Lý lịch

Cuộc khủng hoảng năng lượng đã khiến hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion (ESS) được sử dụng rộng rãi hơn trong vài năm qua, nhưng cũng đã xảy ra một số vụ tai nạn nguy hiểm dẫn đến hư hỏng cơ sở vật chất và môi trường, thiệt hại về kinh tế, thậm chí là mất tài sản. mạng sống. Các cuộc điều tra đã phát hiện ra rằng mặc dù ESS đã đáp ứng các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống pin, chẳng hạn như UL 9540 và UL 9540A, nhưng vẫn xảy ra hiện tượng lạm dụng nhiệt và cháy nổ. Do đó, rút ​​ra bài học từ các trường hợp trước đây và phân tích rủi ro cũng như biện pháp đối phó sẽ có lợi cho sự phát triển của công nghệ ESS.

Xem xét trường hợp

Dưới đây tổng hợp các trường hợp tai nạn ESS quy mô lớn trên toàn thế giới từ năm 2019 đến nay đã được báo cáo công khai.

Nguyên nhân của các vụ tai nạn trên có thể tóm tắt như sau:

1) Lỗi tế bào bên trong sẽ gây ra tình trạng lạm dụng nhiệt của pin và mô-đun, và cuối cùng khiến toàn bộ ESS bốc cháy hoặc phát nổ.

Sự cố do lạm dụng nhiệt của tế bào về cơ bản được quan sát thấy là một đám cháy kéo theo một vụ nổ. Đơn cử như vụ tai nạn nhà máy điện McMicken ở Arizona, Mỹ năm 2019 và nhà máy điện Fengtai ở Bắc Kinh, Trung Quốc năm 2021 đều phát nổ sau một đám cháy. Hiện tượng như vậy là do một tế bào bị hỏng, gây ra phản ứng hóa học bên trong, giải phóng nhiệt (phản ứng tỏa nhiệt), nhiệt độ tiếp tục tăng và lan sang các tế bào và mô-đun lân cận, gây cháy hoặc thậm chí là nổ. Chế độ hỏng hóc của pin thường do quá tải hoặc lỗi hệ thống điều khiển, tiếp xúc với nhiệt, đoản mạch bên ngoài và đoản mạch bên trong (có thể do các điều kiện khác nhau như vết lõm hoặc vết lõm, tạp chất vật liệu, sự xâm nhập của vật thể bên ngoài, v.v.). ).

Sau khi tế bào lạm dụng nhiệt, khí dễ cháy sẽ được tạo ra. Nhìn từ trên có thể nhận thấy ba trường hợp nổ đầu tiên đều có chung một nguyên nhân, đó là khí dễ cháy không thể xả kịp thời. Tại thời điểm này, pin, mô-đun và hệ thống thông gió của container đặc biệt quan trọng. Nói chung, khí được thải ra từ pin qua van xả và việc điều chỉnh áp suất của van xả có thể làm giảm sự tích tụ của khí dễ cháy. Ở giai đoạn mô-đun, thông thường quạt bên ngoài hoặc thiết kế làm mát của vỏ sẽ được sử dụng để tránh tích tụ khí dễ cháy. Cuối cùng, trong giai đoạn container, các thiết bị thông gió và hệ thống giám sát cũng cần thiết để sơ tán khí dễ cháy.

2) Lỗi ESS do lỗi hệ thống phụ trợ bên ngoài

Lỗi ESS tổng thể do lỗi hệ thống phụ trợ thường xảy ra bên ngoài hệ thống pin và có thể dẫn đến cháy hoặc bốc khói từ các bộ phận bên ngoài. Và khi hệ thống giám sát và phản hồi kịp thời sẽ không dẫn đến hỏng cell hoặc lạm dụng nhiệt. Trong các vụ tai nạn của Nhà máy điện Vistra Moss Landing Giai đoạn 1 2021 và Giai đoạn 2 2022, khói và lửa đã phát sinh do các thiết bị giám sát lỗi và an toàn điện đã tắt vào thời điểm đó trong giai đoạn vận hành thử và không thể ứng phó kịp thời . Kiểu đốt cháy này thường bắt đầu từ bên ngoài hệ thống pin trước khi lan vào bên trong tế bào, do đó không có phản ứng tỏa nhiệt dữ dội và tích tụ khí dễ cháy và do đó thường không gây nổ. Hơn nữa, nếu hệ thống phun nước được bật kịp thời sẽ không gây thiệt hại lớn cho cơ sở.

