Fondo

La crisis energética ha hecho que los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) con baterías de iones de litio se utilicen más ampliamente en los últimos años, pero también se han producido una serie de accidentes peligrosos que han provocado daños a las instalaciones y al medio ambiente, pérdidas económicas e incluso pérdidas de energía. vida. Las investigaciones han descubierto que, aunque los ESS cumplen con los estándares relacionados con los sistemas de baterías, como UL 9540 y UL 9540A, se han producido abusos térmicos e incendios. Por lo tanto, aprender lecciones de casos pasados ​​y analizar los riesgos y sus contramedidas beneficiará el desarrollo de la tecnología ESS.

Revisión de casos

A continuación se resumen los casos de accidentes de ESS a gran escala en todo el mundo desde 2019 hasta la fecha, que se han informado públicamente.

Las causas de los accidentes anteriores se pueden resumir en las dos siguientes:

1) Una falla de la celda interna desencadena un abuso térmico de la batería y el módulo y, finalmente, hace que todo el ESS se incendie o explote.

El fallo provocado por abuso térmico de una célula se observa básicamente como un incendio seguido de una explosión. Por ejemplo, los accidentes de la central eléctrica McMicken en Arizona (EE. UU.) en 2019 y de la central eléctrica Fengtai en Beijing (China) en 2021 explotaron después de un incendio. Este fenómeno es causado por el fallo de una sola celda, lo que desencadena una reacción química interna, liberando calor (reacción exotérmica), y la temperatura continúa aumentando y propagándose a las celdas y módulos cercanos, provocando un incendio o incluso una explosión. El modo de falla de una celda generalmente es causado por sobrecarga o falla del sistema de control, exposición térmica, cortocircuito externo y cortocircuito interno (que puede ser causado por diversas condiciones como muescas o abolladuras, impurezas del material, penetración de objetos externos, etc. ).

Después del abuso térmico de la celda, se producirá gas inflamable. Desde arriba se puede observar que los primeros tres casos de explosión tienen la misma causa, es decir, el gas inflamable no puede descargarse a tiempo. En este punto cobran especial importancia la batería, el módulo y el sistema de ventilación del contenedor. Generalmente los gases se descargan de la batería a través de la válvula de escape y la regulación de presión de la válvula de escape puede reducir la acumulación de gases combustibles. En la etapa modular generalmente se utilizará un ventilador externo o un diseño de enfriamiento de carcasa para evitar la acumulación de gases combustibles. Finalmente, en la etapa de contenedores también se requieren instalaciones de ventilación y sistemas de monitoreo para evacuar gases combustibles.

2) Falla del ESS causada por una falla del sistema auxiliar externo

Una falla general del ESS causada por una falla del sistema auxiliar generalmente ocurre fuera del sistema de batería y puede provocar quemaduras o humo de los componentes externos. Y cuando el sistema lo monitorea y responde de manera oportuna, no provocará fallas de la celda ni abuso térmico. En los accidentes de la central eléctrica de Vistra Moss Landing Fase 1 de 2021 y Fase 2 de 2022, se generó humo e incendio porque los dispositivos de monitoreo de fallas y de seguridad eléctrica contra fallas se apagaron en ese momento durante la fase de puesta en servicio y no pudieron responder de manera oportuna. . Este tipo de combustión de llama generalmente comienza desde el exterior del sistema de batería antes de extenderse finalmente al interior de la celda, por lo que no hay reacción exotérmica violenta ni acumulación de gas combustible, por lo que generalmente no hay explosión. Es más, si el sistema de rociadores se puede activar a tiempo, no causará daños importantes a las instalaciones.

El accidente de incendio de la “central eléctrica victoriana” en Geelong, Australia, en 2021 fue causado por un cortocircuito en la batería provocado por una fuga de refrigerante, lo que nos recuerda que debemos prestar atención al aislamiento físico del sistema de batería. Se recomienda mantener un cierto espacio entre las instalaciones externas y el sistema de baterías para evitar interferencias mutuas. El sistema de batería también debe estar equipado con una función de aislamiento para evitar cortocircuitos externos.

Contramedidas

Del análisis anterior, queda claro que las causas de los accidentes de ESS son el abuso térmico de la celda y la falla del sistema auxiliar. Si la falla no se puede prevenir, entonces reducir el deterioro adicional después de la falla del bloqueo también puede reducir la pérdida. Las contramedidas se pueden considerar desde los siguientes aspectos:

Bloquear la propagación térmica después del abuso térmico de la celda.

Se puede agregar una barrera aislante para bloquear la propagación del abuso térmico de la celda, que se puede instalar entre las celdas, entre los módulos o entre los racks. En el apéndice de NFPA 855 (Norma para la instalación de sistemas estacionarios de almacenamiento de energía), también puede encontrar los requisitos relacionados. Las medidas específicas para aislar la barrera incluyen la inserción de placas de agua fría, aerogel y similares entre las células.

