Konteynerli batarya enerji depolama sistemlerinin yaygınlaşması (EN İYİ) şebeke ölçeğindeki uygulamalarda kullanılması, yangından korunma mühendislerinin termal tehlikeyi azaltmaya yaklaşımını temelden değiştirdi. Yangın davranışının nispeten tahmin edilebilir yanma dinamiklerini takip ettiği geleneksel elektrik kurulumlarının aksine, lityum-iyon pil yangınları, geleneksel söndürme metodolojilerinin hiçbir zaman ele almak üzere tasarlanmadığı, elektrokimyasal termal kaçak-kendi kendini{-sürdüren bir ekzotermik reaksiyon zincirinden kaynaklanan basamaklı bir arıza modu sunar. 2019'da Arizona'daki McMicken patlaması, 2021 Pekin Dahongmen olayı ve çok sayıda bildirilmemiş ramak kala olay-, giderek daha yaygın hale gelen bu enerji varlıklarını nasıl tasarladığımızı, bölümlendirdiğimizi ve koruduğumuzu toptan yeniden değerlendirmeye zorladı.
Termal Kaçak Sorunu (Ve Neden Sadece "Yangın" Değil)
Çoğu proje yöneticisinin, yangın söndürmede maliyet optimizasyonu için baskı yaparken tam olarak anlayamadığı şey şu: Lityum-iyon pil yangını, geleneksel anlamda bir yangın değildir. Kritik hale gelmiş bir kimyasal reaktör.
Bir hücre termal kaçağa girdiğinde, dizi tipik olarak 90-120 derece civarında SEI katmanı ayrışmasıyla başlar. Bu, dahili olarak oksijeni serbest bırakır. Negatif elektrot elektrolitle reaksiyona girmeye başlar. Pozitif elektrot malzemeleri faz geçişlerine uğrar ve ayrışır. Elektrolit buharlaşır ve yanar. Bütün bunlar, hidrojen, karbon monoksit, metan, etilen, hidrojen florür gibi gazların birikmesiyle basınçlandırılan kapalı bir metal kutuda gerçekleşir.
Zaman çizelgesi? İlk anormallikten şiddetli boşalmaya kadar: bazen dakikalar, bazen saniyeler.
Konteynerli sistemleri özellikle güvenilmez kılan kapalı alan geometrisidir. 20-ft veya 40 ft'lik bir ISO konteynerine paketlenmiş yüzlerce, bazen binlerce hücreniz var. Bir hücre arızalanır, komşularını iletim ve radyasyon yoluyla ısıtır ve birdenbire tek bir hücre olayıyla karşı karşıya kalmazsınız; önce tüm bir rafta, ardından bitişik raflarda yayılmanın kademelendiğini izlersiniz.
İlk termal alarmdan konteynerin tamamen dolu hale gelmesine kadar geçen sürenin dört dakikadan kısa olduğu olay raporlarını inceledim.
Düzenleyici Ortam: Yavaş Yavaş Birleşen Bir Parçalı Çalışma
Standartların durumu, açıkçası,-iyileşmeye rağmen hala bir karmaşa olmaya devam ediyor.
NFPA 855, Kuzey Amerika pazarlarında fiili referans olarak ortaya çıkmıştır. 2023 sürümü, 2019-2021'deki bir dizi olayın ardından gereksinimleri önemli ölçüde sıkılaştırdı. Temel hükümler arasında ek yangın testi doğrulaması olmaksızın ünite başına 600 kWh maksimum enerji kapasitesi, akü dizisi başına 50 kWh limitler ve üniteler veya duvarlar arasında minimum 3 metrelik mesafe yer alır.
FM Global'in Veri Sayfası 5-33, birçok açıdan, özellikle de alevlenme tahliye gereklilikleri konusunda daha muhafazakar bir yaklaşım benimsiyor.
Çin'in düzenleyici ortamı hızla gelişti. Pekin yerel standardı DB11/T 1893, 2021'de-konteyner düzeyinde yangından korunma özelliklerini zorunlu kılan ilk bölgesel standart olarak yayınlandığında çığır açıcı nitelikteydi. LFP prefabrik kabin sistemlerine yönelik T/CEC 373-2020, birçok uluslararası standardın hâlâ karşılamadığı modül düzeyinde bastırma gereksinimleri oluşturmuştur.
