Arrière-plan

La crise énergétique a rendu les systèmes de stockage d'énergie (ESS) par batteries lithium-ion plus largement utilisés ces dernières années, mais il y a également eu un certain nombre d'accidents dangereux entraînant des dommages aux installations et à l'environnement, des pertes économiques, voire des pertes de ressources. vie. Des enquêtes ont révélé que même si les ESS satisfaisaient aux normes liées aux systèmes de batteries, telles que UL 9540 et UL 9540A, des abus thermiques et des incendies se sont produits. Par conséquent, tirer les leçons des cas passés et analyser les risques et leurs contre-mesures bénéficiera au développement de la technologie ESS.

Examen des cas

Ce qui suit résume les cas d’accidents d’ESS à grande échelle dans le monde de 2019 à ce jour, qui ont été rapportés publiquement.

Les causes des accidents ci-dessus peuvent être résumées comme suit :

1) Une défaillance de la cellule interne déclenche un abus thermique de la batterie et du module, et finalement provoque l'incendie ou l'explosion de l'ensemble de l'ESS.

La défaillance provoquée par un abus thermique de la cellule s'observe essentiellement comme un incendie suivi d'une explosion. Par exemple, les accidents de la centrale électrique de McMicken en Arizona, aux États-Unis, en 2019 et de la centrale électrique de Fengtai à Pékin, en Chine, en 2021, ont tous deux explosé après un incendie. Ce phénomène est provoqué par la défaillance d'une seule cellule, qui déclenche une réaction chimique interne, libérant de la chaleur (réaction exothermique), et la température continue d'augmenter et de se propager aux cellules et modules voisins, provoquant un incendie, voire une explosion. Le mode de défaillance d'une cellule est généralement provoqué par une surcharge ou une défaillance du système de contrôle, une exposition thermique, un court-circuit externe et un court-circuit interne (qui peuvent être provoqués par diverses conditions telles qu'une indentation ou une bosse, des impuretés du matériau, la pénétration d'objets externes, etc. ).

Après un abus thermique de la cellule, un gaz inflammable sera produit. D'en haut, vous pouvez remarquer que les trois premiers cas d'explosion ont la même cause, c'est-à-dire que le gaz inflammable ne peut pas s'évacuer à temps. À ce stade, la batterie, le module et le système de ventilation du conteneur sont particulièrement importants. Généralement, les gaz sont évacués de la batterie par la soupape d'échappement, et la régulation de pression de la soupape d'échappement peut réduire l'accumulation de gaz combustibles. Au stade du module, un ventilateur externe ou une conception de refroidissement d'une coque sera généralement utilisé pour éviter l'accumulation de gaz combustibles. Enfin, au stade du conteneur, des installations de ventilation et des systèmes de surveillance sont également nécessaires pour évacuer les gaz combustibles.

2) Défaillance ESS causée par une défaillance du système auxiliaire externe

Une panne globale de l'ESS provoquée par une panne du système auxiliaire se produit généralement à l'extérieur du système de batterie et peut entraîner des brûlures ou de la fumée provenant de composants externes. Et lorsque le système le surveille et y répond en temps opportun, cela n'entraînera pas de défaillance de la cellule ou d'abus thermique. Lors des accidents de la centrale électrique de Vistra Moss Landing, phase 1 2021 et phase 2 2022, de la fumée et un incendie ont été générés car la surveillance des défauts et les dispositifs électriques de sécurité ont été éteints à ce moment-là pendant la phase de mise en service et n'ont pas pu réagir en temps opportun. . Ce type de flamme commence généralement à l'extérieur du système de batterie avant de se propager finalement à l'intérieur de la cellule. Il n'y a donc pas de réaction exothermique violente ni d'accumulation de gaz combustible, et donc généralement pas d'explosion. De plus, si le système de gicleurs peut être activé à temps, il ne causera pas de dommages importants à l'installation.

L'incendie de la « Victorian Power Station » à Geelong, en Australie en 2021, a été causé par un court-circuit dans la batterie provoqué par une fuite de liquide de refroidissement, ce qui nous rappelle de prêter attention à l'isolation physique du système de batterie. Il est recommandé de conserver un certain espace entre les installations externes et le système de batterie pour éviter les interférences mutuelles. Le système de batterie doit également être équipé d'une fonction d'isolation pour éviter les courts-circuits externes.

Contre-mesures

De l'analyse ci-dessus, il ressort clairement que les causes des accidents ESS sont l'abus thermique de la cellule et la défaillance du système auxiliaire. Si la défaillance ne peut pas être évitée, la réduction de la détérioration ultérieure après la défaillance bloquante peut également réduire la perte. Les contre-mesures peuvent être envisagées sous les aspects suivants :

Bloquer la propagation thermique après un abus thermique de la cellule

Une barrière isolante peut être ajoutée pour bloquer la propagation des abus thermiques de la cellule, qui peut être installée entre les cellules, entre les modules ou entre les racks. Dans l’annexe de la NFPA 855 (Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems), vous pouvez également retrouver les exigences associées. Les mesures spécifiques pour isoler la barrière comprennent l'insertion de plaques d'eau froide, d'aérogel et autres entre les cellules.

