พื้นหลัง

วิกฤตพลังงานทำให้ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (ESS) มีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่ก็มีอุบัติเหตุที่เป็นอันตรายหลายครั้งที่ส่งผลให้เกิดความเสียหายต่อสิ่งอำนวยความสะดวกและสิ่งแวดล้อม การสูญเสียทางเศรษฐกิจ และแม้กระทั่งการสูญเสีย ชีวิต. จากการตรวจสอบพบว่า แม้ว่า ESS จะเป็นไปตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับระบบแบตเตอรี่ เช่น UL 9540 และ UL 9540A แต่การใช้ความร้อนและเพลิงไหม้ก็เกิดขึ้น ดังนั้นการเรียนรู้บทเรียนจากกรณีที่ผ่านมาและการวิเคราะห์ความเสี่ยงและมาตรการรับมือจะเป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาเทคโนโลยี ESS

การทบทวนกรณีต่างๆ

ข้อมูลสรุปกรณีอุบัติเหตุของ ESS ขนาดใหญ่ทั่วโลกตั้งแต่ปี 2019 จนถึงปัจจุบันซึ่งมีการรายงานต่อสาธารณะมีดังนี้

สาเหตุของอุบัติเหตุข้างต้นสามารถสรุปได้เป็น 2 ประการดังนี้

1) ความล้มเหลวของเซลล์ภายในทำให้เกิดการใช้ความร้อนของแบตเตอรี่และโมดูล และสุดท้ายทำให้ ESS ทั้งหมดลุกไหม้หรือระเบิด

ความล้มเหลวที่เกิดจากการใช้ความร้อนของเซลล์โดยพื้นฐานแล้วสังเกตได้ว่าเกิดเพลิงไหม้ตามมาด้วยการระเบิด ตัวอย่างเช่น อุบัติเหตุของโรงไฟฟ้า McMicken ในรัฐแอริโซนา สหรัฐอเมริกา ในปี 2562 และโรงไฟฟ้าเฟิงไท่ในกรุงปักกิ่ง ประเทศจีน ในปี 2564 ทั้งคู่เกิดระเบิดหลังเกิดเพลิงไหม้ ปรากฏการณ์ดังกล่าวมีสาเหตุมาจากความล้มเหลวของเซลล์เดียว ซึ่งก่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมีภายใน ปล่อยความร้อน (ปฏิกิริยาคายความร้อน) และอุณหภูมิยังคงสูงขึ้นและแพร่กระจายไปยังเซลล์และโมดูลใกล้เคียง ทำให้เกิดไฟไหม้หรือแม้แต่การระเบิด โหมดความล้มเหลวของเซลล์โดยทั่วไปมีสาเหตุมาจากการชาร์จไฟเกินหรือความล้มเหลวของระบบควบคุม การสัมผัสความร้อน การลัดวงจรภายนอก และการลัดวงจรภายใน (ซึ่งอาจเกิดจากสภาวะต่างๆ เช่น การเยื้องหรือการบุ๋ม วัสดุเจือปน การเจาะโดยวัตถุภายนอก ฯลฯ ).

หลังจากการใช้ความร้อนของเซลล์อย่างไม่เหมาะสม จะเกิดก๊าซไวไฟ จากด้านบน คุณจะสังเกตเห็นว่าสามกรณีแรกของการระเบิดมีสาเหตุเดียวกัน นั่นคือก๊าซไวไฟไม่สามารถระบายออกได้ทันเวลา ณ จุดนี้ แบตเตอรี่ โมดูล และระบบระบายอากาศของตู้คอนเทนเนอร์มีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยทั่วไปก๊าซจะถูกปล่อยออกจากแบตเตอรี่ผ่านทางวาล์วไอเสีย และการควบคุมแรงดันของวาล์วไอเสียสามารถลดการสะสมของก๊าซที่ติดไฟได้ ในขั้นตอนโมดูล โดยทั่วไปจะใช้พัดลมภายนอกหรือการออกแบบการระบายความร้อนของเปลือกเพื่อหลีกเลี่ยงการสะสมของก๊าซที่ติดไฟได้ สุดท้ายนี้ ในขั้นตอนตู้คอนเทนเนอร์ จำเป็นต้องมีสิ่งอำนวยความสะดวกในการระบายอากาศและระบบตรวจสอบเพื่ออพยพก๊าซที่ติดไฟได้

