Riscuri de incendiu și explozie în stațiile de stocare a energiei cu baterii litiu-ion: analiză și strategii de prevenire

Odată cu utilizarea pe scară largă a bateriilor litiu-ion în stațiile de stocare a energiei electrochimice, incidentele de incendii și explozii au devenit din ce în ce mai frecvente. Pentru a investiga mai aprofundat cauzele care stau la baza acestor accidente, un studiu a analizat 90 de incendii și explozii care au implicat stații de stocare a energiei cu baterii litiu-ion, care au avut loc la nivel mondial între noiembrie 2017 și septembrie 2024.

Analiza s-a concentrat pe patru aspecte cheie: tipul bateriei, țara în care a avut loc producerea, starea operațională a stației și factorii cauzali. Rezultatele indică faptul că bateriile ternare cu litiu sunt semnificativ mai predispuse la declanșarea accidentelor de tip incendiu și explozie, cu o rată de apariție de 2,5 ori mai mare decât cea a bateriilor cu litiu-fier fosfat.

Aceste descoperiri subliniază un mesaj clar pentru industria stocării energiei: pe măsură ce bateriile litiu-ion continuă să fie utilizate pe scară largă, prioritizarea proiectării axate pe siguranță și a selecției materialelor devine esențială.

În acest context, bateriile în stare solidă oferă o cale promițătoare de urmat. Stabilitatea lor termică inerent mai mare și probabilitatea redusă de scurgeri sau ardere le fac deosebit de potrivite pentru aplicații de stocare a energiei la scară largă.

Alegerea tehnologiilor de baterii intrinsec mai sigure este piatra de temelie a asigurării siguranței centralelor electrice de stocare a energiei pe întregul lor ciclu de viață. Acesta este exact punctul de plecare pentru toate proiectele de produse și inovațiile tehnologice de la Super Power.

Rezultate statistice și analiza cauzelor accidentelor

Analiza statistică a incidentelor arată că incendiile și exploziile apar uneori secvențial. Prin urmare, acest studiu clasifică consecințele în trei tipuri: incidente de incendiu, incidente de explozie și incidente de incendiu-explozie, așa cum se arată în Figura 1.

Figura 1 Distribuția tipurilor de baterii în accidente

Dintre cele 85 de incidente ale stațiilor de stocare a energiei cu tipuri de baterii cunoscute, 61 au fost cauzate de baterii ternare cu litiu, reprezentând aproximativ 71,8%.

Bateriile ternare cu litiu prezintă o stabilitate termică mai scăzută, ceea ce le face mai susceptibile la fuga termică. De asemenea, prezintă un risc mai mare de incendiu, fuga termică propagându-se mai rapid și eliberând cantități mai mari de gaze inflamabile în timpul unor astfel de evenimente.

Colectiv, acești factori indică faptul că bateriile ternare cu litiu prezintă riscuri semnificativ mai mari decât bateriile litiu-fier fosfat în ceea ce privește stabilitatea termică, pericolele de incendiu și potențialul de explozie.

Spre deosebire de bateriile ternare cu electroliți lichizi, cu risc ridicat, discutate în raport, produsele principale ale Super Power sunt construite în jurul tehnologiei în stare solidă. Prin utilizarea unui electrolit polimeric solid, compania elimină fundamental riscurile de inflamabilitate ale sistemelor lichide convenționale. Drept urmare, bateriile sunt intrinsec rezistente la foc.

Cercetările arată că stabilitatea termică a materialului catodic joacă un rol decisiv în siguranța generală. În designul Super Power, materialele catodice și electrolitul în stare solidă lucrează mână în mână, formând o fereastră de siguranță termică mult mai largă. Această sinergie ridică considerabil pragul de fugă termică și sporește rezistența sistemului în condiții extreme.

● Statistici pe țară și analiză a cauzelor

Figura 2 Analiza distribuției incidentelor pe țări

Analiza statistică arată că incidente de incendiu și explozie în stații de stocare a energiei electrochimice au fost raportate în Coreea de Sud, Statele Unite, China, Australia, Franța, Germania, Belgia, Suedia, Regatul Unit și Singapore.

Analiza tipurilor de baterii utilizate în aceste incidente arată că peste jumătate din accidentele stațiilor de stocare a energiei din Statele Unite au implicat baterii ternare cu litiu. În schimb, majoritatea stațiilor din China și țările UE erau echipate cu baterii cu litiu-fosfat de fier, reflectând o diferență regională în ceea ce privește preferințele de siguranță și adoptarea tehnologiei.

Dintre aceste țări, Coreea de Sud a înregistrat cele mai multe accidente, 34 în total, reprezentând 37,8% din totalul cazurilor. Rapoartele de anchetă indică mai multe cauze recurente. Defectele bateriilor sunt unul dintre factorii principali, alături de sistemele inadecvate de protecție a motorului, mediile de operare precare, neglijența instalării și gestionarea insuficientă a instalațiilor de stocare a energiei.