Mevcut durumla ilgili beni hayal kırıklığına uğratan şey: hâlâ gerçek bir uluslararası uyumun sağlanamaması. Çin standartlarına göre tasarlanmış bir sistem, UL 9540A'nın büyük-ölçekli yangın testi gerekliliklerini karşılamayabilir. FM onayını geçen bir sistem Avrupa EN standartlarıyla uyumlu olmayabilir. Çok uluslu geliştiriciler için bu, gerçek satın alma sorunlarına neden oluyor.
Konteyner Düzeni: Hayatta Kalmanın Geometrisi
Ayırma mesafesi gereksinimleri, yargı bölgelerine göre olması gerekenden daha fazla değişiklik gösterir, ancak temel fizik tutarlıdır: acil durum erişimini korurken, ışınımsal ısı transferinin bitişik üniteleri tutuşturmasını engellemeye çalışıyorsunuz.
Çin standartları, konteyner üniteleri arasındaki minimum 4 metrelik mesafeyi belirtir; bu mesafe, yalnızca her tarafta konteyner zarfının 1 metre ötesine uzanan 4 saatlik dereceli yangın bariyerleriyle azaltılabilir. NFPA, 3 saatlik engellerle esasen sıfıra indirilebilen 20 fit (yaklaşık 6 metre) taban çizgisi gerektirir.
Gördüğüm projelerin çoğu, sonuçta ayak izini-arazi maliyetini en aza indirmeye çalışıyor. Bariyer yaklaşımı çekici hale geliyor. Ancak pratik sorun şu: Bu bariyerlerin sadece radyant ısıya değil aynı zamanda potansiyel alevlenme aşırı basıncına da dayanması gerekiyor. Standart bir CMU duvarı bunu kesmez. Derecelendirmeyi tehlikeye atabilecek hiçbir girintiye sahip olmayan, uygun şekilde ankrajlanmış, güçlendirilmiş betona veya eşdeğerine ihtiyacınız var.
Tek-öykü dağıtımının artık neredeyse evrensel olmasının iyi bir nedeni var. Enerji yoğunluğunun peşinde olan bazı entegratörler tarafından konteynerlerin istiflenmesi kısa süreliğine denendi. Bastırma zorlukları ve çıkış komplikasyonları bu yaklaşımı hızla öldürdü.
Çoğu zaman gözden kaçan konumlandırma hususları:
Acil durum müdahalesi için mülk sınırlarına ve kamuya açık yollara olan mesafe son derece önemlidir. Çin standartlarındaki demiryolu hatlarındaki 30-metrelik gerileme, raydan çıkma + BESS yangını=felaket senaryosunun kimsenin düşünmek istemediğinden kaynaklanmaktadır. Doğal su kaynaklarına yakınlık sadece söndürme kaynağına sahip olmakla ilgili değildir; aynı zamanda olay sonrası termal yönetim için günlerce sürebilecek sürekli soğutma kapasitesiyle de ilgilidir.
Aslında Kutunun İçinde Ne Var?
Konteynerli modern bir BESS, yalnızca bir nakliye konteynerine sıkıştırılmış pillerden ibaret değildir. İç mimari önemli ölçüde gelişti.
Genellikle pil raflarının bir bölgeyi kapladığını, güç dönüştürme ekipmanlarının (invertörler, DC-DC dönüştürücüler) dahili bir yangın bariyeriyle bölünmüş ayrı bir bölmede olduğunu görürsünüz. Gerekçe: Elektrikli ekipman yangınları, bataryanın termal kaçak olaylarından farklı davranır ve farklı söndürme yaklaşımları gerektirir.
Termal yönetim iki kampa ayrılır: hava-soğutmalı ve sıvı-soğutmalı.
Hava{0}soğutmalı sistemler daha basit, daha ucuz ve ılıman iklim kurulumları için uygundur. Pil dizisindeki sıcaklık farkları yük altında 8-10 dereceye ulaşabilir; uzun ömür veya güvenlik marjları açısından ideal değildir, ancak işe yarayabilir.
Sıvı{0}soğutmalı sistemler, yüksek-performanslı kurulumlar için premium standart haline geldi. Mühendislik karmaşıklaşıyor: her hücrenin eşdeğer soğutma sıvısı sıcaklığını görmesini sağlayan paralel akış yolları, dikkatli bir şekilde kontrol edilen konsantrasyona sahip glikol-su karışımları, yüksek-voltaj baralarına temas eden soğutma sıvısı kendi tehlike kategorisini oluşturduğundan sızıntı tespit sistemleri.
En iyi sıvı-soğutmalı tasarımlar, hücre-hücreler arası-sıcaklık farklılığını 3 derecenin altında elde eder. Bu tekdüzelik, doğrudan daha düşük termal kaçak riski ve daha uzun çevrim ömrü anlamına gelir.
