Sfide di Sicurezza è Analisi di Rischi di i Sistemi di Accumulazione di Energia Domestica

Prublemi di Sicurezza di u Sistema Energeticu

Cù u sviluppu di l'energie rinnuvevuli, i sistemi di almacenamiento di energia sò sempre più aduprati in i sistemi energetichi. Tuttavia, i prublemi di sicurezza di i sistemi di almacenamiento di energia sò ancu diventati prominenti.

Ci sò parechji tippi di batterie di almacenamiento d'energia, cumprese batterie à piombu-acidu, batterie à ioni di litiu, batterie di ioni di sodiu, batterie à flussu è batterie à sodiu-zolfu, ognuna cù e so caratteristiche è adatta à diversi scenarii. Trà elle, e batterie à litiu sò diventate a via tecnica principale in u campu di l'accumulazione di energia cù a so alta densità energetica, longa durata, alta efficienza è risposta rapida. E batterie à ioni di litiu 48V 60V 72V sò largamente aduprate in i veiculi elettrici, l'elettronica di cunsumu è i sistemi energetichi à grande scala, prumove u sviluppu di tecnulugie è applicazioni cunnesse.

Tuttavia, e batterie à ioni di litiu anu ancu qualchì sfida significativa, in particulare in a stabilità termica. E batterie à ioni di litiu ponu sperimentà una fuga termica in cundizioni estreme cum'è alta temperatura, sovraccaricu o cortocircuitu, causendu incendi o splusione di batteria à u litiuSti periculi per a sicurezza rendenu e batterie à ioni di litiu affruntate un risicu elevatu di splusione in i sistemi di almacenamiento di energia, diventendu una di e cause principali di incidenti di sicurezza.

Sicondu statistiche incomplete, in l'ultimi cinque anni (2019 à 20241), decine d'incendii o splusioni sò accaduti in e centrale elettriche di almacenamiento d'energia in u mondu sanu. Frà questi, l'accidenti causati da batterie à ioni di litiu anu rapprisintatu sin'à l'80%. Quessi accidenti ùn anu micca solu causatu perdite di pruprietà, ma ponu ancu mette in periculu a sicurezza persunale, pruvucendu una attenzione è una ricerca diffusa nantu à a sicurezza di e batterie à ioni di litiu. Per risponde à sta sfida, l'industria esplora attivamente suluzioni tecniche per migliurà a stabilità termica di e batterie à ioni di litiu è sviluppa nuove tecnulugie di batterie di almacenamiento d'energia per ottene una maggiore sicurezza è affidabilità.

Rapportu d'analisi di l'accidenti di u prughjettu di a centrale elettrica integrata di carica è accumulazione fotovoltaica DC 25MWh di Beijing Jimei Dahongmen di EPRI

Sicondu u Rapportu d'Inchiesta nantu à l'Incidenti d'Incendiu è d'Esplosione di a Centrale Elettrica di Accumulazione d'Energia di u Distrettu Fengtai di Pechino, a Centrale Elettrica Jimei Dahongmen di Pechino hà avutu un accidente u 16 d'aprile. U rapportu elenca ottu ragioni di l'accidentu:

1. Qualità di sicurezza di e batterie di almacenamiento di energia
2. Topologia elettrica di u sistema di accumulazione d'energia
3. Sistema di gestione di a batteria (BMS)
4. Disposizione in situ di cavi è cablaggi
5. Cuncepimentu di a prevenzione di l'incendii di a centrale elettrica
6. Sistemi di monitoraghju, alerta precoce è estinzione di incendi di a centrale elettrica
7. Fattori meteorologichi è ambientali
8. Sistema di gestione è gestione di u persunale in situ

Basatu annantu à l'incidenti signalati, e cause di l'accidenti di sicurezza in i sistemi di almacenamiento di energia ponu esse generalmente classificate in quattru tippi principali: risichi inerenti à a batteria, risichi di sicurezza esterni, cuncepimentu è prutezzione di sicurezza insufficienti, è fattori di gestione operativa.

1. Rischi inerenti per a sicurezza di a batteria:

• Difetti di fabricazione: I curtcircuiti interni ponu esse causati da prublemi cum'è bave metalliche o un rivestimentu scarso di l'elettrodi durante a pruduzzione.
• Dendriti di litiu: A furmazione di dendriti di litiu in a cellula pò perforà u separatore, purtendu à corti circuiti interni.
• Invecchiamento di a batteria: L'invecchiamento naturale di e batterie pò compromettere a sicurezza generale di u sistema di accumulazione di energia.

