. κτίρια τύπου αποθήκης) έως αρθρωτά συστήματα. Τα συστήματα με εμπορευματοκιβώτια, μια μορφή αρθρωτού σχεδιασμού, έχουν γίνει ένα δημοφιλές μέσο για την αποτελεσματική ενσωμάτωση των έργων BESS.
Λόγω των γρήγορων χρόνων απόκρισης τους, τα BESS Li-Ion μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σταθεροποίηση του δικτύου, τη ρύθμιση της συχνότητας του δικτύου, την παροχή ισχύος έκτακτης ανάγκης ή των υπηρεσιών κορυφής βιομηχανικής κλίμακας και τη μείωση του κόστους ισχύος για τους τελικούς χρήστες. Ωστόσο, οι κύκλοι υψηλής ισχύος και γρήγορης φόρτισης μπορούν να τονίσουν τις μπαταρίες και να τους προκαλέσουν να υποβαθμιστούν με την πάροδο του χρόνου, γεγονός που δεν ευνοεί την ασφάλεια.
Τα τελευταία τέσσερα χρόνια, πάνω από τρεις δωδεκάδες συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας έχουν αποτύχει σε όλο τον κόσμο, προκαλώντας πυρκαγιές και, σε ορισμένες περιπτώσεις, εκρήξεις. Με τα θέματα αυτά, οι επαγγελματίες και οι αρχές πρέπει να αναπτύξουν και να εφαρμόσουν στρατηγικές για την πρόληψη και την άμβλυνση των κινδύνων πυρκαγιάς και έκρηξης BESS.
Τα μέτρα πρόληψης και μετριασμού θα πρέπει να αντιμετωπίζουν τη θερμική διαφυγή, η οποία είναι μακράν ο πιο σοβαρός τρόπος αποτυχίας BESS. Εάν η θερμική διαφυγή δεν μπορεί να σταματήσει, οι πιο σοβαρές συνέπειες είναι η πυρκαγιά και η έκρηξη.
Η θερμική διαφυγή στα κύτταρα της μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι ουσιαστικά η κύρια αιτία πυρκαγιάς ή έκρηξης στο BESS Li-Ion. Σε μια ποικιλία καταστάσεων που οδηγούν σε βραχυκυκλώματα, οι μπαταρίες μπορούν να υποβληθούν σε θερμική διαφυγή, στις οποίες η αποθηκευμένη χημική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα. Εάν η διαδικασία δεν μπορεί να κρυώσει επαρκώς, οι θερμοκρασίες μπορούν να αυξηθούν, γεγονός που μπορεί να επιδεινώσει την αντίδραση, οδηγώντας σε ρήξη μπαταρίας και απελευθέρωση εύφλεκτων και τοξικών αερίων. Τα πιο συνηθισμένα συμβάντα ενεργοποίησης για θερμική διαφυγή περιλαμβάνουν:
Ελαττία κατασκευής μπαταριών
Υπερφόρτιση (π.χ. αποτυχία μετατροπέα)
Υπερθέρμανση (π.χ. κακή ικανότητα ψύξης ή αποτυχία συστήματος ψύξης)
Μηχανική κατάχρηση (π.χ. σεισμικά συμβάντα ή επιπτώσεις)
Σύστημα διαχείρισης μπαταριών ως εμπόδιο στη θερμική διαφυγή
Ένα από τα σημαντικότερα εμπόδια σε ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας είναι το σύστημα διαχείρισης μπαταριών (BMS), το οποίο παρέχει πρωτογενή θερμική προστασία από τη θερμοκρασία εξασφαλίζοντας ότι το σύστημα μπαταρίας λειτουργεί εντός ασφαλών παραμέτρων (π.χ. κατάσταση φόρτισης, θερμοκρασίας). Σε μια πιστοποιημένη BESS UL 9540, το BMS παρακολουθεί, ελέγχει και βελτιστοποιεί την απόδοση της μονάδας μπαταρίας και την αποσυνδέει από το σύστημα σε περίπτωση μη φυσιολογικής κατάστασης. Το BMS παρέχει επίσης τη διαχείριση της μπαταρίας και της εκφόρτισης.
Το BMS θα συναρμολογήσει και θα περιορίσει το ρεύμα φόρτισης και εκφόρτισης ή την ισχύ ή την ισχύ σε περίπτωση υποβαθμισμένης, υπερεκτίμηση, υπερέκρουσας ή υπερέντασης. Σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης, το BMS θα σταματήσει τη λειτουργία και θα αποσυνδέσει τις ηλεκτρικές συνδέσεις σε κάθε περίβλημα της μπαταρίας. Αυτό υποθέτει ότι το BMS δεν έχει υποστεί βλάβη και λειτουργεί κανονικά. Ωστόσο, εάν εμφανιστεί εσωτερική διάσπαση των κυττάρων, το BMS δεν θα είναι σε θέση να αποτρέψει τη θερμική διαφυγή.
Έλεγχος έκρηξης
Η θερμική διαφυγή που οδηγεί σε πυρκαγιά ή έκρηξη είναι ο πιο σοβαρός κίνδυνος για την πρόληψη ή την άμβλυνση. Ενώ υπάρχει ήδη κάποια καθοδήγηση για τον έλεγχο και την καταστολή της πυρκαγιάς, πολλοί κατασκευαστές, ολοκληρωτές και τελικοί χρήστες του BESS αγωνίζονται με απαιτήσεις ελέγχου έκρηξης. Ο έλεγχος έκρηξης μπορεί να επιτευχθεί παρέχοντας ένα από τα παρακάτω:
Τα συστήματα προστασίας έκρηξης σχεδιάστηκαν, εγκαθίστανται, λειτουργούν, διατηρούνται και δοκιμάστηκαν σύμφωνα με το NFPA 69 (πρότυπο στα συστήματα προστασίας έκρηξης)
Εγκατάσταση και συντήρηση των αναπνευστήρων αποτροπής σύμφωνα με το NFPA 68 (πρότυπο για την προστασία της έκρηξης για τους ανεμιστήρες αποτροπής)
Εάν εφαρμοστεί ένα σύστημα ανθεκτικότητας στην έκρηξη σύμφωνα με το NFPA 69, οι καύσιμες συγκεντρώσεις θα πρέπει να διατηρούνται στο ή κάτω από το 25% του LFL για όλες τις προβλέψιμες αλλαγές στις συνθήκες λειτουργίας και τη φόρτωση υλικού. Μια επιλογή για την επίτευξη αυτών των απαιτήσεων είναι ο εξαερισμός ή η αραίωση του αέρα. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με την εγκατάσταση ενός συστήματος εξαναγκασμού εξαερισμού που μπορεί να ενεργοποιηθεί αυτόματα από ένα σύστημα ανίχνευσης αερίου όταν το επίπεδο συγκέντρωσης αερίου υπερβαίνει ένα προκαθορισμένο σημείο ρύθμισης.
Επιπλέον, ο εξαερισμός εκτροπής δημιουργεί ένα μονοπάτι για ταχέως αναπτυσσόμενα αέρια για να βγεί από το περίβλημα σε περίπτωση εκτροπής. Η προστασία του περιβλήματος BESS μπορεί να είναι προκλητική σε καταστάσεις όπου υπάρχει λίγο ελεύθερος αέρας και υψηλό επίπεδο εσωτερικής απόφραξης. Σε αυτή την περίπτωση, ενδέχεται να απαιτούνται μέθοδοι μηχανικής βάσει επιδόσεων, όπως η υπολογιστική δυναμική υγρού (CFD).
