背景

エネルギー危機により、ここ数年、リチウムイオン電池エネルギー貯蔵システム（ESS）の使用が広がっていますが、施設や環境への損害、経済的損失、さらには財産の損失をもたらす危険な事故も数多く発生しています。人生。調査の結果、ESS は UL 9540 や UL 9540A などのバッテリー システム関連の規格を満たしていても、熱による悪用や火災が発生していることが判明しました。したがって、過去の事例から教訓を学び、リスクとその対策を分析することは、ESS技術の開発に有益です。

症例レビュー

以下は、2019年から現在までに公表された世界の大規模ESSの事故事例をまとめたものです。

上記事故の原因は次の２つに集約されます。

1) 内部セルの故障はバッテリーとモジュールの熱的悪用を引き起こし、最終的には ESS 全体が発火または爆発します。

セルの熱乱用によって引き起こされる故障は、基本的には火災とそれに続く爆発として観察されます。たとえば、2019年の米国アリゾナ州のマクミケン発電所と2021年の中国北京の豊台発電所の事故は、いずれも火災後に爆発した。このような現象は、単一セルの故障によって引き起こされ、内部の化学反応が引き起こされて熱が放出され（発熱反応）、温度が上昇し続けて近くのセルやモジュールに広がり、火災や爆発を引き起こすこともあります。セルの故障モードは一般に、過充電または制御システムの故障、熱暴露、外部短絡および内部短絡（へこみや凹み、材料の不純物、外部物体の侵入などのさまざまな条件によって引き起こされる可能性があります）によって引き起こされます。 ）。

電池を熱的に乱用すると、可燃性ガスが発生します。上記から、最初の 3 つの爆発ケースは同じ原因、つまり可燃性ガスが適時に放出できないことがわかります。この時点で、バッテリー、モジュール、コンテナ換気システムが特に重要です。一般にガスは排気バルブを通じてバッテリーから排出されますが、排気バルブの圧力調整により可燃性ガスの蓄積を軽減できます。モジュール段階では、可燃性ガスの蓄積を避けるために、一般に外部ファンまたはシェルの冷却設計が使用されます。最後に、コンテナ段階では、可燃性ガスを排出するための換気設備と監視システムも必要です。

2) 外部補助システムの障害による ESS 障害

補助システムの故障によって引き起こされる全体的な ESS の故障は、通常、バッテリ システムの外部で発生し、外部コンポーネントからの発火や発煙を引き起こす可能性があります。また、システムが監視してタイムリーに対応すれば、セルの故障や熱の悪用につながることはありません。ビストラ・モス・ランディング発電所のフェーズ1（2021年）とフェーズ2（2022年）の事故では、試運転段階で故障監視と電気的フェイルセーフ装置がオフになっており、適時に対応できなかったため、煙と火災が発生した。 。この種の炎の燃焼は通常、バッテリー システムの外側から始まり、最終的にセルの内側に広がるため、激しい発熱反応や可燃性ガスの蓄積がなく、通常は爆発は起こりません。さらに、スプリンクラーシステムを時間内に作動させることができれば、施設に大きな被害を与えることはありません。

2021年にオーストラリアのジーロングで起きた「ビクトリアン・パワー・ステーション」の火災事故は、冷却剤の漏れによるバッテリーの短絡が原因であったことから、バッテリーシステムの物理的隔離に注意を払う必要があることが改めて認識されました。相互干渉を避けるため、外部設備とバッテリーシステムの間に一定のスペースを確保することをお勧めします。電池システムには外部短絡を避けるための絶縁機能も装備する必要があります。

対策

上記の分析から、ESS 事故の原因はセルの熱乱用と補助システムの故障であることは明らかです。故障を防ぐことができない場合は、ブロッキング故障後のさらなる劣化を軽減することで損失を減らすこともできます。対策は以下の観点から考えられます。

セルの熱乱用後の熱拡散をブロック

断熱バリアを追加して、セルの熱悪用の広がりをブロックすることができます。断熱バリアは、セル間、モジュール間、またはラック間に設置できます。NFPA 855 (定置型エネルギー貯蔵システムの設置に関する規格) の付録にも、関連要件が記載されています。バリアを隔離するための具体的な手段には、冷水プレート、エアロゲルなどをセルの間に挿入することが含まれます。

