Latar belakang

Krisis energi telah membuat sistem penyimpanan energi baterai lithium-ion (ESS) lebih banyak digunakan dalam beberapa tahun terakhir, namun juga terjadi sejumlah kecelakaan berbahaya yang mengakibatkan kerusakan fasilitas dan lingkungan, kerugian ekonomi, bahkan kerugian. kehidupan. Investigasi menemukan bahwa meskipun ESS telah memenuhi standar terkait sistem baterai, seperti UL 9540 dan UL 9540A, penyalahgunaan termal dan kebakaran telah terjadi. Oleh karena itu, memetik pelajaran dari kasus-kasus masa lalu dan menganalisis risiko serta tindakan penanggulangannya akan bermanfaat bagi pengembangan teknologi ESS.

Tinjauan kasus

Berikut rangkuman kasus kecelakaan ESS skala besar di seluruh dunia sejak tahun 2019 hingga saat ini yang telah diberitakan secara publik.

Penyebab kecelakaan di atas dapat diringkas menjadi dua hal berikut:

1) Kegagalan sel internal memicu penyalahgunaan termal pada baterai dan modul, dan akhirnya menyebabkan seluruh ESS terbakar atau meledak.

Kegagalan yang disebabkan oleh penyalahgunaan termal sel pada dasarnya teramati sebagai kebakaran yang diikuti oleh ledakan. Misalnya, kecelakaan pembangkit listrik McMicken di Arizona, AS pada tahun 2019 dan pembangkit listrik Fengtai di Beijing, Tiongkok pada tahun 2021 keduanya meledak setelah terjadi kebakaran. Fenomena tersebut disebabkan oleh kegagalan satu sel, sehingga memicu reaksi kimia internal, melepaskan panas (reaksi eksotermik), dan suhu terus meningkat dan menyebar ke sel dan modul terdekat sehingga menyebabkan kebakaran atau bahkan ledakan. Mode kegagalan sel umumnya disebabkan oleh pengisian berlebih atau kegagalan sistem kontrol, paparan termal, korsleting eksternal, dan korsleting internal (yang dapat disebabkan oleh berbagai kondisi seperti lekukan atau penyok, pengotor material, penetrasi benda eksternal, dll. ).

Setelah penyalahgunaan termal sel, gas yang mudah terbakar akan diproduksi. Dari atas terlihat bahwa tiga kasus ledakan pertama memiliki penyebab yang sama, yaitu gas yang mudah terbakar tidak dapat keluar tepat waktu. Pada titik ini, baterai, modul, dan sistem ventilasi wadah sangatlah penting. Umumnya gas dikeluarkan dari baterai melalui katup buang, dan pengaturan tekanan katup buang dapat mengurangi akumulasi gas yang mudah terbakar. Pada tahap modul, umumnya kipas eksternal atau desain pendingin cangkang akan digunakan untuk menghindari penumpukan gas yang mudah terbakar. Terakhir, pada tahap kontainer, fasilitas ventilasi dan sistem pemantauan juga diperlukan untuk mengevakuasi gas yang mudah terbakar.

2) Kegagalan ESS disebabkan oleh kegagalan sistem tambahan eksternal

Kegagalan ESS secara keseluruhan yang disebabkan oleh kegagalan sistem tambahan biasanya terjadi di luar sistem baterai dan dapat menyebabkan pembakaran atau asap dari komponen eksternal. Dan ketika sistem memantau dan meresponsnya tepat waktu, hal ini tidak akan menyebabkan kegagalan sel atau penyalahgunaan termal. Dalam kecelakaan Pembangkit Listrik Tenaga Pendaratan Vistra Moss Tahap 1 2021 dan Tahap 2 2022, asap dan kebakaran terjadi karena pemantauan kesalahan dan perangkat pengaman kegagalan listrik dimatikan pada saat itu selama tahap commissioning dan tidak dapat merespons secara tepat waktu. . Pembakaran api semacam ini biasanya dimulai dari luar sistem baterai sebelum akhirnya menyebar ke dalam sel, sehingga tidak terjadi reaksi eksotermik yang hebat dan akumulasi gas yang mudah terbakar, sehingga biasanya tidak terjadi ledakan. Terlebih lagi, jika sistem sprinkler dapat dihidupkan tepat waktu, tidak akan menimbulkan kerusakan parah pada fasilitas tersebut.

Kecelakaan kebakaran “Victoria Power Station” di Geelong, Australia pada tahun 2021 disebabkan oleh korsleting pada baterai akibat kebocoran cairan pendingin, hal ini mengingatkan kita untuk memperhatikan isolasi fisik sistem baterai. Disarankan untuk menjaga jarak tertentu antara fasilitas eksternal dan sistem baterai untuk menghindari saling campur tangan. Sistem baterai juga harus dilengkapi dengan fungsi insulasi untuk menghindari korsleting eksternal.

Penanggulangan

Dari analisa di atas terlihat jelas bahwa penyebab kecelakaan ESS adalah penyalahgunaan termal sel dan kegagalan sistem bantu. Jika kegagalan tidak dapat dicegah, maka mengurangi kerusakan lebih lanjut setelah kegagalan pemblokiran juga dapat mengurangi kerugian. Penanggulangannya dapat dipertimbangkan dari aspek-aspek berikut:

Memblokir penyebaran termal setelah penyalahgunaan termal sel

Penghalang isolasi dapat ditambahkan untuk memblokir penyebaran penyalahgunaan termal sel, yang dapat dipasang di antara sel, antar modul, atau di antara rak. Dalam lampiran NFPA 855 (Standar Instalasi Sistem Penyimpanan Energi Stasioner), Anda juga dapat menemukan persyaratan terkait. Tindakan khusus untuk mengisolasi penghalang termasuk memasukkan pelat air dingin, aerogel, dan sejenisnya di antara sel.

