خلفية

أدت أزمة الطاقة إلى زيادة استخدام أنظمة تخزين طاقة بطاريات الليثيوم أيون (ESS) على نطاق واسع في السنوات القليلة الماضية، ولكن كان هناك أيضًا عدد من الحوادث الخطيرة التي أدت إلى أضرار بالمرافق والبيئة، وخسائر اقتصادية، وحتى خسائر في الأرواح. حياة. وقد وجدت التحقيقات أنه على الرغم من استيفاء ESS للمعايير المتعلقة بأنظمة البطاريات، مثل UL 9540 وUL 9540A، فقد حدثت إساءة استخدام حراري وحرائق. ولذلك، فإن تعلم الدروس من الحالات السابقة وتحليل المخاطر والتدابير المضادة لها سيفيد في تطوير تكنولوجيا ESS.

مراجعة الحالات

فيما يلي ملخص لحالات حوادث ESS واسعة النطاق حول العالم من عام 2019 حتى الآن، والتي تم الإبلاغ عنها علنًا.

ويمكن تلخيص أسباب الحوادث المذكورة أعلاه في الأمرين التاليين:

1) يؤدي فشل الخلية الداخلية إلى حدوث سوء استخدام حراري للبطارية والوحدة، ويؤدي في النهاية إلى اشتعال النيران في نظام ESS بأكمله أو انفجاره.

ويلاحظ في الأساس أن الفشل الناجم عن سوء استخدام الخلية حرارياً هو حريق يتبعه انفجار. على سبيل المثال، انفجرت حادثتا محطة كهرباء ماكميكن في أريزونا بالولايات المتحدة الأمريكية في عام 2019 ومحطة كهرباء فينجتاي في بكين بالصين في عام 2021 بعد نشوب حريق. تحدث هذه الظاهرة بسبب فشل خلية واحدة، مما يؤدي إلى تفاعل كيميائي داخلي، وإطلاق الحرارة (تفاعل طارد للحرارة)، وتستمر درجة الحرارة في الارتفاع وتنتشر إلى الخلايا والوحدات المجاورة، مما يتسبب في نشوب حريق أو حتى انفجار. عادةً ما يكون سبب فشل الخلية هو الشحن الزائد أو فشل نظام التحكم، والتعرض الحراري، وماس كهربائي خارجي وماس كهربائي داخلي (والذي يمكن أن يحدث بسبب ظروف مختلفة مثل المسافة البادئة أو الانبعاج، والشوائب المادية، واختراق الأجسام الخارجية، وما إلى ذلك). ).

بعد الاستغلال الحراري للخلية، سيتم إنتاج غاز قابل للاشتعال. من الأعلى يمكنك ملاحظة أن حالات الانفجار الثلاثة الأولى لها نفس السبب، وهو أن الغاز القابل للاشتعال لا يمكن تفريغه في الوقت المناسب. في هذه المرحلة، تعتبر البطارية والوحدة ونظام تهوية الحاوية ذات أهمية خاصة. بشكل عام، يتم تفريغ الغازات من البطارية من خلال صمام العادم، ويمكن أن يؤدي تنظيم ضغط صمام العادم إلى تقليل تراكم الغازات القابلة للاحتراق. في مرحلة الوحدة، سيتم استخدام مروحة خارجية أو تصميم تبريد للغلاف بشكل عام لتجنب تراكم الغازات القابلة للاحتراق. وأخيرًا، في مرحلة الحاوية، يلزم أيضًا توفير مرافق تهوية وأنظمة مراقبة لإخلاء الغازات القابلة للاحتراق.