Vụ tai nạn hỏa hoạn “Nhà máy điện Victoria” ở Geelong, Úc vào năm 2021 là do chập điện trong pin do rò rỉ chất làm mát, điều này nhắc nhở chúng ta phải chú ý đến việc cách ly vật lý của hệ thống pin. Nên giữ khoảng cách nhất định giữa các thiết bị bên ngoài và hệ thống pin để tránh nhiễu lẫn nhau. Hệ thống pin cũng cần được trang bị chức năng cách điện để tránh đoản mạch bên ngoài.

Biện pháp đối phó

Từ phân tích trên, có thể thấy rõ nguyên nhân gây ra sự cố ESS là do tế bào lạm dụng nhiệt và hệ thống phụ trợ bị hỏng. Nếu không thể ngăn chặn được sự cố thì việc giảm mức độ hư hỏng thêm sau sự cố chặn cũng có thể làm giảm tổn thất. Các biện pháp đối phó có thể được xem xét từ các khía cạnh sau:

Ngăn chặn sự lan truyền nhiệt sau khi lạm dụng nhiệt của tế bào

Rào chắn cách nhiệt có thể được thêm vào để ngăn chặn sự lây lan của lạm dụng nhiệt của tế bào, có thể được lắp đặt giữa các tế bào, giữa các mô-đun hoặc giữa các giá đỡ. Trong phụ lục của NFPA 855 (Tiêu chuẩn lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng cố định), bạn cũng có thể tìm thấy các yêu cầu liên quan. Các biện pháp cụ thể để cách ly hàng rào bao gồm chèn các tấm nước lạnh, aerogel và những thứ tương tự vào giữa các tế bào.

Có thể thêm một thiết bị chữa cháy vào hệ thống pin để nó có thể phản ứng nhanh chóng kích hoạt thiết bị chữa cháy khi xảy ra hiện tượng lạm dụng nhiệt trong một ô duy nhất. Tính chất hóa học đằng sau nguy cơ cháy nổ lithium-ion dẫn đến thiết kế chữa cháy cho hệ thống lưu trữ năng lượng khác với các giải pháp chữa cháy thông thường, không chỉ để dập tắt đám cháy mà còn giảm nhiệt độ của pin. Nếu không, các phản ứng hóa học tỏa nhiệt của tế bào sẽ tiếp tục xảy ra và gây ra sự bốc cháy trở lại.

Cần hết sức cẩn thận khi lựa chọn vật liệu chữa cháy. Nếu nước phun trực tiếp vào vỏ ắc quy đang cháy có thể tạo ra hỗn hợp khí dễ cháy. Và nếu vỏ hoặc khung pin được làm bằng thép thì nước sẽ không ngăn được hiện tượng lạm dụng nhiệt. Một số trường hợp cho thấy nước hoặc các loại chất lỏng khác tiếp xúc với các cực của pin cũng có thể khiến đám cháy trở nên trầm trọng hơn. Ví dụ, trong vụ hỏa hoạn ở nhà máy điện Vistra Moss Landing vào tháng 9 năm 2021, các báo cáo chỉ ra rằng ống làm mát và các khớp nối ống của nhà máy bị hỏng, khiến nước phun lên giá đỡ pin và cuối cùng khiến pin bị đoản mạch và hồ quang.

