Sự phổ biến của các hệ thống lưu trữ năng lượng pin đóng gói (BESS) trên các ứng dụng quy mô lưới-đã thay đổi căn bản cách các kỹ sư phòng cháy chữa cháy tiếp cận việc giảm thiểu nguy cơ nhiệt. Không giống như các hệ thống lắp đặt điện thông thường, nơi hành vi cháy diễn ra theo động lực đốt cháy tương đối có thể dự đoán được, các vụ cháy pin lithium{2}}ion thể hiện chế độ hỏng hóc theo tầng bắt nguồn từ sự thoát nhiệt điện hóa-một chuỗi phản ứng tỏa nhiệt tự duy trì mà các phương pháp ngăn chặn thông thường chưa bao giờ được thiết kế để giải quyết. Vụ nổ McMicken năm 2019 ở Arizona, sự cố Dahongmen Bắc Kinh năm 2021 và nhiều vụ suýt xảy ra-không được báo cáo đã buộc phải xem xét lại toàn bộ cách chúng tôi thiết kế, phân chia và bảo vệ những tài sản năng lượng ngày càng phổ biến này.
Vấn đề thoát nhiệt (và tại sao nó không chỉ là "cháy")
Đây là điều mà hầu hết các nhà quản lý dự án không hoàn toàn nắm bắt được khi họ nỗ lực tối ưu hóa chi phí cho việc ngăn chặn hỏa hoạn: cháy pin lithium{0}}ion không thực sự là hỏa hoạn theo nghĩa truyền thống. Đó là một lò phản ứng hóa học trở nên nguy kịch.
Khi một tế bào bước vào giai đoạn thoát nhiệt, trình tự thường bắt đầu bằng việc phân hủy lớp SEI ở khoảng 90{6}}120 độ. Điều này giải phóng oxy bên trong. Điện cực âm bắt đầu phản ứng với chất điện phân. Vật liệu điện cực dương trải qua quá trình chuyển pha và phân hủy. Chất điện phân bay hơi và cháy. Tất cả những điều này xảy ra trong một hộp kim loại kín được điều áp bằng cách tích tụ các khí-hydro, carbon monoxide, metan, ethylene, hydro florua.
Dòng thời gian? Từ sự bất thường ban đầu đến sự trút hơi dữ dội: đôi khi là vài phút, đôi khi là vài giây.
Điều khiến các hệ thống chứa trong container trở nên đặc biệt nguy hiểm là hình học không gian hạn chế. Bạn có hàng trăm, đôi khi hàng nghìn ô được đóng gói vào một thùng chứa ISO 20-foot hoặc 40 foot. Một ô bị lỗi, làm nóng các ô lân cận của nó thông qua sự dẫn truyền và bức xạ, và đột nhiên bạn không phải xử lý một sự kiện ô nào nữa - bạn đang quan sát sự lan truyền theo tầng qua toàn bộ một giá, rồi đến các giá đỡ liền kề.
Tôi đã xem xét các báo cáo sự cố trong đó thời gian từ khi cảnh báo nhiệt đầu tiên cho đến khi thùng chứa đầy là dưới bốn phút.
Bối cảnh pháp lý: Sự chắp vá đang dần hội tụ
Nói thẳng ra thì tình hình tiêu chuẩn vẫn còn là một mớ hỗn độn-mặc dù nó đang được cải thiện.
NFPA 855 đã nổi lên như một tài liệu tham khảo thực tế tại các thị trường Bắc Mỹ. Phiên bản 2023 thắt chặt yêu cầu đáng kể sau chuỗi sự cố trong năm 2019-2021. Các điều khoản chính bao gồm công suất năng lượng tối đa 600 kWh trên mỗi đơn vị mà không cần xác nhận thử nghiệm lửa bổ sung, giới hạn 50 kWh cho mỗi dãy pin và khoảng cách tối thiểu 3 foot giữa các đơn vị hoặc với các bức tường.
Bảng dữ liệu 5-33 của FM Global áp dụng cách tiếp cận thận trọng hơn ở nhiều khía cạnh, đặc biệt là về các yêu cầu thông gió để giảm cháy.