2) فشل ESS الناجم عن فشل النظام المساعد الخارجي

عادةً ما يحدث فشل ESS الشامل الناتج عن فشل النظام المساعد خارج نظام البطارية وقد يؤدي إلى حرق المكونات الخارجية أو ظهور دخان فيها. وعندما يقوم النظام بمراقبتها والاستجابة لها في الوقت المناسب، فلن يؤدي ذلك إلى تعطل الخلية أو سوء الاستخدام الحراري. في حادثتي محطة فيسترا موس لاندينغ للطاقة، المرحلة 1 2021 والمرحلة 2 2022، نشأ دخان وحريق بسبب إيقاف تشغيل أجهزة مراقبة الأعطال وأجهزة الحماية من الأعطال الكهربائية في ذلك الوقت أثناء مرحلة التشغيل ولم تتمكن من الاستجابة في الوقت المناسب . عادة ما يبدأ هذا النوع من احتراق اللهب من خارج نظام البطارية قبل أن ينتشر أخيرًا إلى داخل الخلية، لذلك لا يوجد تفاعل طارد للحرارة عنيف وتراكم غاز قابل للاحتراق، وبالتالي لا يحدث عادةً انفجار. علاوة على ذلك، إذا كان من الممكن تشغيل نظام الرش في الوقت المناسب، فلن يتسبب ذلك في أضرار جسيمة للمنشأة.

ووقع حادث حريق "محطة الطاقة الفيكتورية" في جيلونج بأستراليا عام 2021 بسبب ماس كهربائي في البطارية نتيجة تسرب سائل التبريد، وهو ما يذكرنا بالاهتمام بالعزل المادي لنظام البطارية. يوصى بالحفاظ على مسافة معينة بين المرافق الخارجية ونظام البطارية لتجنب التداخل المتبادل. يجب أيضًا أن يكون نظام البطارية مزودًا بوظيفة العزل لتجنب حدوث ماس كهربائى خارجي.

التدابير المضادة

من التحليل أعلاه يتضح أن أسباب حوادث ESS هي الإساءة الحرارية للخلية وفشل النظام المساعد. إذا لم يكن من الممكن منع الفشل، فإن تقليل التدهور الإضافي بعد فشل الحظر يمكن أن يقلل أيضًا من الخسارة. يمكن اعتبار التدابير المضادة من الجوانب التالية:

منع الانتشار الحراري بعد الإساءة الحرارية للخلية

يمكن إضافة حاجز عازل لمنع انتشار الاستغلال الحراري للخلية، ويمكن تركيبه بين الخلايا، بين الوحدات أو بين الرفوف. في ملحق NFPA 855 (معيار تركيب أنظمة تخزين الطاقة الثابتة)، يمكنك أيضًا العثور على المتطلبات ذات الصلة. تشمل التدابير المحددة لعزل الحاجز إدخال ألواح الماء البارد والهلام الهوائي وما شابه ذلك بين الخلايا.

يمكن إضافة جهاز إخماد الحريق إلى نظام البطارية حتى يتفاعل بسرعة لتفعيل جهاز إخماد الحريق عند حدوث إساءة حرارية في خلية واحدة. تؤدي الكيمياء الكامنة وراء مخاطر حرائق أيونات الليثيوم إلى تصميم مختلف لإخماد الحرائق لأنظمة تخزين الطاقة عن حلول مكافحة الحرائق التقليدية، وهو ليس فقط لإطفاء الحريق، ولكن أيضًا لتقليل درجة حرارة البطارية. وبخلاف ذلك، ستستمر التفاعلات الكيميائية الطاردة للحرارة للخلايا في الحدوث وتؤدي إلى إعادة الاشتعال.

هناك حاجة أيضًا إلى مزيد من العناية عند اختيار مواد إطفاء الحرائق. إذا تم رش الماء مباشرة على غلاف البطارية المحترق فقد ينتج خليط غاز قابل للاشتعال. وإذا كان غلاف البطارية أو الإطار مصنوعًا من الفولاذ، فلن يمنع الماء سوء الاستخدام الحراري. تظهر بعض الحالات أن الماء أو أنواع السوائل الأخرى التي تتلامس مع أطراف البطارية قد تؤدي أيضًا إلى تفاقم الحريق. على سبيل المثال، في حادث حريق محطة كهرباء فيسترا موس لاندينج في سبتمبر 2021، أشارت التقارير إلى أن خراطيم تبريد المحطة ومفاصل الأنابيب تعطلت، مما تسبب في رش الماء على رفوف البطارية وتسبب في النهاية في قصر دائرة البطاريات وقوسها.