1. Phát thải khí dễ cháy kịp thời

Tất cả các báo cáo trường hợp trên đều chỉ ra nồng độ khí dễ cháy là nguyên nhân chính gây ra vụ nổ. Do đó, thiết kế và bố trí địa điểm, hệ thống giám sát khí và thông gió rất quan trọng để giảm thiểu rủi ro này. Trong tiêu chuẩn NFPA 855 có đề cập rằng cần phải có hệ thống phát hiện khí liên tục. Khi phát hiện thấy một mức khí cháy nhất định (tức là 25% LFL), hệ thống sẽ bắt đầu thông gió xả. Ngoài ra, tiêu chuẩn thử nghiệm UL 9540A còn đề cập đến yêu cầu thu gom khí thải và phát hiện giới hạn dưới của khí LFL.

Ngoài việc thông gió, việc sử dụng các tấm chống cháy nổ cũng được khuyến khích. Trong NFPA 855 có đề cập rằng ESS phải được lắp đặt và bảo trì theo NFPA 68 (Tiêu chuẩn về chống cháy nổ bằng thông gió chống cháy) và NFPA 69 (Tiêu chuẩn về hệ thống chống cháy nổ). Tuy nhiên, khi hệ thống tuân thủ Thử nghiệm cháy nổ (UL 9540A hoặc tương đương), nó có thể được miễn yêu cầu này. Tuy nhiên, do các điều kiện thử nghiệm không thể hiện đầy đủ tình huống thực tế nên cần tăng cường thông gió và chống cháy nổ.

2. Ngăn ngừa sự cố của hệ thống phụ trợ

Việc lập trình phần mềm/chương trình cơ sở không đầy đủ và các quy trình vận hành/khởi động trước cũng góp phần gây ra sự cố cháy tại Nhà máy điện Victoria và Trạm điện hạ cánh Vistra Moss. Trong vụ cháy Nhà máy điện Victoria, sự lạm dụng nhiệt do một trong các mô-đun gây ra đã không được xác định hoặc ngăn chặn, và đám cháy sau đó cũng không bị gián đoạn. Nguyên nhân khiến tình trạng này xảy ra là do lúc đó không cần phải vận hành thử và hệ thống đã được tắt thủ công, bao gồm hệ thống đo từ xa, giám sát lỗi và thiết bị an toàn khi gặp sự cố điện. Ngoài ra, hệ thống Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) cũng chưa đi vào hoạt động do phải mất 24 giờ mới thiết lập được kết nối thiết bị.

Do đó, mọi mô-đun nhàn rỗi nên có các thiết bị như đo từ xa, giám sát lỗi và thiết bị an toàn điện thay vì tắt thủ công thông qua công tắc khóa. Tất cả các thiết bị bảo vệ an toàn điện phải được giữ ở chế độ hoạt động. Ngoài ra, cần bổ sung thêm các hệ thống báo động bổ sung để xác định và ứng phó với các sự kiện khẩn cấp khác nhau.

Lỗi lập trình phần mềm cũng được tìm thấy ở trạm điện Vistra Moss Landing Power giai đoạn 1 và 2, do chưa vượt quá ngưỡng khởi động nên bộ tản nhiệt của pin đã được kích hoạt. Đồng thời, lỗi đầu nối ống nước dẫn đến rò rỉ lớp trên của pin khiến nước có sẵn cho mô-đun pin và sau đó gây đoản mạch. Hai ví dụ này cho thấy tầm quan trọng của việc lập trình phần mềm/chương trình cơ sở được kiểm tra và sửa lỗi trước quy trình khởi động.

Bản tóm tắt

Thông qua phân tích một số vụ tai nạn hỏa hoạn ở trạm lưu trữ năng lượng, cần ưu tiên cao cho việc kiểm soát thông gió và nổ, quy trình lắp đặt và vận hành thích hợp, bao gồm kiểm tra lập trình phần mềm, có thể ngăn ngừa tai nạn về pin. Ngoài ra, cần xây dựng một kế hoạch ứng phó khẩn cấp toàn diện để giải quyết việc tạo ra các loại khí và chất độc hại.