バッテリシステムに消火装置を追加すると、単一セルで熱的虐待が発生した場合に、迅速に反応して消火装置を作動させることができます。リチウムイオン火災の危険性の背後にある化学は、従来の消火ソリューションとは異なるエネルギー貯蔵システムの消火設計につながり、火災を消すだけでなくバッテリーの温度も下げることができます。そうしないと、セルの発熱化学反応が継続して発生し、再点火が引き起こされます。

消火材の選択にも細心の注意が必要です。燃えているバッテリーケースに水を直接スプレーすると、可燃性ガス混合物が発生する可能性があります。また、バッテリーのケースやフレームがスチールでできている場合、水が熱による悪影響を防ぐことはできません。場合によっては、水や他の種類の液体がバッテリー端子に触れると火災が悪化する可能性があることが示されています。たとえば、2021年9月のビストラ・モス・ランディング発電所の火災事故では、発電所の冷却ホースとパイプの接合部が故障し、バッテリーラックに水がかかり、最終的にバッテリーが短絡してアークが発生したとの報告があった。

1.可燃性ガスのタイムリーな排出

上記の事例報告はすべて、爆発の主な原因として可燃性ガスの濃度を指摘しています。したがって、サイトの設計とレイアウト、ガス監視と換気システムは、このリスクを軽減するために重要です。NFPA 855 規格では、連続ガス検出システムが必要であると記載されています。一定レベルの可燃性ガス (LFL の 25%) が検出されると、システムは排気換気を開始します。さらに、UL 9540A 試験規格には、排気を収集し、ガス LFL の下限を検出する要件についても言及されています。

通気に加えて、爆発防止パネルの使用も推奨されます。NFPA 855 には、ESS が NFPA 68 (爆燃ベントによる防爆に関する規格) および NFPA 69 (防爆システムに関する規格) に従って設置および保守されることが記載されています。ただし、システムが火災および爆発試験（UL 9540A または同等のもの）に準拠している場合は、この要件が免除される場合があります。ただし、試験条件は実際の状況を完全に表しているわけではないため、換気と防爆を強化することが推奨されます。

2.補機類の故障防止

不適切なソフトウェア/ファームウェアのプログラミングと試運転/開始前の手順も、ビクトリア発電所とビストラ・モスランディング発電所の火災事故の一因となった。ビクトリア州の発電所の火災では、モジュールの 1 つによって引き起こされた熱不正行為は特定も阻止もされず、その後の火災も中断されませんでした。このような状況が起こった理由は、当時は試運転が必要なく、遠隔測定システム、障害監視、電気的フェイルセーフ装置を含むシステムが手動でシャットダウンされていたためです。さらに、監視制御およびデータ収集 (SCADA) システムも、機器の接続を確立するのに 24 時間かかったため、まだ稼働していませんでした。

したがって、アイドル状態のモジュールには、ロックアウト スイッチを介して手動でシャットダウンするのではなく、アクティブ テレメトリ、障害監視、電気安全装置などのデバイスを搭載することをお勧めします。すべての電気安全保護装置はアクティブ モードに維持する必要があります。さらに、さまざまな緊急事態を特定して対応するために、追加の警報システムを追加する必要があります。

ビストラ・モス・ランディング発電所のフェーズ1とフェーズ2でもソフトウェア・プログラミング・エラーが見つかり、起動しきい値を超えずにバッテリーのヒートシンクが作動した。同時に、バッテリーの上層の漏れを伴う水道コネクタの故障により、バッテリーモジュールに水が供給され、短絡が発生します。これら 2 つの例は、起動手順の前にソフトウェア/ファームウェアのプログラミングをチェックしてデバッグすることがいかに重要であるかを示しています。

まとめ

エネルギー貯蔵ステーションでのいくつかの火災事故の分析を通じて、バッテリー事故を防ぐことができる換気と爆発制御、ソフトウェアプログラミングチェックを含む適切な設置と試運転手順に高い優先順位が与えられる必要があります。さらに、有毒ガスや有毒物質の発生に対処するために、包括的な緊急対応計画を策定する必要があります。