Tespit: Kimyaya Karşı Yarış
İşte bu noktada tutkulu oluyorum çünkü algılama çoğu sistemin hala başarısız olduğu noktadır.
Geleneksel duman ve ısı algılaması-ofis binalarında gayet iyi çalışan bir özelliktir-, pilin termal kaçağı için ne yazık ki yetersizdir. Konteynerde gözle görülür bir duman oluştuğunda veya ortam sıcaklığında önemli bir artış olduğunda, zaten kaybetmişsiniz demektir. Kaçış belirlendi, yayılma olasılığı yüksek ve bastırma sisteminiz bir artçı koruma eylemiyle mücadele ediyor.
Ciddi kurulumlarda-gaz tespiti tartışılamaz.
Sıkıntılı lityum-iyon hücrelerinden gelen off-gaz imzası belirgindir: ilk önce hidrojen ortaya çıkar ve en hızlı şekilde yükselir, ardından karbon monoksit ve çeşitli hidrokarbonlar gelir. İyi-tasarlanmış bir sistem, yalnızca ortamdaki konteyner atmosferini değil, raf düzeyinde de izleme yapar. Hidrojen konsantrasyonunun 1000 ppm'ye ulaşması derhal incelemeyi tetikleyecektir. 5000 ppm, daha düşük patlama sınırlarına yaklaştığınız ve otomatik müdahaleye ihtiyaç duyduğunuz anlamına gelir.
Daha yeni bazı tesisler, özellikle lityum-iyon elektrolit formülasyonlarının çoğunu oluşturan karbonatları hedef alan elektrolit buharı algılama- ile denemeler yapıyor. Teknoloji umut vericidir ancak kod gerektiren uygulamalar için henüz yeterince olgunlaşmamıştır-.
BMS aracılığıyla gerilim ve akım anormalliği tespiti ilk savunma hattınız olmaya devam ediyor.
Dahili kısa devre oluşturan bir hücre, termal imzalar ortaya çıkmadan önce voltaj düşüşü gösterecektir. Zorluk: Orijinal öncü sinyalleri, doğal üretim toleranslarına sahip binlerce hücredeki normal operasyonel varyasyonlardan ayırt etmek.
Gerçekten gelişmiş sistemler artık akustik izlemeyi de içeriyor. Termal kaçağa yaklaşan hücreler, iç basınç oluştukça karakteristik ultrasonik imzalar üretir. Hâlâ deneysel ama fiziği sağlam.
Bastırma: Büyük Tartışma
BESS yangından korunma ile ilgili herhangi bir konferans oturumuna girdiğinizde, söndürme maddesi seçimi konusunda hararetli anlaşmazlıklarla karşılaşacaksınız. Hem araştırma literatüründen, hem de olay sonrası-otopsilerden edindiğim bilgileri aktaracağım.
Termal yönetimde su kazanır. Dönem.
Termodinamik açıktır. Lityum-iyonun termal kaçakları temelde bir ısı sorunudur. İç reaksiyonlar kendiliğinden-oksitlenir-, oksijenin yerini alarak onları boğamazsınız. Yalnızca hücre sıcaklıklarını reaksiyon eşiğinin altına düşürecek kadar ısı emebilirsiniz.
Suyun buharlaşma ısısı (2.260 kJ/kg), hiçbir pratik alternatifle karşılaştırılamaz. İnce su sisi, yönetilebilir su hacimleri ve azaltılmış elektrik iletkenliği endişeleriyle ısı emilimini sağlar.
Pekin standardının 10 dakika içinde tam hücre daldırma yeteneği gereksinimi bu gerçeği yansıtmaktadır. Her şey başarısız olduğunda konteyneri sular altında bırakırsınız.
Ancak gazı bastırmanın-özellikle erken müdahale açısından kendine has bir rolü vardır.
Heptaflorpropan (FM-200/HFC-227ea) ve daha yeni perflorohekzanon (Novec 1230/FK-5-1-12), açık alevi hızla söndürebilir ve buharlaşma yoluyla bir miktar soğutma sağlayabilir. Olayları erkenden, termal kaçak tam olarak oluşmadan yakalamak veya elektrikli ekipmanlardaki ikincil yangınları bastırmak için kullanışlıdırlar.
Sorun:yayılmaya başladıktan sonra yayılmayı durdurmazlar. Hücre hala dahili olarak ısı üretiyor. Gaz konsantrasyonu dağılır. Yeniden ateşleme bunu takip ediyor.
