Ngăn chặn sự thoát nhiệt ở ESS quy mô lớn: Phát hiện và an toàn

Hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn (ESS) là xương sống của khả năng phục hồi lưới điện hiện đại và tích hợp năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, mật độ năng lượng cao giúp các hệ thống này hoạt động hiệu quả cũng gây ra một thách thức an toàn nghiêm trọng: thoát nhiệt. Dành cho Cán bộ An toàn, Cảnh sát Phòng cháy chữa cháy và Người quản lý Cơ sở, hiểu rõ cơ chế điện hóa của sự cố và triển khai nhiều lớp ngăn ngừa thoát nhiệt chiến lược không chỉ đơn thuần là một yêu cầu tuân thủ mà còn là một mệnh lệnh hoạt động.

Bài học chính: An toàn ESS và giảm thiểu rủi ro

• Phát hiện sớm là rất quan trọng: Thoát nhiệt là một dạng hư hỏng lũy ​​tiến. Việc phát hiện phải xảy ra ở giai đoạn thoát khí (trước khi bốc khói hoặc cháy) để ngăn chặn sự lan truyền thảm khốc.

• Các vấn đề hóa học: Trong khi Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) mang lại độ ổn định nhiệt vượt trội so với các hóa chất NMC, Hệ thống quản lý pin (BMS) thích hợp là điều cần thiết cho tất cả các biến thể lithium.

• Phòng thủ nhiều lớp: Chiến lược an toàn mạnh mẽ tích hợp giám sát cấp độ tế bào, cách ly cấp độ mô-đun và chữa cháy cấp hệ thống tuân thủ các tiêu chuẩn NFPA 855 và UL 9540A.

• Những cân nhắc của VRLA: Mặc dù ít dễ bay hơi hơn, nhưng ắc quy Axit-chì được điều chỉnh bằng van có thể gặp hiện tượng thoát nhiệt do dòng điện nổi tăng cao, đòi hỏi các biện pháp giảm thiểu khác nhau.

Tìm hiểu về điện hóa của sự thoát nhiệt

Để ngăn ngừa thất bại, người ta phải hiểu được bản chất của sự kiện. Sự thoát nhiệt là một phản ứng dây chuyền không thể dừng lại, trong đó sự gia tăng nhiệt độ sẽ làm thay đổi các điều kiện theo hướng khiến nhiệt độ tăng thêm. Trong các tế bào điện hóa, điều này thường dẫn đến sự tháo gỡ mang tính phá hủy.

Trình tự phân hủy trong tế bào Lithium-Ion

Ở điện áp cao pin lithium các hệ thống, trình tự thường tuân theo một lộ trình phụ thuộc vào nhiệt độ có thể dự đoán được:

1. Phân hủy SEI (90°C - 120°C): Lớp xen kẽ điện phân rắn (SEI) trên cực dương bị phá vỡ. Đây là phản ứng tỏa nhiệt làm tăng nhiệt độ bên trong tế bào mà không cần các chỉ số bên ngoài.

2. Nhiệt độ nóng chảy của máy phân tách (130°C - 150°C): Khi nhiệt tăng lên, chất tách polymer giữa cực dương và cực âm nóng chảy, gây ra đoản mạch bên trong. Điều này giải phóng năng lượng điện lớn dưới dạng nhiệt.

3. Phân hủy cực âm và giải phóng oxy (~180°C+): Vật liệu cực âm bị phân hủy, giải phóng oxy. Oxy này thúc đẩy quá trình đốt cháy chất điện phân hữu cơ, dẫn đến nhiệt độ tăng vọt nhanh chóng vượt quá 600°C.

Lưu ý về Công nghệ VRLA: Sự thoát nhiệt trong hệ thống ắc quy axit chì hoạt động khác nhau. Nguyên nhân chủ yếu là do trục trặc của bộ sạc, trong đó điện áp nổi quá mức tạo ra nhiệt bên trong nhanh hơn khả năng tiêu tán nhiệt của pin, thường dẫn đến cong vênh vỏ và phát thải hydro, nhưng hiếm khi xảy ra hiện tượng lan truyền nổ như trong các nhà máy hóa học lithium.

