Предотвращение теплового неконтроля в крупномасштабных ESS: обнаружение и безопасность548

Крупномасштабные системы хранения энергии (ESS) являются основой устойчивости современных энергосетей и интеграции возобновляемых источников энергии. Однако высокая плотность энергии, которая делает эти системы эффективными, также создает критическую проблему безопасности: тепловой разгон. Для офицеров по безопасности, начальников пожарной охраны и руководителей объектов: понимание электрохимической механики отказов и внедрение многоуровневых предотвращение термического неконтроля стратегии – это не просто требование соответствия – это оперативный императив.

Ключевые выводы: безопасность ESS и снижение рисков

• Раннее обнаружение имеет решающее значение: Термический разгон — это прогрессирующий режим отказа. Обнаружение должно происходить на стадии выделения газа (до появления дыма или пожара), чтобы предотвратить катастрофическое распространение.

• Химия имеет значение: Хотя литий-железо-фосфат (LiFePO4) обеспечивает превосходную термическую стабильность по сравнению с химическими составами NMC, для всех литиевых вариантов необходимы правильные системы управления батареями (BMS).

• Многоуровневая защита: Надежная стратегия безопасности объединяет мониторинг на уровне ячеек, изоляцию на уровне модулей и пожаротушение на уровне системы в соответствии со стандартами NFPA 855 и UL 9540A.

• Рекомендации по использованию VRLA: Хотя свинцово-кислотные аккумуляторы с клапанным регулированием менее энергозависимы, они могут испытывать температурный разгон из-за увеличения тока покоя, что требует применения различных протоколов смягчения последствий.

Понимание электрохимии теплового выхода из-под контроля

Чтобы предотвратить неудачу, необходимо понять анатомию события. Термический разгон — это неостановимая цепная реакция, при которой повышение температуры меняет условия таким образом, что вызывает дальнейшее повышение температуры. В электрохимических ячейках это часто приводит к деструктивной разборке.

Последовательность разложения в литий-ионных элементах

В высоковольтном литиевая батарея системах последовательность обычно следует предсказуемому, зависящему от температуры пути:

1. Разложение SEI (90–120°C): Межфазный слой твердого электролита (SEI) на аноде разрушается. Это экзотермическая реакция, повышающая внутреннюю температуру клетки без внешних индикаторов.

2. Плавление сепаратора (130–150 °C): По мере накопления тепла полимерный сепаратор между анодом и катодом плавится, вызывая внутреннее короткое замыкание. Это высвобождает огромную электрическую энергию в виде тепла.

3. Катодный пробой и выделение кислорода (~180°C+): Материал катода разлагается с выделением кислорода. Этот кислород питает горение органического электролита, что приводит к резким скачкам температуры, превышающим 600°C.

Примечание по технологии VRLA: Термический разгон в свинцово-кислотных аккумуляторных системах  действует по-другому. В первую очередь это вызвано неисправностями зарядного устройства, когда чрезмерное плавающее напряжение генерирует внутреннее тепло быстрее, чем батарея может его рассеять, что часто приводит к деформации корпуса и выделению водорода, но редко к взрывному распространению, наблюдаемому в литиевых химических соединениях.

Четыре стадии сбоя ESS и окна обнаружения

Эффективная профилактика предполагает вмешательство на самой ранней стадии. В отрасли неудачи подразделяются на четыре отдельные стадии:

Этап 1: Фактор злоупотребления

Сюда входит термическое, электрическое или механическое воздействие. Сложная система управления батареями (BMS) является здесь основной защитой, отслеживая напряжение, ток и температуру, чтобы отключить цепь до того, как произойдет повреждение.

Этап 2: Удаление газов («Золотое окно»)

Прежде чем аккумулятор загорится, он выпускает газы. При повышении внутреннего давления и открытии вентиляционного отверстия ячейки выделяются пары электролита и газы разложения (водород, CO2, CO, летучие органические соединения). Это критическая точка вмешательства. Традиционные детекторы дыма здесь неэффективны. Специализированные детекторы отходящих газов, обнаруживающие определенные летучие органические соединения или водород, могут инициировать отключение системы и вентиляцию за несколько минут до того, как начнется температурный разгон.

Этап 3: Генерация дыма

Катастрофический провал неизбежен. Температуры достаточно высоки, чтобы сжечь клеточные материалы. Обнаружение дыма является стандартным требованием, но на этом этапе камера, скорее всего, уже потеряна, и цель смещается от предотвращения к сдерживанию.

Этап 4: Огонь и распространение

Возникает видимое пламя. Целью становится предотвращение распространения данных от ячейки к ячейке (каскадный сбой) для сохранения остальной части модуля или контейнера ESS.

Расширенные стратегии смягчения последствий для менеджеров объектов

Стратегии смягчения последствий крупномасштабных ESS должны учитывать как активное подавление, так и пассивное сдерживание.