2. Rischi di sicurezza esterni:

• Rischi elettrichi: Quessi includenu a sovraccarica, a sovrascarica è i curtcircuiti esterni.
• Rischi meccanichi: Danni causati da schiacciamentu o penetrazione (per esempiu, da oggetti appuntiti).
• Rischi elettromagnetichi: L'interferenze elettromagnetiche ponu disturbà u funziunamentu nurmale di u sistema.
• Rischi termichi: E temperature eccessivamente alte o basse ponu influenzà negativamente e prestazioni è a sicurezza di a batteria.
• Rischi d'esplosione: In certe cundizioni, e batterie ponu esplode.
• Cundizioni ambientali inadatte: E cundizioni ambientali avverse ponu presentà serii risichi per a sicurezza di u sistema di almacenamiento di energia.

3. Cuncepimentu è prutezzione di sicurezza insufficiente:

• Monitoraghju inadeguatu di l'isolamentu: Una prutezzione insufficiente di l'isolamentu, cum'è i guasti di i contattori CC, i guasti di l'isolamentu di e sbarre cullettrici o i cavi d'entrata CA brusgiati, pò degradà e prestazioni di l'isolamentu è purtà à guasti d'arcu è incendi.
• Scarsa coordinazione di a prutezzione di u sistema: Una coordinazione inefficace trà i sistemi di prutezzione pò compromettere a sicurezza generale.
• Fallimenti di cuntrollu di u sistema: I fallimenti in a gestione termica o altri sistemi di cuntrollu ponu causà surriscaldamentu o incendi di a batteria.
• Malfunzionamenti di l'apparecchiature ausiliarie: I fallimenti di i dispositivi ausiliari ponu ancu influenzà a sicurezza generale di u sistema di almacenamentu.

4. Fattori di u Sistema Operativu è di Gestione:

• Mancanza di Cuurdinamentu trà i Sistemi: Una cumunicazione è un cuurdinamentu insufficiente trà u Sistema di Gestione di a Batteria (BMS), u Sistema di Gestione di l'Energia (PMS) è u Sistema di Gestione di l'Energia (EMS), o un funziunamentu micca cuurdinatu trà u Sistema di Cuntrollu di Prucessu (PCS) è i sistemi di prutezzione di a batteria, pò causà cunflitti à livellu di sistema. Per esempiu, riavvià u PCS senza verificà u statu di a batteria dopu un guastu pò purtà à prublemi d'interfaccia AC/DC.
• Fallimenti di u Sistema di Gestione: Quessi includenu quadri di gestione difettosi, un cuntrollu ambientale scarsu (per esempiu, umidità o polvere eccessiva) è una segnalazione inadeguata di i guasti, chì ponu ritardà a manutenzione è aumentà i risichi per a sicurezza.
• Funzionamentu è manutenzione inadeguati di e stazioni di accumulazione di energia: Una gestione è una manutenzione inadeguate dopu u spiegamentu ponu purtà à prublemi operativi micca risolti, chì ponu aggravà si in serii periculi per a sicurezza.

Identificazione di i Rischi in i Sistemi di Accumulazione di Energia

Risicu di fuga termica

A fuga termica si riferisce à una cundizione induve a velocità di generazione di calore internu di una batteria supera significativamente a so velocità di dissipazione di u calore. Questu si traduce in una rapida accumulazione di calore in u sistema, chì ùn pò esse liberatu efficacemente, purtendu infine à una perdita di cuntrollu di a temperatura è potenzialmente pruvucendu incendi o splusioni.

U prucessu di fuga termica di a batteria hè generalmente u seguente: a sola cellula genera un autoriscaldamentu eccessivu per via di un abusu meccanicu o elettricu. Stu fenomenu di surriscaldamentu face chì a temperatura di a batteria aumenti è entre in a fase di abusu termicu, chì provoca a fuga termica. U prucessu di fuga termica libera gas è fume inflammabili, a batteria cumencia à brusgià è provoca una reazione à catena, chì pò infine purtà à un focu o ancu à una splusione in a centrale elettrica di accumulazione di energia.

In più di l'invecchiamentu di a batteria è di i difetti interni, i seguenti fattori ponu ancu cuntribuisce à a fuga termica:

• Sovraccarica o sovrascarica: Caricà o scaricà a batteria oltre i so limiti operativi previsti.
• Fallimentu di cunnessione critica: Fallimentu di i punti di cunnessione elettrica, chì porta à potenziali periculi per a sicurezza.
• Fallimentu di u Sistema di Gestione: U Sistema di Gestione di a Batteria (BMS) ùn riesce micca à monitorà è cuntrullà efficacemente a cundizione di a batteria.
• Difetti di fabricazione: Prublemi cum'è curtcircuiti interni o altri difetti durante u prucessu di fabricazione.
• Invecchiamento di a batteria: Cù u tempu, e prestazioni di a batteria si degradanu, ciò chì pò purtà à corti circuiti interni o altri guasti.
• Fallimentu di i Dispositivi di Prutezzione di e Cellule: I dispositivi di prutezzione ponu deformassi o fallu, compromettendu a sicurezza di a batteria.
• Funziunamentu à alta o bassa temperatura: E cundizioni di temperatura estreme affettanu negativamente a sicurezza è e prestazioni di a batteria.
• Deformazione è Perdite di a Batteria: Deformazione di l'involucru di a batteria o perdita di liquidi interni.
• Fuga di gas o liberazione di gas combustibili: Durante a combustione, e batterie ponu liberà gas inflammabili, chì presentanu rischi supplementari.

