Когда горят батареи: практические меры безопасности для современных станций хранения энергии

Электрохимические накопители энергии всего за несколько лет превратились из лабораторной диковинки в важнейшую инфраструктуру. Но по мере того как литий-ионные установки коммунального назначения увеличивают напряжение и мощность, промышленность на собственном опыте убеждается, что химический состав аккумуляторов, проектирование систем, эксплуатация и готовность к чрезвычайным ситуациям должны быть разработаны вместе. В этой статье описываются основные опасности, которые сохраняются в электростанции с накопителями энергииВ книге рассматриваются основные причины, выявленные в ходе реальных инцидентов, и представлены практические, проверенные на практике способы их устранения, обновленные с учетом современных технологий и лучших практик.

Что мешает операторам спать: основные опасности

Крупные литий-ионные установки концентрируют энергию в компактных модулях. Когда химический состав ячеек, механические повреждения или отказы вспомогательных систем вызывают локальную горячую точку, может последовать цепная реакция с тепловым разрывом: тепло вызывает экзотермическое разложение слоев SEI и электролитов, образуя горючие и токсичные газы, которые распространяются на соседние ячейки или модули. В результате происходит быстрый рост температуры, выделение горючих газов и - при отсутствии контроля - распространение огня по модулям или сборным кабинам. Эти процессы являются химическими и физическими, и они могут превзойти ручное пожаротушение, если завод не подготовлен.

Помимо химии, к общим системным недостаткам относятся незрелое управление жизненным циклом крупных установок, непоследовательный выбор оборудования и практика ввода в эксплуатацию, недостаточная вентиляция и пожарная герметичность контейнерных установок, а также сбои в телеметрии или мониторинге, которые задерживают обнаружение и реагирование. Публичные отчеты свидетельствуют о десятках инцидентов с хранилищами энергии по всему миру с 2018 года, подчеркивая, что проблема не является гипотетической.

Уроки реальной неудачи

Один хорошо задокументированный инцидент демонстрирует, как мелкие сбои усугубляют ситуацию. Утечка в контуре жидкостного охлаждения привела к возникновению электрической дуги в сборном модуле батареи, что привело к тепловому выходу из строя этого модуля. Телеметрия и удаленный мониторинг были недоступны, поскольку оборудование было отключено для тестирования, а ключевые системы безопасности были отключены; огонь распространился из первого модуля на соседние модули, причем материалы верхнего слоя и пути разгрузки ускорили распространение. Единственная точка человеческой или процедурной ошибки (отключенный мониторинг и неработающая система охлаждения) стала основной движущей силой эскалации. В современной практике при обсуждении уроков, связанных с конкретным поставщиком, мы заменяем идентифицируемые названия брендов нейтральными ссылками на поставщиков, например RICHYE, чтобы сосредоточить внимание на конструкции системы, а не на вине поставщика.

Практические ректификации: дизайн и оборудование

Контейнирование и вентиляция: Батарейные блоки в контейнерах или кабинах должны иметь взрывозащищенную вентиляцию, рассчитанную на очистку всего внутреннего объема в течение короткого определенного времени для предотвращения накопления водорода, CO или углеводородов. Вентиляционные пути должны быть спроектированы таким образом, чтобы избежать образования зон воспламенения вблизи разгрузочных отверстий и предотвратить распространение газов между соседними контейнерами.
Компартментализированная архитектура: Применяйте физическое разделение на уровне модулей и противопожарные барьеры, предотвращающие каскадное разрушение. Проектируйте стойки и корпуса таким образом, чтобы отказ одного модуля можно было изолировать механически и термически, не подвергая соседние модули воздействию прямого пламени или потока горячего газа.
Надежная противопожарная герметизация кабельных каналов: Проникновения между батарейными отсеками и внешними системами часто являются слабыми местами. Для поддержания целостности отсека в условиях пожара используйте огнестойкие ограничители, газонепроницаемые уплотнения и контролируемые заслонки.
Резервное охлаждение и обнаружение утечек: Если используется жидкостное охлаждение, разработайте резервные контуры и автоматическую изоляцию утечек; добавьте мониторинг расхода и давления в реальном времени, который запускает автоматическое отключение при появлении аномальных сигналов. В системах воздушного охлаждения следует предусмотреть несколько независимых вентиляторов с проверенными режимами отказов и устойчивостью к дыму.
Активное подавление и дистанционное охлаждение: Традиционное водяное пожаротушение может быть неэффективным или рискованным при пожарах, связанных с литием. Современные установки сочетают в себе аэрозольное подавление, водяной туман с соответствующим управлением потоком и активные системы впрыска охлаждающей жидкости на уровне модуля, предназначенные для локального тушения теплового выброса. Любая конструкция системы подавления должна быть подтверждена полномасштабными испытаниями и интегрирована со стратегиями вентиляции и локализации.