Môi trường pháp lý của Trung Quốc đã phát triển nhanh chóng. Tiêu chuẩn địa phương Bắc Kinh DB11/T 1893 đã mang tính đột phá khi được ban hành vào năm 2021-tiêu chuẩn khu vực đầu tiên quy định các yêu cầu cụ thể về phòng cháy-ở cấp container. T/CEC 373-2020 dành cho hệ thống cabin đúc sẵn LFP đã thiết lập các yêu cầu triệt tiêu cấp mô-đun mà nhiều tiêu chuẩn quốc tế vẫn chưa đáp ứng.
Điều khiến tôi thất vọng về tình trạng hiện tại: vẫn chưa có sự hài hòa quốc tế thực sự. Một hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn của Trung Quốc có thể không đáp ứng được yêu cầu thử nghiệm lửa trên quy mô lớn UL 9540A{2}}. Một hệ thống được FM phê duyệt có thể không phù hợp với các tiêu chuẩn EN của Châu Âu. Đối với các nhà phát triển đa quốc gia, điều này thực sự gây ra những vấn đề đau đầu trong việc mua sắm.
Bố cục vùng chứa: Hình học sinh tồn
Các yêu cầu về khoảng cách tách biệt khác nhau nhiều hơn mức cần thiết giữa các khu vực pháp lý, nhưng cơ sở vật lý cơ bản là nhất quán: bạn đang cố gắng ngăn chặn sự truyền nhiệt bức xạ khỏi đốt cháy các thiết bị lân cận trong khi vẫn duy trì khả năng tiếp cận khẩn cấp.
Các tiêu chuẩn của Trung Quốc quy định khoảng cách tối thiểu 4 mét giữa các đơn vị container, chỉ có thể giảm bớt bằng các rào chắn chống cháy định mức 4 giờ kéo dài 1 mét ra ngoài vỏ container ở tất cả các phía. NFPA yêu cầu đường cơ sở là 20 feet (khoảng 6 mét), về cơ bản có thể giảm xuống bằng 0 với các rào cản 3 giờ.
Suy cho cùng, hầu hết các dự án tôi từng thấy đều cố gắng giảm thiểu dấu chân-đất đai đều tốn kém. Cách tiếp cận rào cản trở nên hấp dẫn. Nhưng đây là vấn đề thực tế: những rào cản đó cần phải tồn tại không chỉ nhiệt bức xạ mà còn cả áp suất quá mức có thể gây cháy. Một bức tường CMU tiêu chuẩn sẽ không thể cắt được. Bạn cần bê tông cốt thép hoặc tương đương, được neo đúng cách, không bị xuyên thủng có thể ảnh hưởng đến xếp hạng.
Việc triển khai một câu chuyện hiện gần như phổ biến vì lý do chính đáng. Việc xếp chồng các thùng chứa đã được một số nhà tích hợp cố gắng thực hiện trong thời gian ngắn nhằm theo đuổi mật độ năng lượng. Những thách thức ngăn chặn và những biến chứng khi thoát ra đã giết chết cách tiếp cận đó một cách nhanh chóng.
Những cân nhắc về địa điểm thường bị bỏ qua:
Khoảng cách đến ranh giới khu đất và đường công cộng có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với hoạt động ứng phó khẩn cấp. Khoảng lùi 30-m so với các tuyến đường sắt theo tiêu chuẩn Trung Quốc tồn tại do tình huống thảm khốc trật bánh + cháy BESS=không ai muốn tưởng tượng. Gần nguồn nước tự nhiên không chỉ có nghĩa là có nguồn cung cấp ngăn chặn-mà còn là khả năng làm mát bền vững để quản lý nhiệt sau sự cố có thể kéo dài nhiều ngày.
Thực tế bên trong chiếc hộp có gì
BESS đóng container hiện đại không chỉ có pin được nhét trong container vận chuyển. Kiến trúc bên trong đã phát triển đáng kể.
Thông thường, bạn sẽ thấy các giá pin chiếm một vùng, với thiết bị chuyển đổi nguồn (bộ biến tần, bộ chuyển đổi DC{0}}DC) trong một ngăn riêng biệt được ngăn cách bởi hàng rào chống cháy bên trong. Lý do: cháy thiết bị điện hoạt động khác với sự cố rò rỉ nhiệt của pin và yêu cầu các phương pháp ngăn chặn khác nhau.