Se puede agregar un dispositivo de extinción de incendios al sistema de batería para que pueda reaccionar rápidamente para activar el dispositivo de extinción de incendios cuando se produce abuso térmico en una sola celda. La química detrás de los riesgos de incendio de iones de litio conduce a un diseño de extinción de incendios diferente para los sistemas de almacenamiento de energía que las soluciones de extinción de incendios convencionales, que no solo pretende extinguir el fuego, sino también reducir la temperatura de la batería. De lo contrario, las reacciones químicas exotérmicas de las células seguirán produciéndose y provocarán un nuevo encendido.

También es necesario tener especial cuidado al seleccionar los materiales de extinción de incendios. Si se rocía agua directamente sobre la carcasa de la batería en llamas, se puede producir una mezcla de gases inflamables. Y si la carcasa o el marco de la batería están hechos de acero, el agua no evitará el abuso térmico. Algunos casos muestran que el agua u otro tipo de líquidos en contacto con los terminales de la batería también pueden exacerbar el incendio. Por ejemplo, en el accidente de incendio de la central eléctrica de Vistra Moss Landing en septiembre de 2021, los informes indicaron que las mangueras de refrigeración y las uniones de las tuberías de la estación fallaron, lo que provocó que el agua salpicara los bastidores de las baterías y, en última instancia, provocara que las baterías sufrieran un cortocircuito y formaran un arco.

1.Emisión oportuna de gases combustibles.

Todos los informes de casos anteriores señalan que las concentraciones de gases combustibles son la causa principal de las explosiones. Por lo tanto, el diseño y distribución del sitio, el monitoreo de gases y los sistemas de ventilación son importantes para reducir este riesgo. En la norma NFPA 855 se menciona que se requiere un sistema de detección de gas continuo. Cuando se detecta un cierto nivel de gas combustible (es decir, 25 % del LFL), el sistema iniciará la ventilación por extracción. Además, la norma de prueba UL 9540A también menciona el requisito de recolectar los gases de escape y detectar el límite inferior de gas LFL.

Además de la ventilación, también se recomienda el uso de paneles de alivio de explosiones. En NFPA 855 se menciona que los ESS deben instalarse y mantenerse de acuerdo con NFPA 68 (Norma sobre protección contra explosiones mediante ventilación por deflagración) y NFPA 69 (Normas sobre sistemas de protección contra explosiones). Sin embargo, cuando el sistema cumple con la prueba de incendio y explosión (UL 9540A o equivalente), puede quedar exento de este requisito. Sin embargo, como las condiciones de las pruebas no son totalmente representativas de la situación real, se recomienda mejorar la ventilación y la protección contra explosiones.

2.Prevención de fallos de los sistemas auxiliares.

La programación de software/firmware y los procedimientos de puesta en marcha/prearranque inadecuados también contribuyeron a los incidentes de incendio en la central eléctrica de Victoria y en la central eléctrica de Vistra Moss Landing. En el incendio de la Central Eléctrica de Victoria, no se identificó ni bloqueó un abuso térmico iniciado por uno de los módulos, y el incendio posterior tampoco fue interrumpido. La razón por la que ocurrió esta situación es que no fue necesaria la puesta en servicio en ese momento y el sistema se apagó manualmente, incluido el sistema de telemetría, el monitoreo de fallas y el dispositivo eléctrico a prueba de fallas. Además, el sistema de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) tampoco estaba aún operativo, ya que se necesitaron 24 horas para establecer la conectividad de los equipos.

Por lo tanto, se recomienda que cualquier módulo inactivo tenga dispositivos como telemetría activa, monitoreo de fallas y dispositivos de seguridad eléctrica, en lugar de apagarse manualmente mediante un interruptor de bloqueo. Todos los dispositivos de protección de seguridad eléctrica deben mantenerse en modo activo. Además, se deben agregar sistemas de alarma adicionales para identificar y responder a diversos eventos de emergencia.

También se encontró un error de programación de software en las fases 1 y 2 de la central eléctrica Vistra Moss Landing, ya que al no superarse el umbral de arranque, se activó el disipador de calor de la batería. Al mismo tiempo, la falla del conector de la tubería de agua con la fuga de la capa superior de la batería hace que el agua esté disponible para el módulo de la batería y luego causa un cortocircuito. Estos dos ejemplos muestran lo importante que es comprobar y depurar la programación del software/firmware antes del procedimiento de inicio.

Resumen

A través del análisis de varios accidentes de incendio en estaciones de almacenamiento de energía, se debe dar alta prioridad a la ventilación y el control de explosiones, así como a los procedimientos adecuados de instalación y puesta en servicio, incluidas las comprobaciones de programación de software, que pueden prevenir accidentes con baterías. Además, se debe desarrollar un plan integral de respuesta a emergencias para hacer frente a la generación de gases y sustancias tóxicas.