Kombinasyon yaklaşımı artık en iyi uygulama olarak kabul ediliyor: anında alevi söndürmek için gaz bastırma, ardından sürekli termal kontrol için su sisi ve son yedek olarak tam su baskını kapasitesi.
Temiz ajanın çevresel kaygıları hakkında birkaç kelime:HFC-227ea'nın Kigali Değişikliği kapsamında aşamalı olarak durdurulması planlanıyor. FK-5-1-12'nin küresel ısınma potansiyeli ihmal edilebilir düzeydedir ve ozon etkisi yoktur. Tedarik zincirleri ve fiyatlandırma tam olarak istikrara kavuşmamış olsa da sektör açıkça perflorohekzanona doğru ilerliyor.
Havalandırma ve Patlamaya Karşı Koruma
En tehlikeli maliyet-kesimini burada gördüm.
Havalandırmalı akü hücreleriyle dolu bir kap, kapalı bir alanda yanıcı gaz karışımı biriktiriyor. Hidrojenin alt patlama sınırı havada %4'tür. Bu konsantrasyona ulaşın, bir ateşleme kaynağı ekleyin-bu, arızalı bir kontaktörün arkı kadar basit olabilir-ve parlamayla karşılaşırsınız. Kapalı bir kapta alevlenme patlamaya dönüşür.
McMicken bize bu dersi dört yaralı itfaiyeciyle öğretti.
Aktif havalandırma zorunludur.Çin standardı, gaz sensörleri LEL'in %5'ini aşan konsantrasyonları tespit ettiğinde otomatik olarak tetiklenen acil durum havalandırması için saatte minimum 30 hava değişimi gerektirir. NFPA 69, patlama önleme sistemleri için tasarım kılavuzu sağlar.
Yapısal arızadan önce baskıyı hafifletmek için tasarlanmış pasif alev alma havalandırma-üfleme{- panelleri-çoğu yargı bölgesinde gereklidir. NFPA 68'e göre boyutlandırma hesaplamaları önemsiz değildir ve muhafaza hacmine, havalandırma aktivasyon basıncına ve tahmini alev hızına bağlıdır.
Konumlandırma önemlidir: havalandırma delikleri çıkış yollarından ve acil durum müdahale hazırlık alanlarından uzağa boşaltılmalıdır. Havalandırma panellerinin doğrudan erişim koridoruna üfleneceği tasarımları inceledim. Bu itfaiyeci kayıpları için bir reçete.
LFP ve NMC Sorusu
Akü kimyası seçimi, basit termal kararlılık karşılaştırmalarının ötesine geçen yangın güvenliği sonuçlarına sahiptir.
Lityum demir fosfat (LFP) hücreleri, sabit depolama uygulamalarında nikel-manganez-kobalt (NMC) kimyasının büyük ölçüde yerini almış olup, bu durum büyük ölçüde güvenlik hususlarından kaynaklanmaktadır. Rakamlar bu değişimi desteklemektedir: LFP termal kaçak başlangıcı genellikle 270 derecenin üzerinde gerçekleşirken, yüksek nikelli NMC formülasyonları için 150-200 derecedir. Kaçış sırasında ısı salınım oranları kabaca yarı yarıyadır. Toksik florür gazı üretimi azalır.
Ancak LFP doğası gereği "güvenli" değildir-daha güvenlidir. Yeterli kötü koşullar altında termal kaçak mümkün olmaya devam eder. Yayılma hala devam ediyor. Arıza modu, tespit ve müdahale için daha fazla marj sağlar.
Mevcut pazar anlatımıyla ilgili beni endişelendiren şey: bazı geliştiriciler LFP kimyasını, sağlam yangın korumasının tamamlayıcısı olmaktan ziyade onun yerine geçen bir ürün olarak görüyor. Bu, sonunda olaylara yol açacak tehlikeli bir düşüncedir.
Olay Kaydı Aslında Neyi Gösteriyor?
BESS yangın olayları-kamuya açık raporlar, erişebildiğim sigorta talepleri ve sektördeki bağlantılardan gelen resmi olmayan iletişimlerden oluşan resmi olmayan bir veritabanı tutuyorum. Desenler öğreticidir.
Kök, birkaç kategori etrafında kümelenmeye neden olur:
Üretim kusurları ({0}}iç kirlenme, yetersiz elektrot hizalaması, ayırıcı hasarı- muhtemelen en büyük paya sahiptir, ancak termal yıkımdan sonra kesin bir ilişkilendirme genellikle imkansızdır. Aşırı şarja veya dengesiz şarja izin veren BMS arızaları önemli ölçüde katkıda bulunur. Nakliye ve kurulum sırasındaki dış hasarlar, tetikleyici olarak yeterince takdir edilmez.