Periculi Elettrichi

I periculi elettrichi sò unu di i risichi di sicurezza più serii in i sistemi di accumulazione d'energia. Cù a capacità è a tensione di i sistemi di accumulazione d'energia chì cuntinueghjanu à cresce, a tensione di u sistema hè aumentata gradualmente da livelli più bassi à 1500V DC. In a sicurezza elettrica, ogni tensione chì supera i 60V DC hè cunsiderata periculosa, è u cuntattu accidentale cù e parti in tensione pò purtà à risichi di scossa elettrica.

Dunque, i sistemi di accumulazione d'energia devenu avè misure d'isolamentu elettricu efficaci per impedisce u cuntattu direttu o indirettu cù i cumpunenti elettrichi durante u funziunamentu. Per esempiu, u risicu di scossa elettrica pusatu da una riduzione di a resistenza d'isolamentu. A resistenza d'isolamentu indica l'integrità di i materiali d'isolamentu; quandu i cavi o e cunnessione soffrenu di danni, invecchiamentu o degradazione di u stratu d'isolamentu, a resistenza d'isolamentu pò diminuisce. In tali casi, i danni à u stratu d'isolamentu ponu espone i cunduttori in l'internu di i cavi, purtendu à currenti di dispersione. Questa perdita aumenta u risicu di scossa elettrica per u persunale di manutenzione.

Inoltre, i sistemi di accumulazione d'energia cuntenenu tipicamente un gran numeru di dispositivi elettrici ausiliari, è l'ambiente d'installazione hè spessu cumplessu. Eventi imprevisti, cum'è alta tensione, correnti elevate (per esempiu, fulmini o sovratensioni), o l'invecchiamento di l'apparecchiature è di i cavi chì portanu à u guastu di l'elementi di prutezzione, ponu purtà à malfunzionamenti di e funzioni di prutezzione o à un isolamentu anormale, purtendu à scosse elettriche è altri incidenti di sicurezza.

Rischi per a sicurezza funzionale: A sicurezza funzionale hè una parte impurtante di a sicurezza di u sistema di accumulazione di energia, per via di i risichi causati da u fallimentu o a rottura di l'equipaggiu cuntrullatu è di i so sistemi cunnessi.

Ambiente di travagliu inadattu:

Valutazione di i Rischi di i Sistemi di Accumulazione di Energia

A sicurezza di i sistemi di accumulazione d'energia hè una questione cumplessa è cumplessa chì s'applica à tuttu u ciclu di vita di i sistemi di accumulazione d'energia elettrochimica, vale à dì, da a fase di cuncepimentu cuncettuale è di sviluppu di u sistema di accumulazione d'energia, a fase di fabricazione di u sistema, a fase di funziunamentu è d'usu di u pruduttu, a fase di serviziu è di manutenzione finu à a fase finale di smantellamentu.

I risichi di sicurezza di u sistema di almacenamiento d'energia ponu dipende da parechji fattori, cumpresi u locu d'installazione, a chimica è a dimensione/scala (cum'è l'elettricità), è devenu esse valutati di cunsiguenza. U locu sicuru di sI sistemi di almacenamiento di batterie d'energia solare ponu esse per usu domesticu, applicazioni industriali è cummerciali à sistemi à grande scala per a rete; sti risichi devenu esse valutati di cunsiguenza.

Quandu si face l'analisi di i risichi di u sistema, a norma IEC 62933-5-1 furnisce parechji metudi: metudi d'analisi top-down è metudi d'analisi bottom-up, cum'è l'analisi FMEA cumuna, l'analisi di l'arburu di guasti, l'analisi HAZOP è STAMP. Attraversu una seria di metudi d'analisi per identificà i risichi putenziali, è dopu attraversu a cuncepzione di u sistema di sicurezza è u sviluppu di circuiti elettronichi di u mecanismu di prutezzione di sicurezza, riduce e misure per fà ghjunghje à u nostru livellu accettabile.

