Предотвращение теплового разгона в литий-ионных системах energy storage

Безопасное управление режимами работы литий-ионных батарей в системах накопления энергии (ESS) должно быть приоритетом номер один для этой отрасли. В этом эксклюзивном гостевом блоге Алан Элдер, специалист по связям с промышленностью компании Johnson Controls, имеющий более чем четыре десятилетний опыт работы в области систем газообразного пожаротушения, и Дерек Сандал, менеджер по продукции компании в области инженерных систем  пожаротушения, рассказывают о лучших способах предотвращения пожаров, возникающих в результате теплового разгона литиевых элементов.

Страны всего мира поставили перед собой амбициозные цели по сокращению глобальных выбросов. В результате инвестиции в возобновляемые источники энергии способствуют быстрому росту индустрии систем energy storage ( ESS ). Ожидается, что в период с 2018 по 2026 год глобальный рынок систем накопления  энергии будет расти на 35% в среднегодовом исчислении.

В настоящее время литий-ионные батареи являются основным мировым средством систем накопления энергии. Исходя из их нынешней популярности, ожидается, что к 2026 году этот рынок достигнет 23 миллиардов долларов США. ВЭС, СЭС и центры обработки данных выбирают литий-ионные аккумуляторы для систем накопления энергии по многим причинам, включая их доступность. Во-первых, литий-ионные батареи обладают высокой плотностью энергии с потенциалом для еще более высокой емкости. Они также имеют относительно низкий уровень саморазряда, составляющий менее половины по сравнению с батареями на основе никеля. Их экономичность распространяется и на техническое обслуживание. Литий-ионные батареи не требуют особого обслуживания и периодической разрядки.

При всех своих преимуществах литий-ионные батареи имеют и некоторые ограничения. Литий-ионные батареи требуют сложных систем контроля и управления батареей ( BMS ) для обеспечения их работы в пределах контролируемых параметров, таких как напряжение, температура и состояние заряда, которые изменяются по мере старения элементов батареи. Если управление не осуществляется должным образом, или батарея подвергается другим формам злоупотребления, это может привести к риску выхода батареи из строя, увеличивая риск теплового разгона и возгорания.

Промышленности, зависящей от литий-ионных батарей, необходимо новое комплексное решение, которое эффективно обнаруживает отказ батареи и вмешивается, чтобы помочь предотвратить тепловой разгон и последующую опасность пожара.

Опасности, связанные с тепловым разгоном

Тепловой разгон может произойти, если батарея подвергается неправильному использованию, что приводит к выделению токсичных и легковоспламеняющихся газов. Тепловой разгон, происходящий в одной ячейке батареи, может быстро распространиться, вызывая каскад тепловых разгонов в соседних элементах батареи. Тепловой разгон может привести к катастрофическому пожару с выделением большого количества тепла.

Пожары литий-ионных аккумуляторов, как известно, трудно тушить. Газообразные системы подавления и водяные системы просто неэффективны. Хотя системы пожаротушения могут замедлить рост пожара и выделение тепла, их недостаточно для полного тушения после начала теплового разгона. Наиболее эффективный метод тушения таких пожаров требует применения большого количества воды в течение многих часов или даже дней. Во многих местах, особенно отдаленных или с дефицитом воды, это нежелательно или даже недостижимо.

К сожалению, за последние несколько лет произошло несколько таких пожаров. В ноябре 2017 года пожар на бельгийском объекте промышленной системы хранения энергии на литий-ионных аккумуляторах, подключенном к электросети, недалеко от Брюсселя, привел к образованию облака токсичных испарений, из-за которых тысячи жителей были вынуждены остаться дома. В апреле 2019 года система Bess из литий-ионных батарей взорвалась на объекте компании Arizona Public Service, в результате чего серьезно пострадали восемь пожарных. После этой катастрофы американские энергетические компании стали уделять особое внимание вопросам безопасности. В период с 2017 по 2019 год в Корее произошло 28 пожаров на ESS, что привело к приостановке работы 522 установок ESS.

Понимание этапов выхода АКБ из строя помогает найти решение

Для того чтобы предотвратить повторение подобных инцидентов, важно понимать каждую стадию отказа батареи. Существует четыре стадии, разделенные на области предотвращения и локализации:

Область предотвращения

Стадия 1: злоупотребление батареями

На первом этапе термическое, электрическое или механическое воздействие приводит к повреждению элементов, что вызывает повышение температуры и давления в элементах батареи.