Un alt factor cheie constă în performanța de siguranță a bateriilor în sine.

În Coreea de Sud, bateriile ternare cu litiu sunt utilizate pe scară largă, în mare parte pentru că domină portofoliile de produse ale principalilor producători autohtoni de baterii. Cu toate acestea, aceste baterii au o stabilitate termică relativ mai scăzută, iar sistemele lor de management nu sunt întotdeauna fiabile.

Deficiențele în gestionarea bateriilor sau în sistemele de avertizare timpurie pot împiedica operatorii să detecteze anomaliile la timp, permițând escaladarea necontrolată a pericolelor potențiale.

● Statistici ale stării de funcționare și analiza cauzelor

Stațiile de stocare a energiei trec de obicei prin patru etape cheie: construcție, punere în funcțiune, operare și întreținere. Fiecare etapă prezintă propriile riscuri. Deficiențele în integrarea sistemului, calitatea construcției, procedurile de întreținere sau managementul siguranței pot crea pericole ascunse care nu ar trebui trecute cu vederea.

Figura 3 Statistici privind starea sistemelor de securitate a incendiilor (SEAS) în caz de accidente

Rapoartele accidentelor dezvăluie un model clar. În Coreea de Sud, majoritatea incidentelor la stațiile de stocare a energiei electrochimice au avut loc în timpul încărcării sau în perioada de inactivitate imediat după încărcare. Acest lucru sugerează că un control necorespunzător al încărcării și managementul termic pot juca un rol semnificativ.

După cum se arată în date, majoritatea accidentelor, 72 în total, reprezintă 80,0% din totalul cazurilor înregistrate și au avut loc în timpul funcționării normale. Această proporție ridicată indică faptul că siguranța în funcționare rămâne cea mai importantă provocare în sistemele actuale de stocare a energiei.

Următorii factori pot contribui la accidente în timpul funcționării stațiilor de stocare a energiei electrochimice:

1. Efectele cumulative ale funcționării pe termen lung;

2. Impactul mediilor cu temperaturi ridicate;

3. Fluctuațiile sarcinii sistemului;

4. Fiabilitatea insuficientă a sistemelor de avertizare timpurie;

5. Stare de încărcare (SOC) ridicată care duce la supraîncărcare.

Sistemul de stocare a energiei al Super Power este construit în jurul unei arhitecturi cuprinzătoare de apărare activă.

● Designul BMS cu trei straturi permite monitorizarea independentă, în timp real, a fiecărei celule. În practică, aceasta înseamnă că nu există cu adevărat puncte moarte în supravegherea siguranței, oferind o detectare mai timpurie și mai precisă a defecțiunilor, cum ar fi scurtcircuitele interne sau schimbările bruște de tensiune.

● Gestionarea termică a lichidului în cadrul sistemului este la fel de critică. „Defectarea sistemului de răcire” este adesea menționată ca fiind cel mai mare factor de risc, iar Super Power îl abordează direct. O rețea de răcire pe bază de lichid, fin reglată, menține bateriile în intervalul optim de temperatură, asigurând o disipare constantă a căldurii chiar și în medii dure. Acest lucru previne acumularea de căldură și menține stabilitatea generală a sistemului.

● Supraîncărcarea este un alt pericol ascuns. Prin controlul coordonat al BMS și PCS (Sistemul de conversie a energiei), starea de încărcare (SOC) a bateriei este gestionată cu strictețe. Acest design oprește supraîncărcarea la sursă, protejând sistemul împotriva uneia dintre cele mai frecvente cauze ale defecțiunii bateriei.

Tehnologia de integrare CTC (Cell-to-Container) de la Super Power nu numai că crește densitatea energiei, dar introduce și un nivel fără precedent de redundanță în materie de siguranță.

● Design modular și izolare fizică. Abordarea CTC realizează un grad mai ridicat de integrare a celulelor, încorporând în același timp materiale inovatoare de izolație termică. În cadrul fiecărui modul, se formează o barieră termică eficientă. Chiar dacă o singură celulă suferă o defecțiune gravă, sistemul poate bloca eficient transferul de căldură către celulele adiacente, întrerupând fizic lanțul de propagare termică.

● Sisteme duale de stingere a incendiilor. Fiecare container de stocare a energiei Super Power este echipat atât cu sisteme de stingere a incendiilor pe bază de gaz, cât și cu sisteme de imersie în apă. Sistemul de gaz acționează rapid pentru a stinge incendiile în stadiu incipient, în timp ce sistemul de imersie în apă servește drept protecție supremă pentru scenarii extreme. Împreună, acestea asigură stingerea completă a oricărui risc rezidual și menținerea siguranței în toate condițiile.

● Analiza cauzelor și a factorilor care contribuie la accidente

Preocupările legate de siguranță în stațiile de stocare a energiei electrochimice sunt inerent sistemice, accidentele rezultând de obicei din interacțiunea mai multor factori care contribuie la acestea.

