Запобігання теплового розгону в літій-іонних системах накопичення енергії

Безпечне управління режимами роботи літій-іонних батарей в системах накопичення енергії (ESS) має бути пріоритетом номер один для цієї галузі. У цьому ексклюзивному гостьовому блозі Алан Елдер, фахівець зі зв’язків з промисловістю компанії Johnson Controls, що має більш ніж чотири десятирічний досвід роботи в області систем газоподібного пожежогасіння, і Дерек Сандал, менеджер по продукції компанії в області інженерних систем пожежогасіння, розповідають про кращі способи запобігання пожеж , що виникають в результаті теплового розгону літієвих елементів.

Країни всього світу поставили перед собою амбітні цілі щодо скорочення глобальних викидів. В результаті інвестиції в поновлювані джерела енергії сприяють швидкому зростанню індустрії систем накопичення енергії (ESS). Очікується, що в період з 2018 по 2026 рік глобальний ринок систем накопичення енергії буде зростати на 35% в середньорічному обчисленні.

В даний час літій-іонні батареї є основним світовим засобом систем накопичення енергії. Виходячи з їх нинішньої популярності, очікується, що до 2026 року цей ринок досягне 23 мільярдів доларів США. ВЕС, СЕС і центри обробки даних вибирають літій-іонні акумулятори для систем накопичення енергії з багатьох причин, включаючи їх доступність. По-перше, літій-іонні батареї володіють високою щільністю енергії з потенціалом для ще більш високої ємності. Вони також мають відносно низький рівень саморозряду, що становить менше половини в порівнянні з батареями на основі нікелю. Їх економічність поширюється і на технічне обслуговування. Літій-іонні батареї не вимагають особливого обслуговування і періодичної розрядки.

При всіх своїх перевагах літій-іонні батареї мають і деякі обмеження. Літій-іонні батареї вимагають складних систем контролю і управління батареєю (BMS) для забезпечення їх роботи в межах контрольованих параметрів, таких як напруга, температура і стан заряду, які змінюються в міру старіння елементів батареї. Якщо управління не здійснюється належним чином, або батарея піддається іншим формам зловживання, це може привести до ризику виходу батареї з ладу, збільшуючи ризик теплового розгону і загоряння.

Промисловості, яка залежить від літій-іонних батарей, необхідне нове комплексне рішення, яке ефективно виявляє відмову батареї і втручається, щоб допомогти запобігти тепловий розгін і подальшу небезпеку пожежі.

Небезпеки, пов’язані з тепловим розгоном

Тепловий розгін може статися, якщо батарея піддається неправильного використання, що призводить до виділення токсичних і легкозаймистих газів. Тепловий розгін, що відбувається в одному елементі батареї, може швидко поширитися, викликаючи каскад теплових розгонів в сусідніх елементах батареї. Тепловий розгін може привести до катастрофічного пожежі з виділенням великої кількості тепла.
Пожежі літій-іонних акумуляторів, як відомо, важко гасити. Газоподібні системи придушення і водяні системи просто неефективні. Хоча системи пожежогасіння можуть уповільнити зростання пожежі і виділення тепла, їх недостатньо для повного гасіння після початку теплового розгону. Найбільш ефективний метод гасіння таких пожеж вимагає застосування великої кількості води протягом багатьох годин або навіть днів. У багатьох місцях, особливо віддалених або з дефіцитом води, це небажано або навіть недосяжно.

На жаль, за останні кілька років відбулося кілька таких пожеж. У листопаді 2017 року пожежа на бельгійському об’єкті промислової системи зберігання енергії на літій-іонних акумуляторах, підключеному до електромережі, недалеко від Брюсселя, привів до утворення хмари токсичних випарів, через які тисячі жителів були змушені залишитися вдома. У квітні 2019 року система Bess з літій-іонних батарей вибухнула на об’єкті компанії Arizona Public Service, в результаті чого серйозно постраждали вісім пожежних. Після цієї катастрофи американські енергетичні компанії стали приділяти особливу увагу питанням безпеки. У період з 2017 по 2019 рік в Кореї відбулося 28 пожеж на ESS, що призвело до припинення роботи 522 установок ESS.

Розуміння етапів виходу АКБ з ладу допомагає знайти рішення

Для того щоб запобігти повторенню подібних інцидентів, важливо розуміти кожну стадію відмови батареї. Існує чотири стадії, розділені на галузі запобігання та локалізації:

область запобігання

Стадія 1: зловживання батареями

На першому етапі термічний, електричний або механічний вплив призводить до пошкодження елементів, що викликає підвищення температури і тиску в елементах батареї.