Этап 2: Генерация отходящих газов

При повышении температуры и давления в камерах из них выходят горючие газы. Это критический момент, когда необходимо принять меры, чтобы избежать тепловой разгона и пожара.

Стадия 3: Тепловой разгон

Тепловой разгон знаменует собой конец области предотвращения и начало области локализации очага возгорания. Температура быстро повышается на несколько сотен градусов и образуется дым. Именно в этот момент катастрофическое разрушение системы Bess неизбежно.

Область сдерживания

Стадия 4: Возникновение огня

После теплового разгона отдельных ячеек АКБ происходит возгорание отдельных модулей и системы накопления энергии в целом. Хотя конструкция стоек для литий-ионных батарей позволяет максимизировать плотность накопления энергии, это также способствует быстрому распространению огня. После возгорания огонь может легко перейти на соседние ячейки, конструкционные материалы и стать неконтролируемым.

Более детальное рассмотрение этих четырех стадий позволяет определить идеальный момент, когда раннее вмешательство может предотвратить тепловой разгон. В идеале реакция должна происходить в области предотвращения, но для этого необходимо иметь средства обнаружения на первой или второй стадиях. Если можно обнаружить отходящие газы и отключить батареи до того, как начнется тепловой разгон, возможно, удастся предотвратить опасность пожара.

Раннее вмешательство предотвращает тепловой разгон АКБ

Как показывает анализ четырех стадий разрушения литий-ионных батарей, одним из лучших признаков раннего предупреждения является выделение отходящих газов. По определению, отходящий газ — это побочный продукт химического процесса. Когда литий-ионные батареи начинают выходить из строя, в результате химического процесса из элементов батареи выделяется пар электролита. Этот отходящий газ образуется вскоре после повреждения ячеек и за несколько минут до начала теплового разгона.

При отказе литий-ионной батареи в конечном итоге образуется дым, но только после того, как уже началось тепловое разрушение. Обнаружение дыма само по себе приводит к слишком позднему реагированию. Вместо этого, обнаружив присутствие отходящих газов, можно вовремя отключить поврежденные АКБ, чтобы предотвратить тепловой разгон.

Интегрированное решение делает возможным раннее вмешательство

Эффективное решение по предотвращению риска, связанного с литий-ионными батареями, включает в себя мониторинг и контрольные датчики, которые постоянно проверяют стойки для АКБ на наличие отходящих газов литий-ионных батарей. Контрольные датчики предоставляют контроллеру данные об окружающем воздухе, в то время как датчики мониторинга внутри батарейных стеллажей собирают данные о воздухе вблизи литий-ионных АКБ. Эти датчики могут обнаруживать литий-ионные отходящие газы в концентрациях до одной части на миллион (ppm) и совместимы со всеми существующими литий-ионными химическими элементами.

Эта система предотвращения риска предназначена для отключения АКБ и предотвращения теплового разгона менее чем за пять секунд. Однако даже после отключения батарей горючие отходящие газы все еще могут присутствовать. Если площадь недостаточно велика или нет возможности вентиляции, эти отходящие газы могут представлять опасность возгорания.

Именно здесь на помощь приходят системы обнаружения и пожаротушения. При использовании инертных концентраций система пожаротушения может быть использована для инертизации пространства после выхода отходящих газов. Это может помочь предотвратить достижение отходящими газами уровня горения в сочетании с кислородом. Чтобы система инертизации была эффективной, необходимо тщательно продумать момент, в который она должна быть запущена, и может потребоваться интеграция с другими системами.

При нормативных расчетных концентрациях система пожаротушения может использоваться для защиты АКБ от источников огня, таких как материалы класса А, и других отказов электронных компонентов до того, как они станут источниками тепла, способными воспламенить АКБ.

Интеграция обнаружения отходящих газов с обнаружением и подавлением пожара обеспечивает раннее вмешательство, необходимое для предотвращения теплового разгона и опасности пожара. Система не требует электрического или механического контакта с ячейками батареи и по сути является модернизацией существующих систем, что позволяет ей работать в реальных, рабочих условиях.

По прогнозам, в ближайшие пять лет количество систем energy storage с литий-ионными батареями значительно возрастет. Поскольку литий-ионные ячейки могут выйти из строя и взорваться, причем зачастую без предупреждения, как никогда важно обнаружить и предотвратить тепловой разгон до того, как произойдет самое худшее. Сочетание раннего обнаружения отходящих газов с системами обнаружения и подавления пожара или инертизации представляет собой комплексное решение, обеспечивающее раннее предупреждение, необходимое для поддержания безопасной и устойчивой работы отрасли ESS.