2) ความล้มเหลว ESS เกิดจากความล้มเหลวของระบบเสริมภายนอก

ความล้มเหลว ESS โดยรวมที่เกิดจากความล้มเหลวของระบบเสริมมักเกิดขึ้นนอกระบบแบตเตอรี่ และอาจส่งผลให้เกิดการไหม้หรือควันจากส่วนประกอบภายนอก และเมื่อระบบตรวจสอบและตอบสนองได้ทันท่วงที ก็จะไม่นำไปสู่ความล้มเหลวของเซลล์หรือการใช้ความร้อนในทางที่ผิด ในอุบัติเหตุของสถานีไฟฟ้า Vistra Moss Landing ระยะที่ 1 ปี 2021 และระยะที่ 2 ปี 2022 เกิดควันและไฟเกิดขึ้นเนื่องจากการตรวจสอบข้อผิดพลาดและอุปกรณ์ป้องกันข้อผิดพลาดทางไฟฟ้าถูกปิดในขณะนั้นในระหว่างขั้นตอนการทดสอบเดินเครื่อง และไม่สามารถตอบสนองได้ทันเวลา . เปลวไฟประเภทนี้มักจะเริ่มต้นจากด้านนอกของระบบแบตเตอรี่ก่อนที่จะลุกลามไปยังด้านในของเซลล์ในที่สุด จึงไม่เกิดปฏิกิริยาคายความร้อนที่รุนแรงและการสะสมของก๊าซที่ติดไฟได้ และมักจะไม่มีการระเบิด ยิ่งไปกว่านั้น หากสามารถเปิดระบบสปริงเกอร์ได้ทันเวลา ก็จะไม่สร้างความเสียหายให้กับโรงงานเป็นวงกว้าง

อุบัติเหตุไฟไหม้ “Victorian Power Station” ในเมืองจีลอง ประเทศออสเตรเลีย ในปี 2564 เกิดจากการลัดวงจรในแบตเตอรี่ที่เกิดจากน้ำหล่อเย็นรั่ว ซึ่งเตือนให้เราใส่ใจกับการแยกทางกายภาพของระบบแบตเตอรี่ ขอแนะนำให้เว้นระยะห่างระหว่างสิ่งอำนวยความสะดวกภายนอกและระบบแบตเตอรี่เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนซึ่งกันและกัน ระบบแบตเตอรี่ควรติดตั้งฟังก์ชันฉนวนเพื่อหลีกเลี่ยงการลัดวงจรภายนอก

มาตรการรับมือ

จากการวิเคราะห์ข้างต้น เป็นที่ชัดเจนว่าสาเหตุของอุบัติเหตุ ESS เกิดจากการที่เซลล์ใช้ความร้อนในทางที่ผิดและความล้มเหลวของระบบเสริม หากไม่สามารถป้องกันความล้มเหลวได้ การลดการเสื่อมสภาพเพิ่มเติมหลังจากการบล็อกล้มเหลวก็สามารถลดการสูญเสียได้เช่นกัน มาตรการรับมือสามารถพิจารณาได้จากประเด็นต่อไปนี้:

การปิดกั้นการแพร่กระจายความร้อนหลังจากการใช้ความร้อนของเซลล์ในทางที่ผิด

สามารถเพิ่มแผงกั้นฉนวนเพื่อป้องกันการแพร่กระจายของการใช้ความร้อนของเซลล์ ซึ่งสามารถติดตั้งระหว่างเซลล์ ระหว่างโมดูล หรือระหว่างชั้นวางได้ ในภาคผนวกของ NFPA 855 (มาตรฐานสำหรับการติดตั้งระบบจัดเก็บพลังงานแบบอยู่กับที่) คุณสามารถดูข้อกำหนดที่เกี่ยวข้องได้เช่นกัน มาตรการเฉพาะเพื่อแยกสิ่งกีดขวาง ได้แก่ การใส่แผ่นน้ำเย็น แอร์เจล และสิ่งที่ชอบระหว่างเซลล์