Un dispositif d'extinction d'incendie au système de batterie peut être ajouté afin qu'il puisse réagir rapidement pour activer le dispositif d'extinction d'incendie lorsqu'un abus thermique se produit dans une seule cellule. La chimie à l'origine des risques d'incendie liés au lithium-ion conduit à une conception d'extinction d'incendie différente pour les systèmes de stockage d'énergie par rapport aux solutions de lutte contre les incendies conventionnelles, qui consiste non seulement à éteindre l'incendie, mais également à réduire la température de la batterie. Sinon, les réactions chimiques exothermiques des cellules continueront à se produire et déclencheront une réinflammation.

Une attention particulière est également nécessaire lors de la sélection des matériaux d'extinction d'incendie. Si l'eau est pulvérisée directement sur le boîtier de la batterie en feu, un mélange de gaz inflammable peut se produire. Et si le boîtier ou le cadre de la batterie est en acier, l’eau n’empêchera pas les abus thermiques. Certains cas montrent que l'eau ou d'autres types de liquides en contact avec les bornes de la batterie peuvent également aggraver l'incendie. Par exemple, lors de l'incendie de la centrale électrique de Vistra Moss Landing en septembre 2021, des rapports ont indiqué que les tuyaux de refroidissement et les joints de tuyaux de la centrale étaient défectueux, provoquant une pulvérisation d'eau sur les supports de batteries et, finalement, un court-circuit et un arc électrique des batteries.

1. Émission opportune de gaz combustibles

Tous les rapports de cas ci-dessus indiquent que les concentrations de gaz combustibles sont la principale cause des explosions. Par conséquent, la conception et l’aménagement du site, les systèmes de surveillance des gaz et de ventilation sont importants pour réduire ce risque. Dans la norme NFPA 855, il est mentionné qu'un système de détection de gaz en continu est requis. Lorsqu'un certain niveau de gaz combustible (c'est-à-dire 25 % de la LIE) est détecté, le système démarre la ventilation par aspiration. De plus, la norme de test UL 9540A mentionne également l'obligation de collecter les gaz d'échappement et de détecter la limite inférieure de gaz LFL.

En plus de la ventilation, l'utilisation de panneaux anti-explosion est également recommandée. Il est mentionné dans la NFPA 855 que les ESS doivent être installés et entretenus conformément à la NFPA 68 (Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting) et à la NFPA 69 (Standards on Explosion Protection Systems). Cependant, lorsque le système est conforme au test d'incendie et d'explosion (UL 9540A ou équivalent), il peut être exempté de cette exigence. Cependant, comme les conditions d'essai ne sont pas entièrement représentatives de la situation réelle, une amélioration de la ventilation et de la protection contre les explosions est recommandée.

2. Prévention des pannes des systèmes auxiliaires

Une programmation inadéquate des logiciels/micrologiciels et des procédures de mise en service/pré-démarrage ont également contribué aux incendies des centrales électriques de Victoria et de Vistra Moss Landing. Lors de l'incendie de la centrale électrique de Victoria, un abus thermique déclenché par l'un des modules n'a pas été identifié ni bloqué, et l'incendie qui a suivi n'a pas non plus été interrompu. La raison pour laquelle cette situation s'est produite est que la mise en service n'était pas nécessaire à ce moment-là et que le système a été arrêté manuellement, y compris le système de télémétrie, la surveillance des pannes et le dispositif de sécurité électrique. De plus, le système de contrôle de supervision et d'acquisition de données (SCADA) n'était pas encore opérationnel, car il a fallu 24 heures pour établir la connectivité des équipements.

Par conséquent, il est recommandé que tous les modules inactifs soient dotés de dispositifs tels que des dispositifs de télémétrie active, de surveillance des défauts et de sécurité électrique, plutôt que d'être arrêtés manuellement via un interrupteur de verrouillage. Tous les dispositifs de protection de sécurité électrique doivent être maintenus en mode actif. De plus, des systèmes d’alarme supplémentaires devraient être ajoutés pour identifier et répondre à divers événements d’urgence.

Une erreur de programmation logicielle a également été détectée dans les phases 1 et 2 de la centrale électrique de Vistra Moss Landing, car le seuil de démarrage n'a pas été dépassé, le dissipateur thermique de la batterie a été activé. Dans le même temps, la défaillance du connecteur du tuyau d'eau accompagnée d'une fuite de la couche supérieure de la batterie rend l'eau disponible pour le module de batterie et provoque ensuite un court-circuit. Ces deux exemples montrent à quel point il est important que la programmation du logiciel/firmware soit vérifiée et déboguée avant la procédure de démarrage.

Résumé

Grâce à l'analyse de plusieurs accidents d'incendie dans une station de stockage d'énergie, une haute priorité doit être accordée à la ventilation et au contrôle des explosions, aux procédures d'installation et de mise en service appropriées, y compris les contrôles de programmation logicielle, qui peuvent prévenir les accidents de batteries. En outre, un plan complet d'intervention d'urgence devrait être élaboré pour faire face à la génération de gaz et de substances toxiques.