Akülerin yukarısındaki elektrik arızaları-DC ark arızaları, dirençli ısınmaya yol açan bağlantı gevşemesi, toprak arızaları-toplamda yangın başlatıcı olarak saf akü arızalarını aşabilir.
Tepki etkinliği büyük ölçüde değişir.Modül-düzeyinde gaz algılama ve hızlı otomatik engelleme özelliğine sahip siteler, olayları tek raflarda barındırmıştır. Yalnızca kapsayıcı düzeyi tespitine dayanan siteler- sıklıkla birimin tamamını kaybeder. İtfaiye teşkilatının BESS olaylarına müdahalesi tutarsız olmaya devam ediyor-birçok departman bu özel tehlikelere yönelik eğitimden yoksundur ve varsayılan olarak aktif bastırma yerine savunma amaçlı çevre korumayı tercih etmektedir.
Olay sonrası termal yönetim sorunu-gerçektir ve zaman çizelgelerini önemli ölçüde uzatır. Termal kaçak yaşayan piller, kalan enerjinin için için yanan iç reaksiyonlar yoluyla dağılması nedeniyle saatler veya günler sonra yeniden ateşlenebilir. Genişletilmiş soğutma ve izleme gereksinimleri, acil müdahale kaynaklarını zorluyor.
Pratik Tasarım Önerileri
Tüm düzenleyici ayrıştırma ve teknik analizlerden sonra, yeni bir kurulum için gerçekte önemli olan nedir?
Aralığı doğru tutun.Marjinal arazi tasarrufu için küçültmeyin. Büyük bir olayın maliyeti onlarca yıllık ek kira ödemelerini aşıyor.
Tespit etmeye yatırım yapın.Otomatik yanıt protokolleriyle-raf düzeyinde-gaz, sıcaklık, voltaj anormalliklerinde-çok parametreli algılama. Temel duman algılamaya göre artan maliyet, risk azaltma değeriyle karşılaştırıldığında önemsizdir.
Yayılımın önlenmesi için tasarım.Bir hücrenin başarısız olacağını varsayalım. Bir modülün arızalanacağını varsayalım. Sorun onu orada muhafaza edip etmediğindir.
İtfaiyeci erişimini planlayın.Acil müdahale ekiplerinin güvenli bir şekilde yaklaşması, baskılayıcı ajanları uygulaması ve geri çekilmesi gerekir. Görüş hatları önemlidir. Aparat konusu için dönüş yarıçapları. Su temini kapasitesi önemlidir.
Düzgün bir şekilde devreye alın.Bastırma sisteminin aslında ajan akışıyla hiçbir zaman test edilmediği sistemler gördüm. Gaz dedektörlerinin doğru şekilde kalibre edilmediği yerler. Yangın paneline BMS alarm entegrasyonunun çalışmadığı durumlar. Devreye alma maliyetlidir ancak bu sorunları, olaya katkıda bulunmadan önce bulur.
İleriye dönük
Teknoloji gelişmeye devam ediyor. Katı hal pilleri-, sonuçta yangından korunma gereksinimlerini azaltabilecek doğal termal kararlılık iyileştirmeleri vaat eder. Makine öğrenimini içeren gelişmiş BMS algoritmaları, anormalliğin daha erken tespit edilmesi konusunda umut vaat ediyor. Pil paketi tasarımına entegre edilen modül-düzeyi engelleme, harici sistemlerde şu anda imkansız olan yanıt sürelerini sağlayabilir.
Ancak bugünün teknolojisini dünya çapındaki şebekelere geniş ölçekte uyguluyoruz. Yangından korunma yaklaşımları, teorik olarak gelecekte yapılacak iyileştirmelerle değil, gerçekte kurulu olanın tehlike profiliyle- eşleşmelidir.
Temel zorluk değişmeden kalıyor: Muazzam miktarlarda elektrokimyasal enerjiyi kompakt alanlarda depoluyoruz ve bu enerji açığa çıkmak istiyor. Bizim işimiz onun kendi şartlarımıza göre değil, bizim şartlarımıza göre yayınlanmasını sağlamaktır.
Yazar, 2017'den beri enerji depolama sistemleri için yangından korunma mühendisliğiyle ilgileniyor ve Kuzey Amerika ve Asya-Pasifik bölgelerindeki projelere danışmanlık yapıyor. İfade edilen görüşler profesyonel görüşlerdir ve projeye-özel mühendislik analizinin yerine geçmemelidir.