Активное охлаждение и подавление

В отличие от стандартных пожаров класса А, возгорание литий-ионных ламп происходит за счет химических реакций, в результате которых выделяется собственный кислород (в результате катодного разложения) и тепло. Стандартные методы кислородного голодания (инертный газ) часто недостаточны для остановки реакции после разрушения катода. Охлаждение необходимо.

• Системы водяного тумана: Водяной туман под высоким давлением очень эффективен благодаря своей огромной охлаждающей способности (скрытая теплота испарения). Он быстро отводит тепло, предотвращая распространение тепла на соседние клетки.

• Чистые средства (Novec 1230/FM-200): Они эффективны для тушения первоначального пламени на ранних стадиях (Стадия 3) и защиты силовой электроники, но не обеспечивают значительного охлаждения самой массы батареи.

Дефлаграционная вентиляция

Во время термического разгона в корпусе скапливаются горючие газы (водород, этилен, окись углерода). Если концентрация достигает нижнего предела воспламеняемости (НПВ) и присутствует источник воспламенения, может произойти взрыв. NFPA 855 требует контроля взрыва, обычно достигаемого с помощью вентиляционных панелей дефлаграции, которые безопасно направляют давление вверх или наружу, защищая структурную целостность контейнера.

Сравнение агентов подавления для ESS

Выбор подходящего средства подавления зависит от конкретного химического состава батареи и ограничений предприятия. В таблице ниже анализируются распространенные агенты, используемые в LiFePO4 и других промышленных аккумуляторных установках.

Соответствие нормативным требованиям: NFPA 855 и UL 9540A.

Соблюдение требований является основой безопасности. В сфере установки ESS доминируют два стандарта:

• Метод испытаний UL 9540A: Это разрушающий метод испытаний, позволяющий оценить характеристики распространения теплового неконтроля в аккумуляторных системах. Он определяет, распространится ли отказ одной ячейки на уровень модуля, устройства и установки. Менеджеры объектов должны запросить у производителей отчеты об испытаниях UL 9540A, чтобы понять возможности системы по сдерживанию.

• НФПА 855: Стандарт установки стационарных систем хранения энергии. Он требует расстояния (3 фута между массивами), максимального ограничения запасаемой энергии на зону пожара (например, 600 кВтч для литий-ионных батарей), а также требует систем контроля взрыва и обнаружения дыма.

Решение проблем, связанных с энергетическими рисками

Одним из наиболее опасных аспектов пожара ESS является «застрявшая энергия». Даже после тушения пожара батареи могут сохранять значительный электрический заряд. Поврежденные элементы могут повторно воспламениться через несколько часов или даже дней (повторно вспыхнуть), если внутреннее короткое замыкание не исчезнет или если во время очистки произойдет механическое повреждение.

Процедурные рекомендации для начальников пожарной охраны:

• Никогда не считайте, что аккумулятор безопасен только потому, что пламя погасло.

• Используйте тепловизионные камеры для наблюдения за горячими точками внутри батарейных стоек.

• Установите пожарное дежурство в течение как минимум 24 часов после происшествия.

• Перед снятием проконсультируйтесь с производителем батареи относительно процедур безопасной разрядки или нейтрализации.

Часто задаваемые вопросы

Какова основная причина температурного разгона в ESS?

Основными причинами являются внутренние короткие замыкания (из-за производственных дефектов или роста дендритов), внешние короткие замыкания, перезарядка (отказ BMS) или воздействие чрезмерного внешнего тепла. В свинцово-кислотных системах это преимущественно вызвано отказом зарядного устройства, приводящим к коррозии сетки и высыханию электролита.

Могут ли батареи LiFePO4 выйти из-под контроля?

Да, но риск значительно ниже, чем при использовании химикатов никель-марганец-кобальт (NMC). LiFePO4 (LFP) имеет более высокую температуру начала температурного выхода из-под контроля (~ 270°C) и выделяет меньше кислорода во время разложения, что приводит к менее бурной реакции. Однако системы профилактики по-прежнему являются обязательными.

В чем разница между тепловым побегом и тепловым побегом?

Тепловой побег Это ускоряющееся, самоподдерживающееся повышение температуры, обычно связанное с литиевыми батареями. Термальный проход часто относится к более медленному процессу в батареях VRLA, где ток заряда со временем увеличивается из-за нагрева, но обычно его можно остановить, отключив ток заряда, прежде чем произойдет катастрофический отказ.

Почему обнаружение отходящих газов лучше, чем обнаружение дыма для аккумуляторов?

Обнаружение отходящих газов выявляет неисправность на этапе 2 (вентиляция), предоставляя считанные минуты для отключения и охлаждения системы до того, как начнется пожар. Обнаружение дыма определяет неисправность на этапе 3, когда пожар неизбежен или уже существует, оставляя мало времени для предотвращения.

JYC Battery — мировой лидер в производстве аккумуляторов, предлагающий передовые решения для хранения энергии LiFePO4 и VRLA, в основе которых лежит безопасность и надежность.