Quản lý nhiệt được chia thành hai phe: làm mát bằng không khí và làm mát bằng chất lỏng{1}}.
Hệ thống làm mát bằng không khí đơn giản hơn, rẻ hơn và phù hợp cho việc lắp đặt có khí hậu ôn hòa. Chênh lệch nhiệt độ trên dãy pin có thể lên tới 8-10 độ khi tải-không lý tưởng cho tuổi thọ hoặc giới hạn an toàn nhưng có thể thực hiện được.
Hệ thống làm mát bằng chất lỏng-đã trở thành tiêu chuẩn cao cấp cho việc lắp đặt-hiệu suất cao. Kỹ thuật trở nên phức tạp: đường dẫn dòng chảy song song đảm bảo mỗi tế bào nhìn thấy nhiệt độ chất làm mát tương đương, hỗn hợp nước glycol-với nồng độ được kiểm soát cẩn thận, hệ thống phát hiện rò rỉ vì chất làm mát tiếp xúc với thanh cái điện áp cao-tạo ra loại nguy hiểm riêng.
Các thiết kế làm mát bằng chất lỏng-tốt nhất đạt được chênh lệch nhiệt độ từ tế bào-đến- tế bào dưới 3 độ . Tính đồng nhất đó trực tiếp làm giảm nguy cơ thoát nhiệt và kéo dài tuổi thọ của chu trình.
Phát hiện: Cuộc đua chống lại hóa học
Đây là nơi tôi đam mê, bởi vì khả năng phát hiện là nơi mà hầu hết các hệ thống vẫn gặp lỗi.
Tính năng phát hiện khói và nhiệt truyền thống-công cụ hoạt động tốt cho các tòa nhà văn phòng-thật đáng tiếc lại không đủ khả năng để xử lý hiện tượng thoát nhiệt của pin. Vào thời điểm bạn nhìn thấy khói hoặc nhiệt độ môi trường xung quanh tăng đáng kể trong thùng chứa, bạn đã thua cuộc. Cuộc chạy trốn đã được thiết lập, có khả năng lan truyền và hệ thống trấn áp của bạn đang chống lại hành động phòng thủ phía sau.
Việc phát hiện khí là không thể-thương lượng được đối với bất kỳ cài đặt nghiêm túc nào.
Dấu hiệu-khí thải từ pin lithium{1}}ion bị hỏng rất đặc biệt: hydro xuất hiện đầu tiên và bay lên nhanh nhất, tiếp theo là carbon monoxide và các loại hydrocacbon khác nhau. Một hệ thống-được thiết kế tốt sẽ giám sát ở cấp độ giá đỡ chứ không chỉ ở môi trường xung quanh thùng chứa. Nồng độ hydro đạt 1000 ppm sẽ kích hoạt điều tra ngay lập tức. 5000 ppm có nghĩa là bạn sắp đạt đến giới hạn nổ thấp hơn và cần phản hồi tự động.
Một số cơ sở lắp đặt mới hơn đang thử nghiệm tính năng phát hiện hơi chất điện phân-nhắm mục tiêu cụ thể là cacbonat bao gồm hầu hết các công thức chất điện phân ion lithium-. Công nghệ này đầy hứa hẹn nhưng chưa đủ hoàn thiện cho các ứng dụng-cần có mã.
Phát hiện sự bất thường về điện áp và dòng điện thông qua BMS vẫn là tuyến phòng thủ đầu tiên của bạn.
Một tế bào đang phát triển ngắn mạch bên trong sẽ biểu hiện sự sụt giảm điện áp trước khi các dấu hiệu nhiệt trở nên rõ ràng. Thách thức: phân biệt các tín hiệu tiền thân thực sự với biến thể hoạt động bình thường trên hàng nghìn tế bào với dung sai sản xuất vốn có.
Các hệ thống thực sự phức tạp hiện đang kết hợp giám sát âm thanh. Các tế bào tiếp cận sự thoát nhiệt tạo ra các dấu hiệu siêu âm đặc trưng khi áp suất bên trong tăng lên. Vẫn còn thử nghiệm, nhưng vật lý là đúng.
