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A crise energética tornou os sistemas de armazenamento de energia com baterias de iões de lítio (ESS) mais amplamente utilizados nos últimos anos, mas também ocorreram vários acidentes perigosos que resultaram em danos às instalações e ao ambiente, perdas económicas e até perda de energia. vida. As investigações descobriram que, embora o ESS tenha atendido aos padrões relacionados aos sistemas de baterias, como UL 9540 e UL 9540A, ocorreram abusos térmicos e incêndios. Portanto, aprender lições de casos passados ​​e analisar os riscos e as suas contramedidas beneficiará o desenvolvimento da tecnologia ESS.

Revisão de casos

O que se segue resume os casos de acidentes de ESS de grande escala em todo o mundo, de 2019 até à data, que foram relatados publicamente.

As causas dos acidentes acima podem ser resumidas nas duas seguintes:

1) Uma falha na célula interna desencadeia abuso térmico da bateria e do módulo e, finalmente, faz com que todo o ESS pegue fogo ou exploda.

A falha causada pelo abuso térmico da célula é basicamente observada como um incêndio seguido de uma explosão. Por exemplo, os acidentes da central eléctrica McMicken, no Arizona, EUA, em 2019, e da central eléctrica Fengtai, em Pequim, China, em 2021, explodiram após um incêndio. Tal fenômeno é causado pela falha de uma única célula, que desencadeia uma reação química interna, liberando calor (reação exotérmica), e a temperatura continua a subir e se espalhar para células e módulos próximos, causando um incêndio ou até mesmo uma explosão. O modo de falha de uma célula é geralmente causado por sobrecarga ou falha do sistema de controle, exposição térmica, curto-circuito externo e curto-circuito interno (que pode ser causado por várias condições, como indentação ou amassado, impurezas materiais, penetração de objetos externos, etc. ).

Após o abuso térmico da célula, será produzido gás inflamável. Acima você pode notar que os três primeiros casos de explosão têm a mesma causa, ou seja, o gás inflamável não consegue ser descarregado em tempo hábil. Neste ponto, a bateria, o módulo e o sistema de ventilação do contentor são particularmente importantes. Geralmente os gases são descarregados da bateria através da válvula de escape, e a regulação da pressão da válvula de escape pode reduzir o acúmulo de gases combustíveis. No estágio modular, geralmente será utilizado um ventilador externo ou um projeto de resfriamento de casco para evitar o acúmulo de gases combustíveis. Finalmente, na fase de contentor, também são necessárias instalações de ventilação e sistemas de monitorização para evacuar gases combustíveis.

2) Falha do ESS causada por falha do sistema auxiliar externo

Uma falha geral do ESS causada por uma falha do sistema auxiliar normalmente ocorre fora do sistema de bateria e pode resultar em queima ou fumaça de componentes externos. E quando o sistema monitorou e respondeu em tempo hábil, não levará à falha da célula ou ao abuso térmico. Nos acidentes da central elétrica Vistra Moss Landing Fase 1 2021 e Fase 2 2022, fumaça e fogo foram gerados porque o monitoramento de falhas e os dispositivos elétricos à prova de falhas foram desligados naquele momento durante a fase de comissionamento e não puderam responder em tempo hábil . Este tipo de queima de chama geralmente começa na parte externa do sistema de bateria antes de finalmente se espalhar para o interior da célula, de modo que não há reação exotérmica violenta e acúmulo de gás combustível e, portanto, geralmente não há explosão. Além do mais, se o sistema de sprinklers puder ser ligado a tempo, não causará grandes danos às instalações.

O acidente de incêndio da “Central Elétrica Vitoriana” em Geelong, Austrália, em 2021, foi causado por um curto-circuito na bateria causado por vazamento de líquido refrigerante, o que nos lembra de prestar atenção ao isolamento físico do sistema de bateria. Recomenda-se manter um certo espaço entre as instalações externas e o sistema de baterias para evitar interferências mútuas. O sistema de bateria também deve ser equipado com função de isolamento para evitar curto-circuito externo.

Contramedidas

Pela análise acima, fica claro que as causas dos acidentes com ESS são o abuso térmico da célula e a falha do sistema auxiliar. Se a falha não puder ser evitada, a redução da deterioração adicional após a falha de bloqueio também poderá reduzir a perda. As contramedidas podem ser consideradas a partir dos seguintes aspectos:

Bloqueio da propagação térmica após abuso térmico da célula

Pode ser adicionada barreira de isolamento para bloquear a propagação do abuso térmico da célula, que pode ser instalada entre as células, entre os módulos ou entre os racks. No apêndice da NFPA 855 (Norma para Instalação de Sistemas Estacionários de Armazenamento de Energia), você também pode encontrar os requisitos relacionados. Medidas específicas para isolar a barreira incluem a inserção de placas de água fria, aerogel e similares entre as células.