Bốn giai đoạn của lỗi ESS và phát hiện Windows

Phòng ngừa hiệu quả dựa vào việc can thiệp ở giai đoạn sớm nhất có thể. Ngành này phân loại thất bại thành bốn giai đoạn riêng biệt:

Giai đoạn 1: Yếu tố lạm dụng

Điều này bao gồm lạm dụng nhiệt, điện hoặc cơ khí. Hệ thống quản lý pin (BMS) tinh vi là biện pháp bảo vệ chính ở đây, theo dõi điện áp, dòng điện và nhiệt độ để ngắt kết nối mạch trước khi hư hỏng xảy ra.

Giai đoạn 2: Xả khí (Cửa sổ vàng)

Trước khi pin bắt lửa, nó sẽ thoát khí. Khi áp suất bên trong tăng lên và lỗ thông hơi của tế bào mở ra, hơi điện phân và khí phân hủy (Hydro, CO2, CO, VOC) được giải phóng. Đây là điểm can thiệp quan trọng. Đầu báo khói truyền thống không hiệu quả ở đây. Máy dò khí thải chuyên dụng phát hiện các VOC hoặc Hydro cụ thể có thể kích hoạt hệ thống tắt và thông gió vài phút trước khi quá trình thoát nhiệt bắt đầu.

Giai đoạn 3: Tạo khói

Thất bại thảm khốc sắp xảy ra. Nhiệt độ đủ cao để đốt cháy vật liệu tế bào. Phát hiện khói là một yêu cầu tiêu chuẩn, nhưng ở giai đoạn này, tế bào có thể đã bị mất và mục tiêu chuyển từ phòng ngừa sang ngăn chặn.

Giai đoạn 4: Cháy và lan truyền

Ngọn lửa nhìn thấy được xảy ra. Mục tiêu trở thành ngăn chặn sự truyền lan từ tế bào này sang tế bào khác (lỗi xếp tầng) để lưu phần còn lại của mô-đun hoặc vùng chứa ESS.

Chiến lược giảm nhẹ nâng cao dành cho người quản lý cơ sở

Các chiến lược giảm thiểu ESS quy mô lớn phải giải quyết cả biện pháp ngăn chặn chủ động và ngăn chặn thụ động.

Làm mát và ức chế chủ động

Không giống như các đám cháy loại A tiêu chuẩn, đám cháy Li-ion được cung cấp bởi các phản ứng hóa học tạo ra oxy (từ sự phân hủy cực âm) và nhiệt của chính chúng. Các phương pháp thiếu oxy tiêu chuẩn (khí trơ) thường không đủ để dừng phản ứng khi cực âm bị hỏng. Làm mát là điều cần thiết.

• Hệ thống phun sương nước: Sương mù nước áp suất cao có hiệu quả cao nhờ khả năng làm mát cực lớn (nhiệt hóa hơi tiềm ẩn). Nó hút nhiệt nhanh chóng, ngăn chặn sự lan truyền đến các tế bào lân cận.

• Đại lý sạch (Novec 1230 / FM-200): Chúng có hiệu quả trong việc dập tắt ngọn lửa ban đầu ở giai đoạn đầu (Giai đoạn 3) và bảo vệ các thiết bị điện tử, nhưng chúng không cung cấp khả năng làm mát đáng kể cho khối pin.

Thông gió chống cháy

Trong quá trình thoát nhiệt, các khí dễ cháy (Hydro, Ethylene, Carbon Monoxide) tích tụ trong vỏ bọc. Nếu nồng độ đạt đến Giới hạn dễ cháy dưới (LFL) và có nguồn đánh lửa thì vụ nổ có thể xảy ra. NFPA 855 yêu cầu kiểm soát vụ nổ, thường đạt được thông qua các tấm thông gió chống cháy hướng áp suất lên hoặc ra ngoài một cách an toàn, bảo vệ tính toàn vẹn cấu trúc của thùng chứa.

So sánh các tác nhân ức chế cho ESS

Việc lựa chọn tác nhân triệt tiêu phù hợp phụ thuộc vào tính chất hóa học cụ thể của pin và các hạn chế về cơ sở vật chất. Bảng dưới đây phân tích các tác nhân phổ biến được sử dụng trong LiFePO4 và các hệ thống lắp đặt pin công nghiệp khác.