Misure di Mitigazione di u Risicu per i Sistemi di Accumulazione di Energia (ESS)

I prublemi di sicurezza sò a linea rossa di a qualità di i prudutti, è assicurà a sicurezza di i sistemi di almacenamiento di energia hè diventata una sfida maiò per u sviluppu sustenibile di l'industria di l'almacenamiento di l'energia. A causa di a particularità di i prudutti di almacenamiento di energia, a so sicurezza deve esse ottenuta cumbinendu parechje funzioni di sicurezza. Cum'è descrittu in a Guida ISO/EC 51, e misure di riduzione di u risicu prese in u prucessu di cuncepimentu di l'almacenamiento di energia sò "inerenti", "cuncepimentu di sicurezza", "dispositivi di prutezzione" è "infurmazioni per l'utente finale". Misure supplementari per a fase d'usu (gestione di a sicurezza di u ciclu di vita) sò ancu descritte in a Guida ISO/IEC 51.

A cuncepzione di i sistemi di almacenamiento d'energia ùn deve micca solu principià da u livellu tecnicu di u sistema è di i cumpunenti, ma deve ancu cunsiderà cumu prevede è identificà i risichi potenziali in anticipu, furnisce una prutezzione attiva è risolve i prublemi in anticipu quandu si verificanu guasti. Ancu in casi estremi d'accidenti, pò furnisce una capacità bottom-up per assicurà a sicurezza di u persunale è di i beni.

Cuncepimentu di Sicurezza Intrinseca per Sistemi di Accumulazione di Energia (ESS)

• Selezzione raghjonevule di sottosistemi
• Cuncepimentu di a funzione di prutezzione
• Cuncepimentu di a sicurezza di e funzioni di u sistema
• Disegno strutturale
• Disegnu elettricu
• Cuncepimentu di prutezzione da u focu
• Cuncepimentu di ventilazione è di sollievu di splusioni, ecc.

Misure di Garanzia è Prutezzione

• I difetti interni di i sottosistemi ùn ponu micca sparghjesi à l'esternu di u sottosistema;
• Sistema d'alta tensione, impedisce l'operazione periculosa à distanza;
• Tutti i cumpunenti cù tensione periculosa per via di difetti d'isolamentu singuli devenu esse messi à terra è prutetti da i fulmini secondu e norme pertinenti;
• A prutezzione di sovracorrente deve esse prevista à a cunnessione esterna di u sottosistema di batteria;
• I difetti di cunnessione di i sottosistemi di u sistema di accumulazione di energia ùn devenu micca causà situazioni periculose, è u caricamentu è u scaricamentu di e batterie devenu esse effettuati cù apparecchiature di sollevamentu adatte;
• L'involucru o u supportu di u sistema deve esse fattu di materiali micca combustibili; A zona di a batteria, a zona di l'equipaggiu di carica è a zona di u circuitu di disconnessione è scarica devenu esse divise in zone ignifughe in l'internu di u sistema;
• Prutezzione di guasti di u sistema ausiliariu, di cuntrollu è di cumunicazione: deve risponde à a sicurezza di guastu unicu, ùn si verificarà alcun periculu ancu s'ellu l'alimentazione hè interrotta o fluttua;
• Prutezzione di i periculi ambientali: i sistemi di accumulazione di energia à l'apertu devenu risponde almenu à IPX4, è a prutezzione da a nebbia salina hè necessaria per l'installazione vicinu à u mare;
• Sia u latu CC sia u latu CA devenu avè funzioni di prutezzione di guasti à terra è d'allarme;
• Ci deve esse un allarme sonoru è visuale quandu a batteria hè sovraccarica: a situazione di sovracorrente in u sottosistema di batteria deve esse segnalata;
• U sistema deve esse dotatu di un sistema di rilevazione di gas combustibili è furnisce allarmi sonori è visuali;
• U sistema deve esse dotatu di un sistema di ventilazione è risponde à i seguenti requisiti: U sistema di ventilazione deve assicurà a temperatura adatta in l'armariu: deve esse prevista una forte evacuazione quandu a ventilazione naturale hè insufficiente; i ventilatori devenu esse capace di impedisce a propagazione di u focu è l'afflussu d'acqua;

Funziunamentu è mantenimentu, furmazione di l'impiegati, infurmazione furnita à l'utilizatori finali

• Infurmazioni di sicurezza furnite à l'utilizatori: segnali è signali d'avvertimentu, etichette chì indicanu e parti periculose in situ, dispositivi d'allarme sonoru è luminosu, diagramma di flussu di u prucessu di cuncepimentu di sicurezza;
• L'operazione in situ deve avè a precedenza annantu à l'operazione à distanza per prutege a sicurezza di i travagliadori in situ: un pianu d'emergenza di sicurezza deve esse preparatu; a prutezzione di sovracorrente deve esse prevista à a cunnessione esterna di u sottosistema di batteria;
• I manuali d'usu è di mantenimentu devenu esse furniti à u pruprietariu, è u fabricatore o l'integratore di sistema deve sviluppà un pianu di mantenimentu regulare;
• U fabricatore deve furnisce indicazioni nantu à e capacità è i requisiti d'autorizazione di u persunale chì opera l'attrezzatura o i sistemi di sicurezza;