Um dispositivo de supressão de incêndio ao sistema de bateria pode ser adicionado para que ele possa reagir rapidamente para ativar o dispositivo de supressão de incêndio quando ocorrer abuso térmico em uma única célula. A química por trás dos riscos de incêndio de íons de lítio leva a um projeto de supressão de incêndio para sistemas de armazenamento de energia diferente das soluções convencionais de combate a incêndio, que não serve apenas para extinguir o incêndio, mas também para reduzir a temperatura da bateria. Caso contrário, as reações químicas exotérmicas das células continuarão a ocorrer e desencadearão uma re-ignição.

Também é necessário cuidado extra ao selecionar materiais de extinção de incêndio. Se a água for borrifada diretamente sobre o invólucro da bateria em chamas, poderá produzir uma mistura de gases inflamáveis. E se a caixa ou estrutura da bateria for feita de aço, a água não impedirá o abuso térmico. Alguns casos mostram que água ou outros tipos de líquidos em contato com os terminais da bateria também podem agravar o incêndio. Por exemplo, no acidente de incêndio da central eléctrica de Vistra Moss Landing em Setembro de 2021, os relatórios indicaram que as mangueiras de arrefecimento e as juntas dos tubos da estação falharam, fazendo com que a água espirrasse nos suportes das baterias e, em última análise, provocando um curto-circuito e arco nas baterias.

1. Emissão oportuna de gases combustíveis

Todos os relatos de casos acima apontam para concentrações de gases combustíveis como a principal causa das explosões. Portanto, a concepção e disposição do local, a monitorização de gases e os sistemas de ventilação são importantes para reduzir este risco. Na norma NFPA 855 é mencionado que é necessário um sistema contínuo de detecção de gás. Quando for detectado um determinado nível de gás combustível (ou seja, 25% do LFL), o sistema iniciará a ventilação de exaustão. Além disso, o padrão de teste UL 9540A também menciona o requisito de coletar gases de escape e detectar o limite inferior do gás LFL.

Além da ventilação, também é recomendado o uso de painéis de alívio de explosão. É mencionado na NFPA 855 que os ESSs devem ser instalados e mantidos de acordo com a NFPA 68 (Norma sobre Proteção contra Explosão por Ventilação de Deflagração) e NFPA 69 (Normas sobre Sistemas de Proteção contra Explosão). Porém, quando o sistema estiver em conformidade com o Teste de Incêndio e Explosão (UL 9540A ou equivalente), poderá ser isento deste requisito. Contudo, como as condições de ensaio não são totalmente representativas da situação real, recomenda-se um reforço da ventilação e da protecção contra explosões.

2. Prevenção de falhas de sistemas auxiliares

A programação inadequada de software/firmware e os procedimentos de comissionamento/pré-partida também contribuíram para os incidentes de incêndio na Central Elétrica de Victoria e na Central Elétrica de Vistra Moss Landing. No incêndio da Central Elétrica de Victoria, um abuso térmico iniciado por um dos módulos não foi identificado ou bloqueado, e o incêndio que se seguiu também não foi interrompido. A razão pela qual esta situação aconteceu é que o comissionamento não foi necessário naquele momento, e o sistema foi desligado manualmente, incluindo sistema de telemetria, monitoramento de falhas e dispositivo elétrico à prova de falhas. Além disso, o sistema de Controle de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) também ainda não estava operacional, pois demorava 24 horas para estabelecer a conectividade dos equipamentos.

Portanto, recomenda-se que quaisquer módulos ociosos tenham dispositivos como telemetria ativa, monitoramento de falhas e dispositivos de segurança elétrica, em vez de serem desligados manualmente por meio de uma chave de bloqueio. Todos os dispositivos de proteção de segurança elétrica devem ser mantidos em modo ativo. Além disso, deverão ser acrescentados sistemas de alarme adicionais para identificar e responder a vários eventos de emergência.

Um erro de programação de software também foi encontrado nas fases 1 e 2 da usina Vistra Moss Landing, como o limite de inicialização não foi excedido, o dissipador de calor da bateria foi ativado. Ao mesmo tempo, a falha do conector do tubo de água com o vazamento da camada superior da bateria disponibiliza a água para o módulo da bateria e causa curto-circuito. Esses dois exemplos mostram como é importante que a programação de software/firmware seja verificada e depurada antes do procedimento de inicialização.

Resumo

Através da análise de vários acidentes de incêndio em estações de armazenamento de energia, deve ser dada alta prioridade ao controle de ventilação e explosão, procedimentos adequados de instalação e comissionamento, incluindo verificações de programação de software, que podem prevenir acidentes com baterias. Além disso, deverá ser desenvolvido um plano abrangente de resposta a emergências para lidar com a geração de gases e substâncias tóxicas.