Tuân thủ quy định: NFPA 855 và UL 9540A

Tuân thủ là cơ sở cho sự an toàn. Hai tiêu chuẩn thống trị bối cảnh cho việc cài đặt ESS:

• Phương pháp kiểm tra UL 9540A: Đây là phương pháp thử nghiệm phá hủy nhằm đánh giá đặc tính truyền nhiệt của hệ thống pin. Nó xác định xem lỗi một ô có lan truyền đến cấp độ mô-đun, thiết bị và cài đặt hay không. Người quản lý cơ sở nên yêu cầu báo cáo thử nghiệm UL 9540A từ nhà sản xuất để hiểu khả năng ngăn chặn của hệ thống.

• NFPA 855: Tiêu chuẩn lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng cố định. Nó yêu cầu khoảng cách (3 feet giữa các mảng), giới hạn năng lượng lưu trữ tối đa trên mỗi khu vực cháy (ví dụ: 600 kWh đối với Li-ion) và yêu cầu hệ thống kiểm soát vụ nổ và phát hiện khói.

Giải quyết rủi ro năng lượng bị mắc kẹt

Một trong những khía cạnh nguy hiểm nhất của đám cháy ESS là “năng lượng bị mắc kẹt”. Ngay cả sau khi đám cháy được dập tắt, pin vẫn có thể tích điện đáng kể. Các tế bào bị hư hỏng có thể hoạt động trở lại hàng giờ hoặc thậm chí vài ngày sau (thấp nháy lại) nếu hiện tượng đoản mạch bên trong vẫn tiếp diễn hoặc nếu hư hỏng cơ học xảy ra trong quá trình dọn dẹp.

Lời khuyên về thủ tục dành cho Cảnh sát Phòng cháy chữa cháy:

• Đừng bao giờ cho rằng pin là an toàn chỉ vì ngọn lửa đã tắt.

• Sử dụng camera chụp ảnh nhiệt để theo dõi các điểm nóng trong giá đỡ pin.

• Thiết lập đồng hồ phòng cháy ít nhất 24 giờ sau sự cố.

• Tham khảo ý kiến ​​của nhà sản xuất pin về quy trình xả hoặc trung hòa an toàn trước khi tháo pin.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân chính gây ra sự thoát nhiệt trong ESS là gì?

Các nguyên nhân chính là do đoản mạch bên trong (do lỗi sản xuất hoặc sự phát triển của dendrite), đoản mạch bên ngoài, sạc quá mức (lỗi BMS) hoặc tiếp xúc với nhiệt độ bên ngoài quá mức. Trong hệ thống axit chì, nguyên nhân chủ yếu là do bộ sạc bị hỏng, dẫn đến ăn mòn lưới điện và làm khô chất điện phân.

Pin LiFePO4 có thể gặp hiện tượng thoát nhiệt không?

Có, nhưng rủi ro thấp hơn đáng kể so với các hóa chất Niken Mangan Cobalt (NMC). LiFePO4 (LFP) có nhiệt độ khởi phát tỏa nhiệt cao hơn (~270°C) và giải phóng ít oxy hơn trong quá trình phân hủy, dẫn đến phản ứng ít dữ dội hơn. Tuy nhiên, hệ thống phòng ngừa vẫn là bắt buộc.

Sự khác biệt giữa lối thoát nhiệt và lối đi nhiệt là gì?

Chạy trốn nhiệt là sự gia tăng nhiệt độ nhanh chóng, tự duy trì thường liên quan đến pin lithium. Lối đi nhiệt thường đề cập đến quá trình chậm hơn trong pin VRLA, trong đó dòng sạc tăng theo thời gian do nóng lên, nhưng nó thường có thể được dừng lại bằng cách cắt dòng sạc trước khi xảy ra sự cố nghiêm trọng.

Tại sao phát hiện khí thải tốt hơn phát hiện khói đối với pin?

Phát hiện khí thải xác định lỗi ở Giai đoạn 2 (thông gió), cung cấp khoảng thời gian vài phút để ngắt kết nối và làm mát hệ thống trước khi lửa bắt đầu. Tính năng phát hiện khói xác định sự cố ở Giai đoạn 3, khi đám cháy sắp xảy ra hoặc đã xuất hiện, khiến có rất ít thời gian để phòng ngừa.

JYC Battery là công ty hàng đầu thế giới về sản xuất pin, cung cấp các giải pháp lưu trữ năng lượng LiFePO4 và VRLA tiên tiến được thiết kế với cốt lõi là an toàn và tin cậy.