สามารถเพิ่มอุปกรณ์ดับเพลิงเข้ากับระบบแบตเตอรี่เพื่อให้สามารถตอบสนองได้อย่างรวดเร็วเพื่อเปิดใช้งานอุปกรณ์ดับเพลิงเมื่อเกิดการละเมิดความร้อนในเซลล์เดียว เคมีที่อยู่เบื้องหลังอันตรายจากไฟไหม้ลิเธียมไอออนนำไปสู่การออกแบบระบบระงับอัคคีภัยสำหรับระบบกักเก็บพลังงานที่แตกต่างไปจากโซลูชันการดับเพลิงแบบทั่วไป ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยดับไฟเท่านั้น แต่ยังช่วยลดอุณหภูมิของแบตเตอรี่ด้วย มิฉะนั้น ปฏิกิริยาเคมีคายความร้อนของเซลล์จะยังคงเกิดขึ้นและกระตุ้นให้เกิดการลุกไหม้อีกครั้ง

จำเป็นต้องมีการดูแลเป็นพิเศษเมื่อเลือกวัสดุดับเพลิง หากฉีดน้ำลงบนโครงแบตเตอรี่ที่ลุกไหม้โดยตรงอาจทำให้เกิดส่วนผสมของก๊าซไวไฟได้ และหากเคสหรือโครงแบตเตอรี่ทำจากเหล็ก น้ำก็ไม่สามารถป้องกันการใช้ความร้อนได้ ในบางกรณีแสดงว่าน้ำหรือของเหลวประเภทอื่นๆ ที่สัมผัสกับขั้วแบตเตอรี่อาจทำให้ไฟรุนแรงขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น ในอุบัติเหตุไฟไหม้ของโรงไฟฟ้า Vistra Moss Landing ในเดือนกันยายน 2021 รายงานระบุว่าท่อระบายความร้อนและข้อต่อท่อของสถานีทำงานล้มเหลว ส่งผลให้มีน้ำกระเซ็นบนชั้นวางแบตเตอรี่ และส่งผลให้แบตเตอรี่เกิดไฟฟ้าลัดวงจรและส่วนโค้งในที่สุด

1. การปล่อยก๊าซที่ติดไฟได้ทันเวลา

รายงานกรณีข้างต้นทั้งหมดชี้ว่าความเข้มข้นของก๊าซที่ติดไฟได้เป็นสาเหตุหลักของการระเบิด ดังนั้นการออกแบบและแผนผังไซต์งาน ระบบตรวจสอบก๊าซ และระบบระบายอากาศจึงมีความสำคัญในการลดความเสี่ยงนี้ ในมาตรฐาน NFPA 855 ระบุว่าจำเป็นต้องมีระบบตรวจจับก๊าซแบบต่อเนื่อง เมื่อตรวจพบก๊าซที่ติดไฟได้ในระดับหนึ่ง (เช่น 25% ของ LFL) ระบบจะเริ่มการระบายอากาศเสีย นอกจากนี้ มาตรฐานการทดสอบ UL 9540A ยังกล่าวถึงข้อกำหนดในการรวบรวมไอเสียและตรวจจับขีดจำกัดล่างของ LFL ของก๊าซอีกด้วย

นอกจากการระบายอากาศแล้ว ยังแนะนำให้ใช้แผงป้องกันการระเบิดอีกด้วย มีการกล่าวถึงใน NFPA 855 ว่าจะต้องติดตั้งและบำรุงรักษา ESS ตามมาตรฐาน NFPA 68 (มาตรฐานการป้องกันการระเบิดโดยการระบายอากาศแบบ Deflagration Venting) และ NFPA 69 (มาตรฐานเกี่ยวกับระบบป้องกันการระเบิด) อย่างไรก็ตาม เมื่อระบบเป็นไปตามการทดสอบอัคคีภัยและการระเบิด (UL 9540A หรือเทียบเท่า) ก็จะได้รับการยกเว้นจากข้อกำหนดนี้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเงื่อนไขของการทดสอบไม่ได้เป็นตัวแทนของสถานการณ์จริงอย่างสมบูรณ์ จึงแนะนำให้ปรับปรุงการระบายอากาศและการป้องกันการระเบิด

