Hintergrund

Die Energiekrise hat in den letzten Jahren dazu geführt, dass Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichersysteme (ESS) immer häufiger eingesetzt werden, es kam jedoch auch zu einer Reihe gefährlicher Unfälle, die zu Schäden an Anlagen und der Umwelt, wirtschaftlichen Verlusten und sogar zum Verlust von Ressourcen führten Leben. Untersuchungen haben ergeben, dass es trotz der Einhaltung von Standards für Batteriesysteme wie UL 9540 und UL 9540A durch ESS zu thermischem Missbrauch und Bränden kam. Daher werden Lehren aus vergangenen Fällen und die Analyse der Risiken und ihrer Gegenmaßnahmen der Entwicklung der ESS-Technologie zugute kommen.

Überprüfung der Fälle

Im Folgenden werden die öffentlich gemeldeten Unfallfälle großer ESS auf der ganzen Welt von 2019 bis heute zusammengefasst.

Die Ursachen der oben genannten Unfälle lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1) Ein Ausfall der internen Zelle löst einen thermischen Missbrauch der Batterie und des Moduls aus und führt schließlich dazu, dass das gesamte ESS Feuer fängt oder explodiert.

Der durch thermischen Missbrauch der Zelle verursachte Ausfall wird im Wesentlichen dadurch beobachtet, dass ein Brand gefolgt von einer Explosion entsteht. Beispielsweise kam es bei Unfällen im McMicken-Kraftwerk in Arizona, USA im Jahr 2019 und im Fengtai-Kraftwerk in Peking, China im Jahr 2021 beide nach einem Brand zu einer Explosion. Ein solches Phänomen wird durch den Ausfall einer einzelnen Zelle verursacht, der eine interne chemische Reaktion auslöst, bei der Wärme freigesetzt wird (exotherme Reaktion). Die Temperatur steigt weiter an und breitet sich auf benachbarte Zellen und Module aus, was zu einem Brand oder sogar einer Explosion führt. Der Fehlermodus einer Zelle wird im Allgemeinen durch Überladung oder Ausfall des Steuersystems, thermische Belastung, externen Kurzschluss und internen Kurzschluss verursacht (der durch verschiedene Bedingungen wie Einkerbungen oder Dellen, Materialverunreinigungen, Eindringen von externen Objekten usw. verursacht werden kann). ).

Nach der thermischen Belastung der Zelle entsteht brennbares Gas. Von oben können Sie erkennen, dass die ersten drei Explosionsfälle dieselbe Ursache haben, nämlich dass brennbares Gas nicht rechtzeitig entweichen kann. An dieser Stelle kommt es besonders auf die Batterie, das Modul und das Behälterbelüftungssystem an. Im Allgemeinen werden Gase aus der Batterie durch das Auslassventil abgelassen, und die Druckregulierung des Auslassventils kann die Ansammlung brennbarer Gase reduzieren. In der Modulphase wird im Allgemeinen ein externer Lüfter oder eine Gehäusekühlung eingesetzt, um die Ansammlung brennbarer Gase zu vermeiden. Schließlich sind im Containerstadium auch Lüftungseinrichtungen und Überwachungssysteme zur Evakuierung brennbarer Gase erforderlich.

2) ESS-Fehler aufgrund eines externen Hilfssystemfehlers

Ein Gesamtausfall des ESS, der durch einen Ausfall des Hilfssystems verursacht wird, tritt typischerweise außerhalb des Batteriesystems auf und kann zu Verbrennungen oder Rauchbildung an externen Komponenten führen. Und wenn das System rechtzeitig überwacht und darauf reagiert, führt dies nicht zu einem Zellausfall oder thermischem Missbrauch. Bei den Unfällen des Kraftwerks Vistra Moss Landing Phase 1 2021 und Phase 2 2022 kam es zu Rauch und Feuer, da die Fehlerüberwachung und die elektrischen Ausfallsicherungsgeräte zu diesem Zeitpunkt während der Inbetriebnahmephase ausgeschaltet waren und nicht rechtzeitig reagieren konnten . Diese Art der Flammenverbrennung beginnt normalerweise an der Außenseite des Batteriesystems, bevor sie sich schließlich in das Innere der Zelle ausbreitet, so dass es zu keiner heftigen exothermen Reaktion und Ansammlung brennbarer Gase und damit in der Regel auch zu keiner Explosion kommt. Wenn die Sprinkleranlage rechtzeitig eingeschaltet werden kann, entstehen zudem keine größeren Schäden an der Anlage.