Ức chế: Cuộc tranh luận lớn
Bước vào bất kỳ phiên hội nghị nào về phòng cháy chữa cháy BESS, bạn sẽ thấy có sự bất đồng gay gắt về việc lựa chọn tác nhân dập tắt. Tôi sẽ cung cấp cho bạn quan điểm của tôi dựa trên cả tài liệu nghiên cứu và kết quả khám nghiệm tử thi-sự cố.
Nước thắng trong việc quản lý nhiệt. Giai đoạn.
Nhiệt động lực học là không rõ ràng. Sự thoát nhiệt của ion lithium-về cơ bản là vấn đề về nhiệt. Các phản ứng bên trong có tính chất-tự oxy hóa-bạn không thể làm ngạt chúng bằng cách thay thế oxy. Bạn chỉ có thể hấp thụ đủ nhiệt để giảm nhiệt độ tế bào xuống dưới ngưỡng phản ứng.
Nhiệt bay hơi của nước (2.260 kJ/kg) không có giải pháp thực tế nào có thể so sánh được. Sương mù mịn giúp bạn hấp thụ nhiệt với lượng nước có thể quản lý được và giảm các vấn đề về độ dẫn điện.
Yêu cầu của tiêu chuẩn Bắc Kinh về khả năng ngâm toàn bộ tế bào trong vòng 10 phút phản ánh thực tế này. Khi mọi thứ khác đều thất bại, bạn làm ngập container.
Tuy nhiên, việc ngăn chặn khí có vai trò-đặc biệt đối với việc can thiệp sớm.
Heptafluoropropane (FM-200/HFC-227ea) và perfluorohexanone mới hơn (Novec 1230/FK-5-1-12) có thể dập tắt ngọn lửa trần nhanh chóng và làm mát phần nào thông qua quá trình hóa hơi. Chúng rất hữu ích trong việc phát hiện sớm các sự kiện, trước khi hiện tượng thoát nhiệt hoàn toàn hình thành hoặc để ngăn chặn các đám cháy thứ cấp trong thiết bị điện.
Vấn đề:chúng không ngừng lan truyền một khi nó đang được tiến hành. Tế bào vẫn đang tạo ra nhiệt bên trong. Nồng độ khí tiêu tan. Sự thống trị theo sau.
Phương pháp kết hợp hiện được coi là phương pháp tốt nhất: ngăn chặn khí để dập tắt ngọn lửa ngay lập tức, tiếp theo là phun sương nước để kiểm soát nhiệt bền vững, với khả năng tràn ngập hoàn toàn là phương án dự phòng cuối cùng.
Đôi lời về mối quan ngại về môi trường của tác nhân sạch:HFC-227ea được lên lịch giảm dần theo Bản sửa đổi Kigali. FK-5-1-12 có tiềm năng làm nóng lên toàn cầu không đáng kể và không có tác động đến tầng ozone. Ngành công nghiệp rõ ràng đang hướng tới perfluorohexanone, mặc dù chuỗi cung ứng và giá cả vẫn chưa hoàn toàn ổn định.
Thông gió và chống cháy nổ
Đây là nơi tôi chứng kiến việc cắt giảm-chi phí nguy hiểm nhất.
Một thùng chứa đầy pin thông hơi đang tích tụ hỗn hợp khí dễ cháy trong một không gian hạn chế. Giới hạn nổ thấp hơn của hydro là 4% trong không khí. Đạt đến nồng độ đó, đưa nguồn đánh lửa-có thể đơn giản như hồ quang từ công tắc tơ bị hỏng-và bạn sẽ bị cháy. Trong hộp kín, hiện tượng xì hơi trở thành hiện tượng nổ.
McMicken đã dạy chúng ta bài học này với bốn lính cứu hỏa bị thương.
Thông gió tích cực là bắt buộc.Tiêu chuẩn của Trung Quốc yêu cầu tối thiểu 30 lần thay đổi không khí mỗi giờ để thông gió khẩn cấp, tự động được kích hoạt khi cảm biến khí phát hiện nồng độ vượt quá 5% LEL. NFPA 69 cung cấp hướng dẫn thiết kế cho hệ thống ngăn ngừa cháy nổ.