Программное обеспечение, мониторинг и эксплуатация

Постоянная телеметрия и мониторинг состояния здоровья: Системы управления батареями (BMS) должны предоставлять точные данные на уровне ячеек, и эти данные должны непрерывно передаваться как на место, так и в удаленные операционные центры (с безопасным резервированием). Отключение телеметрии для тестирования или технического обслуживания должно осуществляться в соответствии со строгими, проверяемыми процедурами, включающими присутствие персонала на объекте и резервный мониторинг.
Обнаружение аномалий с помощью искусственного интеллекта: Используйте модели машинного обучения, обученные на нормальных тепловых характеристиках, напряжении, импедансе и акустических сигналах, для обнаружения предвестников теплового выхода из строя раньше, чем пороговые сигналы тревоги. Эти модели позволяют снизить количество ложных срабатываний и определить приоритетность реальных событий для операторов-людей.
Предиктивное обслуживание и цифровые двойники: Внедрение предиктивной аналитики, позволяющей планировать техническое обслуживание до того, как деградация компонентов достигнет критического уровня. Цифровые двойники модулей позволяют моделировать сценарии (например, утечка охлаждающей жидкости + отказ вентилятора), чтобы можно было протестировать средства защиты и блокировки без отключения оборудования.
Контрольные листы ввода в эксплуатацию и эксплуатации: Применяйте комплексные процедуры ввода в эксплуатацию, которые проверяют телеметрию BMS, готовность системы пожаротушения, работу вентиляции и электрическую изоляцию. Любые временные обходы должны быть зарегистрированы и ограничены по времени с автоматическим повторным включением.

Человеческие факторы, обучение и реагирование на чрезвычайные ситуации

Технические системы необходимы, но не достаточны. Очень важны обучение персонала, четкие процедуры действий в чрезвычайных ситуациях и согласованные учения с местными пожарными службами. Пожарные должны быть проинструктированы о специфических опасностях литиевых систем (образование токсичных газов, риск повторного воспламенения) и должны быть обеспечены соответствующими СИЗ и планами вентиляции. В инструкции по ликвидации последствий инцидента должны быть предусмотрены стратегии удаленной изоляции, контролируемой вентиляции и локализации, в которых приоритет отдается предотвращению эскалации, а не агрессивной атаке изнутри.

Управление закупками, стандартами и жизненным циклом

Выбирайте поставщиков и системных интеграторов, которые могут продемонстрировать данные полномасштабных испытаний на подавление и распространение тепла. Требуйте документацию, подтверждающую соответствие элементов и модулей соответствующим международным стандартам, а также то, что окончательная установка подтверждена испытаниями, проведенными третьей стороной. Управление жизненным циклом должно включать в себя проверки в конце гарантийного срока, периодические полномасштабные испытания и графики замены, которые рассматривают батареи как расходные материалы с конечным сроком службы и безопасности.

Закрытие: обеспечение безопасности в масштабе

Хранение энергии незаменим для декарбонизированной энергосистемы, но его безопасное применение требует системного мышления: химия, механическая конструкция, электрическая архитектура, мониторинг и человеческие процессы должны быть разработаны вместе. Промышленность может снизить количество несчастных случаев, внедрив проверенные методы герметизации и вентиляции, резервное охлаждение и мониторинг, раннее обнаружение с помощью искусственного интеллекта, а также строгий ввод в эксплуатацию и эксплуатационную дисциплину. Когда операторы и инженеры обеспечивают безопасность на всех уровнях - от выбора ячеек до учений на случай непредвиденных обстоятельств, - крупномасштабные хранилища энергии становятся не только мощными, но и надежными.