Alat pencegah kebakaran pada sistem baterai dapat ditambahkan sehingga dapat bereaksi dengan cepat untuk mengaktifkan alat pencegah kebakaran bila terjadi penyalahgunaan termal pada satu sel. Bahan kimia di balik bahaya kebakaran lithium-ion menghasilkan desain pemadaman kebakaran yang berbeda untuk sistem penyimpanan energi dibandingkan solusi pemadam kebakaran konvensional, yang tidak hanya untuk memadamkan api, tetapi juga untuk mengurangi suhu baterai. Jika tidak, reaksi kimia eksotermik sel akan terus terjadi dan memicu penyalaan kembali.

Kehati-hatian ekstra juga diperlukan saat memilih bahan pemadam kebakaran. Jika air disemprotkan langsung ke casing baterai yang terbakar, dapat dihasilkan campuran gas yang mudah terbakar. Dan jika casing atau rangka baterai terbuat dari baja, air tidak akan mencegah penyalahgunaan panas. Beberapa kasus menunjukkan bahwa air atau jenis cairan lain yang bersentuhan dengan terminal baterai juga dapat memperparah kebakaran. Misalnya, dalam kecelakaan kebakaran pembangkit listrik Vistra Moss Landing pada bulan September 2021, laporan menunjukkan bahwa selang pendingin dan sambungan pipa stasiun tersebut rusak, menyebabkan air menyembur ke rak baterai dan pada akhirnya menyebabkan baterai mengalami korsleting dan busur listrik.

1. Emisi gas yang mudah terbakar secara tepat waktu

Semua laporan kasus di atas menunjukkan konsentrasi gas yang mudah terbakar sebagai penyebab utama ledakan. Oleh karena itu, desain dan tata letak lokasi, pemantauan gas dan sistem ventilasi penting untuk mengurangi risiko ini. Dalam standar NFPA 855 disebutkan bahwa diperlukan sistem deteksi gas secara kontinyu. Ketika tingkat gas mudah terbakar tertentu (yaitu 25% LFL) terdeteksi, sistem akan memulai ventilasi pembuangan. Selain itu, standar pengujian UL 9540A juga menyebutkan persyaratan untuk mengumpulkan gas buang dan mendeteksi batas bawah gas LFL.

Selain ventilasi, penggunaan panel pelepas ledakan juga disarankan. Disebutkan dalam NFPA 855 bahwa ESS harus dipasang dan dipelihara sesuai dengan NFPA 68 (Standar Perlindungan Ledakan dengan Ventilasi Deflagrasi) dan NFPA 69 (Standar Sistem Perlindungan Ledakan). Namun, jika sistem mematuhi Uji Kebakaran dan Ledakan (UL 9540A atau setara), sistem dapat dikecualikan dari persyaratan ini. Namun, karena kondisi pengujian tidak sepenuhnya mewakili situasi sebenarnya, disarankan untuk meningkatkan ventilasi dan perlindungan terhadap ledakan.

2.Pencegahan kegagalan sistem bantu

Pemrograman perangkat lunak/firmware yang tidak memadai dan prosedur commissioning/pra-penyalaan juga berkontribusi terhadap insiden kebakaran Pembangkit Listrik Victoria dan Pembangkit Listrik Vistra Moss Landing. Dalam kebakaran di Pembangkit Listrik Victoria, penyalahgunaan termal yang dipicu oleh salah satu modul tidak teridentifikasi atau diblokir, dan kebakaran yang terjadi juga tidak terhenti. Alasan mengapa situasi ini terjadi adalah karena tidak diperlukan pengujian pada saat itu, dan sistem dimatikan secara manual, termasuk sistem telemetri, pemantauan kesalahan, dan perangkat pengaman kegagalan listrik. Selain itu, sistem Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) juga belum beroperasi karena memerlukan waktu 24 jam untuk membangun konektivitas peralatan.

Oleh karena itu, disarankan agar setiap modul yang menganggur harus memiliki perangkat seperti telemetri aktif, pemantauan kesalahan, dan perangkat keselamatan listrik, daripada dimatikan secara manual melalui sakelar pengunci. Semua perangkat perlindungan keselamatan listrik harus dijaga dalam mode aktif. Selain itu, sistem alarm tambahan harus ditambahkan untuk mengidentifikasi dan merespons berbagai kejadian darurat.

Kesalahan pemrograman perangkat lunak juga ditemukan di Pembangkit Listrik Vistra Moss Landing Fase 1 dan 2, karena ambang start-up tidak terlampaui, unit pendingin baterai diaktifkan. Pada saat yang sama, kegagalan konektor pipa air dengan kebocoran lapisan atas baterai membuat air tersedia ke modul baterai dan kemudian menyebabkan korsleting. Kedua contoh ini menunjukkan betapa pentingnya pemrograman perangkat lunak/firmware diperiksa dan di-debug sebelum prosedur pengaktifan.

Ringkasan

Melalui analisis beberapa kecelakaan kebakaran di stasiun penyimpanan energi, prioritas utama harus diberikan pada ventilasi dan pengendalian ledakan, prosedur pemasangan dan commissioning yang tepat, termasuk pemeriksaan pemrograman perangkat lunak, yang dapat mencegah kecelakaan baterai. Selain itu, rencana tanggap darurat yang komprehensif harus dikembangkan untuk menangani pembentukan gas dan zat beracun.