Các tấm thông hơi-thổi{1}}chống cháy thụ động được thiết kế để giảm áp lực trước khi cấu trúc bị hỏng-là bắt buộc ở hầu hết các khu vực pháp lý. Việc tính toán kích thước theo NFPA 68 là không- tầm thường và phụ thuộc vào thể tích vỏ, áp suất kích hoạt lỗ thông hơi và tốc độ ngọn lửa dự đoán.
Vấn đề về vị trí: lỗ thông hơi phải thoát ra khỏi lối thoát hiểm và khu vực tổ chức ứng phó khẩn cấp. Tôi đã xem xét các thiết kế trong đó các tấm thông hơi sẽ thổi thẳng vào hành lang tiếp cận. Đó là công thức gây thương vong cho lính cứu hỏa.
Câu hỏi về LFP và NMC
Lựa chọn hóa học của pin có ý nghĩa an toàn cháy nổ vượt ra ngoài những so sánh độ ổn định nhiệt đơn giản.
Pin lithium sắt photphat (LFP) đã thay thế phần lớn hóa học niken-mangan-coban (NMC) trong các ứng dụng lưu trữ cố định, về cơ bản là do các cân nhắc về an toàn. Các con số ủng hộ sự thay đổi này: Sự khởi phát sự thoát nhiệt LFP thường xảy ra trên 270 độ so với 150-200 độ đối với các công thức NMC có hàm lượng niken cao. Tốc độ giải phóng nhiệt trong quá trình chạy trốn là khoảng một nửa. Việc tạo ra khí florua độc hại giảm.
Nhưng LFP vốn không "an toàn"-mà nó an toàn hơn. Sự thoát nhiệt vẫn có thể xảy ra trong điều kiện lạm dụng đủ. Sự lan truyền vẫn xảy ra. Chế độ lỗi chỉ đơn giản là cung cấp nhiều biên độ hơn cho việc phát hiện và can thiệp.
Điều khiến tôi lo lắng về diễn biến thị trường hiện tại: một số nhà phát triển coi hóa học LFP như một chất thay thế cho khả năng chống cháy hiệu quả hơn là bổ sung cho nó. Đó là lối suy nghĩ nguy hiểm mà cuối cùng sẽ gây ra sự cố.
Hồ sơ sự cố thực sự cho thấy điều gì
Tôi duy trì cơ sở dữ liệu không chính thức về các sự cố cháy BESS-báo cáo công khai, yêu cầu bảo hiểm mà tôi có quyền truy cập, thông tin liên lạc không chính thức từ các mối liên hệ trong ngành. Các mô hình mang tính hướng dẫn.
Nguyên nhân gốc tập trung xung quanh một số loại:
Lỗi sản xuất-nhiễm bẩn bên trong, căn chỉnh điện cực không đúng, hư hỏng dải phân cách-có thể chiếm tỷ lệ lớn nhất, mặc dù việc xác định chính xác thường không thể thực hiện được sau quá trình phá hủy bằng nhiệt. Lỗi BMS cho phép sạc quá mức hoặc sạc không cân bằng góp phần đáng kể. Thiệt hại bên ngoài trong quá trình vận chuyển và lắp đặt không được đánh giá cao như một nguyên nhân khởi đầu.
Sự cố về điện ở phía nguồn của pin-lỗi hồ quang DC, lỏng kết nối dẫn đến nóng điện trở, lỗi nối đất-có thể vượt quá lỗi pin thuần túy như nguyên nhân gây cháy nói chung.
Hiệu quả ứng phó rất khác nhau.Các trang web có tính năng phát hiện khí ở cấp độ mô-đun- và ngăn chặn tự động nhanh chóng đã chứa các sự kiện vào một giá đỡ. Các trang web chỉ dựa vào khả năng phát hiện cấp độ vùng chứa-thường xuyên mất toàn bộ đơn vị. Phản ứng của sở cứu hỏa đối với sự cố BESS vẫn không nhất quán-nhiều sở thiếu đào tạo về những mối nguy hiểm cụ thể này và mặc định bảo vệ vành đai phòng thủ thay vì chủ động ngăn chặn.