Figura 4 Harta statistică a cauzelor accidentelor din centralele electrochimice

Factorii legați de echipamente provin în principal din bateriile în sine, precum și din sistemele de protecție a motorului și de răcire, inclusiv probleme de izolație. Problemele specifice bateriilor includ adesea defecte de fabricație sau îmbătrânirea naturală în timp. Factorii de mediu pot juca, de asemenea, un rol. De exemplu, pătrunderea apei sau exploziile cazanelor din apropiere pot declanșa incendii ale bateriilor litiu-ion.

Figura 5 Factorii care induc accidente de siguranță în sistemele de stocare a energiei cu baterii litiu-ion și interacțiunile acestora

Factorii umani, însă, se remarcă drept principala cauză a accidentelor din stațiile de stocare a energiei electrochimice. Dintre cele 90 de incidente analizate, 38 au fost legate direct sau indirect de erori umane, reprezentând 43,3% din totalul cazurilor. Acest lucru evidențiază faptul că, în ciuda măsurilor de siguranță tehnice și de mediu, acțiunile operatorilor și practicile de management rămân esențiale pentru siguranța generală a sistemului.

1. Erori operaționale umane: Personalul de la stațiile de stocare a energiei electrochimice poate lipsi de o instruire adecvată, ceea ce poate duce la greșeli precum operațiuni necorespunzătoare sau neglijarea procedurilor de siguranță.

2. Sisteme incomplete de management al siguranței: Deși țările îmbunătățesc continuu reglementările pentru toate etapele funcționării stațiilor de stocare a energiei, dezvoltarea rapidă a tehnologiilor de stocare depășește adesea stabilirea unor sisteme eficiente de management al siguranței și a supravegherii reglementare. Acest lucru poate duce la trecerea cu vederea de către angajați a preocupărilor legate de siguranță.

3. Răspuns întârziat la situații de urgență: În caz de urgență, abilitățile de răspuns insuficiente sau lipsa de acțiune la timp din partea operatorilor pot exacerba gravitatea unui incident.

4. Conștientizare insuficientă a siguranței: Un nivel scăzut de conștientizare a siguranței în rândul operatorilor și al personalului de conducere poate duce la neglijarea riscurilor potențiale, crescând probabilitatea accidentelor.

Pe baza analizei statistice a accidentelor din stațiile de stocare a energiei electrochimice, probabilitatea și gravitatea a 90 de incidente au fost evaluate în funcție de 15 factori de risc identificați. Au fost efectuate atât analize cantitative, cât și calitative pentru a evalua probabilitatea și gravitatea accidentelor, utilizându-se metoda Delphi pentru a determina nivelurile de severitate.

Figura 6 Niveluri de risc pentru factorii de risc ai SEAE-urilor

Printre cei 15 factori de risc, cinci au fost identificați ca fiind de risc ridicat: defectarea sistemului de răcire al sistemului de stocare a energiei, supraîncărcarea bateriei, instalații insuficiente de protecție împotriva incendiilor, anomalii ale BMS/PCS/EMS și temperaturi extreme ale mediului.

● Măsuri de prevenție

Pentru a aborda factorii de risc ridicat identificați, siguranța generală a stațiilor de stocare a energiei electrochimice ar trebui îmbunătățită în cinci domenii cheie:

consolidarea fiabilității sistemelor de răcire, optimizarea măsurilor pentru prevenirea supraîncărcării sistemelor de baterii, îmbunătățirea tehnologiilor de avertizare timpurie și monitorizare a siguranței, dezvoltarea tehnologiilor de protecție împotriva incendiilor și optimizarea strategiilor și tacticilor de stingere a incendiilor.

În plus, pentru a consolida siguranța sistemică a sistemelor de stocare a energiei (SEES), eforturile ar trebui să se concentreze pe proiectarea și fabricarea celulelor de baterii. Ar trebui perfecționate sistemele de management al siguranței și ar trebui implementate standarde obligatorii pentru a preveni pătrunderea bateriilor deteriorate în stațiile de stocare a energiei. Cercetarea privind tehnologiile de avertizare ultra-timpurie ar trebui intensificată pentru a permite prezicerea accidentelor cu câteva săptămâni înainte. Ar trebui dezvoltați agenți specializați de stingere a incendiilor care sunt eficienți, răcitori, rezistenți la explozii și izolatori, alături de teste de stingere a incendiilor la nivel de cluster pe baterii.

Evitarea tehnologiilor de baterii cu risc ridicat și trecerea la soluții inerent sigure și fiabile din punct de vedere al sistemului reprezintă singura cale sustenabilă pentru industria stocării energiei. Filosofia produsului Super Power se aliniază perfect cu această viziune și oferă o soluție de siguranță complet validată, acoperind fiecare strat, de la proiectarea materialelor la integrarea sistemului, de la avertizarea timpurie inteligentă până la protecția maximă.