Етап 2: Генерація газів, що відходять

При підвищенні температури і тиску в камерах з них виходять горючі гази. Це критичний момент, коли необхідно вжити заходів, щоб уникнути теплової розгону і пожежі.

Стадія 3: Тепловий розгін

Тепловий розгін знаменує собою кінець галузі запобігання та початок області локалізації вогнища загоряння. Температура швидко підвищується на кілька сотень градусів і утворюється дим. Саме в цей момент катастрофічне руйнування системи Bess неминуче.

Область стримування

Стадія 4: Виникнення вогню

Після теплового розгону окремих осередків АКБ відбувається загоряння окремих модулів і системи накопичення енергії в цілому. Хоча конструкція стійок для літій-іонних батарей дозволяє максимізувати щільність накопичення енергії, це також сприяє швидкому поширенню вогню. Після спалаху вогонь може легко перейти на сусідні осередки, конструкційні матеріали та стати неконтрольованим.

Більш детальний розгляд цих чотирьох стадій дозволяє визначити ідеальний момент, коли раннє втручання може запобігти теплової розгін. В ідеалі реакція повинна відбуватися в галузі запобігання, але для цього необхідно мати засоби виявлення на першій або другій стадіях. Якщо можна виявити гази і відключити батареї до того, як почнеться теплової розгін, можливо, вдасться запобігти небезпеці пожежі.

Раннє втручання запобігає теплової розгін АКБ

Як показує аналіз чотирьох стадій руйнування літій-іонних батарей, одним з кращих ознак раннього попередження є виділення газів, що відходять. За визначенням, що відходить газ – це побічний продукт хімічного процесу. Коли літій-іонні батареї починають виходити з ладу, в результаті хімічного процесу з елементів батареї виділяється пар електроліту. Цей відходить газ утворюється незабаром після пошкодження осередків та за кілька хвилин до початку теплового розгону.
При відмові літій-іонної батареї в кінцевому підсумку утворюється дим, але тільки після того, як вже почалося теплове руйнування. Виявлення диму саме по собі призводить до занадто пізнього реагування. Замість цього, виявивши присутність газів, що відходять, можна вчасно відключити пошкоджені АКБ, щоб запобігти теплової розгін.

Інтегроване рішення уможливлює раннє втручання

Ефективне рішення щодо запобігання ризику, пов’язаного з літій-іонними батареями, включає в себе моніторинг і контрольні датчики, які постійно перевіряють стійки для АКБ на наявність газів, що відходять літій-іонних батарей. Контрольні датчики надають контролера дані про навколишньому повітрі, в той час як датчики моніторингу всередині батарейних стелажів збирають дані про повітрі поблизу літій-іонних АКБ. Ці датчики можуть виявляти літій-іонні гази в концентраціях до однієї частини на мільйон (ppm) і сумісні з усіма існуючими літій-іонними хімічними елементами.

Ця система запобігання ризику призначена для відключення АКБ і запобігання теплового розгону менш ніж за п’ять секунд. Однак навіть після відключення батарей горючі гази все ще можуть бути присутніми. Якщо площа недостатньо велика чи ні можливості вентиляції, ці гази можуть становити небезпеку загорання.

Саме тут на допомогу приходять системи виявлення та пожежогасіння. При використанні інертних концентрацій система пожежогасіння може бути використана для інертизації простору після виходу газів, що відходять. Це може допомогти запобігти досягнення газами рівня горіння в поєднанні з киснем. Щоб система інертизації була ефективною, необхідно ретельно продумати момент, в який вона повинна бути запущена, і може знадобитися інтеграція з іншими системами.
При нормативних розрахункових концентраціях система пожежогасіння може використовуватися для захисту АКБ від джерел вогню , таких як матеріали класу А, і інших відмов електронних компонентів до того, як вони стануть джерелами тепла, здатними запалити АКБ.

Інтеграція виявлення газів, що відходять з виявленням і придушенням пожежі забезпечує раннє втручання, необхідне для запобігання теплового розгону і небезпеки пожежі. Система не вимагає електричного або механічного контакту з осередками батареї і по суті є модернізацією існуючих систем, що дозволяє їй працювати в реальних, робочих умовах.

За прогнозами, в найближчі п’ять років кількість систем накопичення енергії з літій-іонними батареями значно зросте. Оскільки літій-іонні осередки можуть вийти з ладу і вибухнути, причому найчастіше без попередження, як ніколи важливо виявити і запобігти теплової розгін до того, як станеться найгірше. Поєднання раннього виявлення газів, що відходять з системами виявлення і придушення пожежі або інертизації є комплексним вирішенням, що забезпечує раннє попередження, необхідне для підтримки безпечної і стабільної роботи галузі ESS.