Vấn đề quản lý nhiệt sau sự cố là có thật và kéo dài đáng kể các mốc thời gian. Pin đã trải qua quá trình thoát nhiệt có thể bùng cháy trở lại vài giờ hoặc vài ngày sau đó khi năng lượng còn sót lại tiêu tan thông qua các phản ứng âm ỉ bên trong. Yêu cầu giám sát và làm mát mở rộng gây căng thẳng cho các nguồn lực ứng phó khẩn cấp.
Khuyến nghị thiết kế thực tế
Sau tất cả các phân tích kỹ thuật và phân tích cú pháp theo quy định, điều gì thực sự quan trọng đối với việc cài đặt mới?
Nhận khoảng cách đúng.Đừng giảm thiểu để tiết kiệm đất biên. Chi phí của một sự cố lớn vượt quá nhiều thập kỷ thanh toán tiền thuê bổ sung.
Đầu tư vào việc phát hiện-Cảm biến đa thông số ở cấp độ giá-khí, nhiệt độ, điện áp bất thường-với các giao thức phản hồi tự động. Chi phí gia tăng so với việc phát hiện khói cơ bản là không đáng kể so với giá trị giảm thiểu rủi ro.
Thiết kế để ngăn chặn sự lây lan.Giả sử một tế bào sẽ thất bại. Giả sử một mô-đun sẽ thất bại. Câu hỏi đặt ra là liệu bạn có chứa nó ở đó hay không.
Lập kế hoạch tiếp cận lính cứu hỏa.Người ứng cứu khẩn cấp cần tiếp cận, áp dụng các chất ngăn chặn và rút lui một cách an toàn. Đường ngắm quan trọng. Bán kính quay cho bộ máy là vấn đề. Khả năng cung cấp nước có vấn đề.
Hoa hồng đúng cách.Tôi đã thấy những hệ thống mà hệ thống triệt tiêu chưa bao giờ được thử nghiệm thực sự với dòng tác nhân. Trường hợp máy dò khí không được hiệu chỉnh chính xác. Trường hợp tích hợp cảnh báo BMS với bảng điều khiển cứu hỏa không hoạt động. Việc vận hành tốn tiền nhưng phát hiện ra những vấn đề này trước khi chúng trở thành tác nhân góp phần gây ra sự cố.
Nhìn về phía trước
Công nghệ tiếp tục phát triển. Pin-thể rắn hứa hẹn những cải tiến vốn có về độ ổn định nhiệt mà cuối cùng có thể làm giảm các yêu cầu chống cháy. Các thuật toán BMS nâng cao kết hợp với học máy hứa hẹn sẽ phát hiện sự bất thường sớm hơn. Việc triệt tiêu mức mô-đun-được tích hợp vào thiết kế bộ pin có thể mang lại thời gian phản hồi hiện không thể thực hiện được với các hệ thống bên ngoài.
Nhưng ngày nay chúng tôi đang triển khai công nghệ ngày nay, trên quy mô lớn, vào các mạng lưới trên toàn thế giới. Các phương pháp phòng cháy chữa cháy phải phù hợp với đặc điểm nguy hiểm của những gì đang thực sự được lắp đặt-chứ không phải những cải tiến về mặt lý thuyết trong tương lai.
Thách thức cơ bản vẫn không thay đổi: chúng ta đang lưu trữ một lượng lớn năng lượng điện hóa trong không gian nhỏ gọn và năng lượng đó muốn giải phóng. Công việc của chúng tôi là đảm bảo nó phát hành theo các điều khoản của chúng tôi chứ không phải của riêng nó.
Tác giả đã tham gia vào lĩnh vực kỹ thuật phòng cháy chữa cháy cho hệ thống lưu trữ năng lượng từ năm 2017 và đã tư vấn cho các dự án trên khắp khu vực Bắc Mỹ và Châu Á{1}}Thái Bình Dương. Các quan điểm được trình bày là ý kiến chuyên môn và không được thay thế cho phân tích kỹ thuật cụ thể của dự án-.