Der Brandunfall „Victorian Power Station“ im australischen Geelong im Jahr 2021 wurde durch einen Kurzschluss in der Batterie verursacht, der durch einen Kühlmittelaustritt verursacht wurde, was uns daran erinnert, auf die physische Isolierung des Batteriesystems zu achten. Es wird empfohlen, zwischen externen Einrichtungen und dem Batteriesystem einen gewissen Abstand einzuhalten, um gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden. Das Batteriesystem sollte außerdem mit einer Isolationsfunktion ausgestattet sein, um externe Kurzschlüsse zu vermeiden.

Gegenmaßnahmen

Aus der obigen Analyse geht klar hervor, dass die Ursachen für ESS-Unfälle der thermische Missbrauch der Zelle und der Ausfall des Hilfssystems sind. Wenn der Ausfall nicht verhindert werden kann, kann auch die Verringerung der weiteren Verschlechterung nach dem blockierenden Ausfall den Verlust verringern. Die Gegenmaßnahmen können unter folgenden Gesichtspunkten betrachtet werden:

Blockierung der thermischen Ausbreitung nach thermischem Missbrauch der Zelle

Um die Ausbreitung des thermischen Missbrauchs der Zelle zu verhindern, kann eine Isolationsbarriere hinzugefügt werden, die zwischen den Zellen, zwischen den Modulen oder zwischen den Racks installiert werden kann. Im Anhang von NFPA 855 (Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems) finden Sie auch die entsprechenden Anforderungen. Spezifische Maßnahmen zur Isolierung der Barriere umfassen das Einbringen von Kaltwasserplatten, Aerogel und Ähnlichem zwischen den Zellen.

Dem Batteriesystem kann eine Feuerlöschvorrichtung hinzugefügt werden, sodass es schnell reagieren und die Feuerlöschvorrichtung aktivieren kann, wenn in einer einzelnen Zelle ein thermischer Missbrauch auftritt. Die Chemie hinter den Brandgefahren von Lithium-Ionen-Akkus führt zu einem anderen Brandbekämpfungsdesign für Energiespeichersysteme als herkömmliche Brandbekämpfungslösungen, das nicht nur das Löschen des Feuers, sondern auch die Senkung der Temperatur der Batterie zum Ziel hat. Andernfalls laufen die exothermen chemischen Reaktionen der Zellen weiter ab und lösen eine erneute Entzündung aus.

Auch bei der Auswahl der Feuerlöschmaterialien ist besondere Sorgfalt geboten. Wenn das Wasser direkt auf das brennende Batteriegehäuse gesprüht wird, kann ein brennbares Gasgemisch entstehen. Und wenn das Batteriegehäuse oder der Rahmen aus Stahl bestehen, verhindert Wasser keinen thermischen Missbrauch. Einige Fälle zeigen, dass Wasser oder andere Flüssigkeiten, die mit den Batteriepolen in Kontakt kommen, den Brand ebenfalls verschlimmern können. Beispielsweise wurde beim Brandunfall des Kraftwerks Vistra Moss Landing im September 2021 berichtet, dass die Kühlschläuche und Rohrverbindungen der Station versagten, was dazu führte, dass Wasser auf die Batteriegestelle spritzte und schließlich einen Kurzschluss und einen Lichtbogen in den Batterien verursachte.