1. انبعاث الغازات القابلة للاحتراق في الوقت المناسب

تشير جميع تقارير الحالة المذكورة أعلاه إلى تركيزات الغازات القابلة للاحتراق باعتبارها السبب الرئيسي للانفجارات. لذلك، يعد تصميم الموقع وتخطيطه وأنظمة مراقبة الغاز والتهوية أمرًا مهمًا لتقليل هذه المخاطر. ورد في معيار NFPA 855 أن هناك حاجة إلى نظام مستمر للكشف عن الغاز. عند اكتشاف مستوى معين من الغاز القابل للاحتراق (أي 25% من LFL)، سيبدأ النظام في تهوية العادم. بالإضافة إلى ذلك، يشير معيار اختبار UL 9540A أيضًا إلى متطلبات جمع العادم واكتشاف الحد الأدنى من الغاز LFL.

بالإضافة إلى التنفيس، يوصى أيضًا باستخدام ألواح تخفيف الانفجار. ورد في معيار NFPA 855 أنه يجب تركيب وصيانة أنظمة السلامة البيئية (ESSs) وفقًا لمعايير NFPA 68 (معيار الحماية من الانفجارات عن طريق تنفيس الحريق) وNFPA 69 (معايير أنظمة الحماية من الانفجارات). ومع ذلك، عندما يتوافق النظام مع اختبار الحريق والانفجار (UL 9540A أو ما يعادله)، فيمكن إعفاءه من هذا المطلب. ومع ذلك، بما أن ظروف الاختبار لا تمثل الوضع الحقيقي بشكل كامل، يوصى بتعزيز التهوية والحماية من الانفجار.

2. منع فشل الأنظمة المساعدة

كما ساهمت عدم كفاية برمجة البرامج/البرامج الثابتة وإجراءات التشغيل/ما قبل البدء في حوادث الحريق في محطة الطاقة الفيكتورية ومحطة فيسترا موس لاندينغ للطاقة. في حريق محطة الطاقة الفيكتورية، لم يتم تحديد أو منع الإساءة الحرارية التي بدأتها إحدى الوحدات، ولم يتم مقاطعة الحريق التالي أيضًا. السبب وراء حدوث هذا الموقف هو أن التشغيل لم يكن مطلوبًا في ذلك الوقت، وتم إيقاف تشغيل النظام يدويًا، بما في ذلك نظام القياس عن بعد، ومراقبة الأخطاء، وجهاز الحماية من الأعطال الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، لم يكن نظام التحكم الإشرافي والحصول على البيانات (SCADA) قيد التشغيل بعد، حيث استغرق الأمر 24 ساعة لإنشاء اتصال المعدات.

لذلك، يوصى بأن تحتوي أي وحدات خاملة على أجهزة مثل القياس عن بعد النشط، ومراقبة الأخطاء وأجهزة السلامة الكهربائية، بدلاً من إيقاف تشغيلها يدويًا عبر مفتاح القفل. يجب أن تظل جميع أجهزة حماية السلامة الكهربائية في الوضع النشط. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي إضافة أنظمة إنذار إضافية لتحديد أحداث الطوارئ المختلفة والاستجابة لها.

تم العثور أيضًا على خطأ في برمجة البرنامج في المرحلتين 1 و2 من محطة Vistra Moss Landing Power، حيث لم يتم تجاوز حد بدء التشغيل، وتم تنشيط المشتت الحراري للبطارية. وفي الوقت نفسه، يؤدي فشل موصل أنبوب الماء مع تسرب الطبقة العليا من البطارية إلى جعل الماء متاحًا لوحدة البطارية ومن ثم يتسبب في حدوث ماس كهربائي. يوضح هذان المثالان مدى أهمية فحص البرامج/البرامج الثابتة وتصحيح أخطائها قبل إجراء بدء التشغيل.

ملخص

من خلال تحليل العديد من حوادث الحريق في محطة تخزين الطاقة، ينبغي إعطاء أولوية عالية للتهوية والتحكم في الانفجارات، والتركيب المناسب وإجراءات التشغيل، بما في ذلك فحوصات برمجة البرامج، والتي يمكن أن تمنع حوادث البطارية. وبالإضافة إلى ذلك، ينبغي وضع خطة شاملة للاستجابة لحالات الطوارئ للتعامل مع توليد الغازات والمواد السامة.