2. การป้องกันความล้มเหลวของระบบเสริม

การเขียนโปรแกรมซอฟต์แวร์/เฟิร์มแวร์ที่ไม่เพียงพอ และการทดสอบการใช้งาน/ขั้นตอนก่อนสตาร์ท ยังส่งผลให้ Victorian Power Station และ Vistra Moss Landing Power Station เกิดเหตุไฟไหม้อีกด้วย ในเหตุการณ์เพลิงไหม้ที่สถานีไฟฟ้าแห่งรัฐวิคตอเรีย ความร้อนที่ก่อให้เกิดการละเมิดโดยโมดูลตัวใดตัวหนึ่งไม่ได้รับการระบุหรือปิดกั้น และไฟที่ตามมาก็ไม่ได้ถูกรบกวนเช่นกัน สาเหตุที่ทำให้เกิดสถานการณ์เช่นนี้ก็คือ ในขณะนั้นไม่จำเป็นต้องมีการทดสอบการทำงาน และระบบถูกปิดด้วยตนเอง รวมถึงระบบโทรมาตร การตรวจสอบข้อผิดพลาด และอุปกรณ์ป้องกันข้อผิดพลาดทางไฟฟ้า นอกจากนี้ ระบบ Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) ก็ยังไม่สามารถใช้งานได้ เนื่องจากต้องใช้เวลา 24 ชั่วโมงในการสร้างการเชื่อมต่ออุปกรณ์

ดังนั้นจึงขอแนะนำว่าโมดูลที่ไม่ได้ใช้งานควรมีอุปกรณ์ เช่น การตรวจวัดระยะไกลแบบแอคทีฟ การตรวจสอบข้อผิดพลาด และอุปกรณ์ความปลอดภัยทางไฟฟ้า แทนที่จะปิดเครื่องด้วยตนเองผ่านสวิตช์ล็อค อุปกรณ์ป้องกันความปลอดภัยทางไฟฟ้าทั้งหมดควรอยู่ในโหมดแอคทีฟ นอกจากนี้ควรเพิ่มระบบเตือนภัยเพิ่มเติมเพื่อระบุและตอบสนองต่อเหตุการณ์ฉุกเฉินต่างๆ

นอกจากนี้ยังพบข้อผิดพลาดในการเขียนโปรแกรมซอฟต์แวร์ในสถานี Vistra Moss Landing Power เฟส 1 และ 2 เนื่องจากไม่เกินเกณฑ์การเริ่มต้นระบบ แผงระบายความร้อนของแบตเตอรี่จึงถูกเปิดใช้งาน ในเวลาเดียวกัน การเชื่อมต่อท่อน้ำล้มเหลวเนื่องจากการรั่วของชั้นบนของแบตเตอรี่ ทำให้น้ำไหลเข้าสู่โมดูลแบตเตอรี่ และทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจร ตัวอย่างทั้งสองนี้แสดงให้เห็นว่าการตรวจสอบและแก้ไขการเขียนโปรแกรมซอฟต์แวร์/เฟิร์มแวร์มีความสำคัญเพียงใดก่อนขั้นตอนการเริ่มต้นระบบ

สรุป

จากการวิเคราะห์อุบัติเหตุไฟไหม้หลายครั้งในสถานีกักเก็บพลังงาน ควรให้ความสำคัญกับการระบายอากาศและการควบคุมการระเบิด ขั้นตอนการติดตั้งและทดสอบการใช้งานที่เหมาะสม รวมถึงการตรวจสอบการเขียนโปรแกรมซอฟต์แวร์ ซึ่งสามารถป้องกันอุบัติเหตุจากแบตเตอรี่ได้ นอกจากนี้ ควรมีการพัฒนาแผนเผชิญเหตุฉุกเฉินที่ครอบคลุมเพื่อจัดการกับการเกิดก๊าซและสารพิษ