1. Rechtzeitige Emission brennbarer Gase

Alle oben genannten Fallberichte deuten darauf hin, dass Konzentrationen brennbarer Gase die Hauptursache für Explosionen sind. Daher sind Standortgestaltung und -layout sowie Gasüberwachungs- und Belüftungssysteme wichtig, um dieses Risiko zu reduzieren. In der Norm NFPA 855 wird erwähnt, dass ein kontinuierliches Gasdetektionssystem erforderlich ist. Wenn ein bestimmter Gehalt an brennbarem Gas (z. B. 25 % der LFL) erkannt wird, beginnt das System mit der Absaugung. Darüber hinaus wird in der Prüfnorm UL 9540A auch die Anforderung erwähnt, Abgase zu sammeln und den unteren Grenzwert des Gas-LFL zu ermitteln.

Zusätzlich zur Entlüftung wird auch der Einsatz von Explosionsentlastungsplatten empfohlen. In NFPA 855 wird erwähnt, dass ESSs gemäß NFPA 68 (Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting) und NFPA 69 (Standards on Explosion Protection Systems) installiert und gewartet werden müssen. Wenn das System jedoch den Brand- und Explosionstest (UL 9540A oder gleichwertig) erfüllt, kann es von dieser Anforderung ausgenommen werden. Da die Testbedingungen jedoch nicht vollständig der tatsächlichen Situation entsprechen, wird eine Verbesserung der Belüftung und des Explosionsschutzes empfohlen.

2. Ausfallverhütung von Hilfssystemen

Unzureichende Software-/Firmware-Programmierung und Inbetriebnahme-/Vorstartverfahren trugen ebenfalls zu den Brandvorfällen in den Kraftwerken Victorian Power Station und Vistra Moss Landing Power Station bei. Bei dem Brand im Victorian Power Station wurde ein durch eines der Module ausgelöster thermischer Missbrauch nicht erkannt oder blockiert, und auch die Brandverfolgung wurde nicht unterbrochen. Der Grund für diese Situation liegt darin, dass zu diesem Zeitpunkt keine Inbetriebnahme erforderlich war und das System einschließlich Telemetriesystem, Fehlerüberwachung und elektrischer Ausfallsicherung manuell heruntergefahren wurde. Darüber hinaus war auch das SCADA-System (Supervisory Control and Data Acquisition) noch nicht betriebsbereit, da die Herstellung der Gerätekonnektivität 24 Stunden dauerte.

Daher wird empfohlen, dass alle inaktiven Module über Geräte wie aktive Telemetrie, Fehlerüberwachung und elektrische Sicherheitsvorrichtungen verfügen und nicht manuell über einen Sperrschalter abgeschaltet werden. Alle elektrischen Sicherheitsschutzvorrichtungen sollten im aktiven Modus gehalten werden. Darüber hinaus sollten zusätzliche Alarmsysteme hinzugefügt werden, um verschiedene Notfallereignisse zu erkennen und darauf zu reagieren.

Ein Software-Programmierfehler wurde auch in den Phasen 1 und 2 der Vistra Moss Landing Power Station festgestellt, da der Startschwellenwert nicht überschritten wurde und der Batteriekühlkörper aktiviert wurde. Gleichzeitig führt der Ausfall des Wasserleitungsanschlusses und die Undichtigkeit der oberen Schicht der Batterie dazu, dass das Wasser dem Batteriemodul zur Verfügung steht und es dann zu einem Kurzschluss kommt. Diese beiden Beispiele zeigen, wie wichtig es ist, die Software-/Firmware-Programmierung vor der Inbetriebnahme zu überprüfen und zu debuggen.

Zusammenfassung

Durch die Analyse mehrerer Brandunfälle in Energiespeicherstationen sollte der Belüftung und dem Explosionsschutz sowie ordnungsgemäßen Installations- und Inbetriebnahmeverfahren, einschließlich Softwareprogrammierungsprüfungen, hohe Priorität eingeräumt werden, um Batterieunfälle zu verhindern. Darüber hinaus sollte ein umfassender Notfallplan zur Bewältigung der Entstehung giftiger Gase und Substanzen entwickelt werden.