घरेलू ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की सुरक्षा चुनौतियां और जोखिम विश्लेषण

ऊर्जा प्रणाली सुरक्षा मुद्दे

नवीकरणीय ऊर्जा के विकास के साथ, ऊर्जा भंडारण प्रणालियों का उपयोग बिजली प्रणालियों में तेजी से बढ़ रहा है। हालांकि, ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के सुरक्षा मुद्दे भी प्रमुख हो गए हैं।

ऊर्जा भंडारण बैटरियां कई प्रकार की होती हैं, जिनमें लेड-एसिड बैटरी, लिथियम-आयन बैटरी आदि शामिल हैं। सोडियम-आयन बैटरीफ्लो बैटरी और सोडियम-सल्फर बैटरी, प्रत्येक की अपनी विशेषताएं हैं और विभिन्न परिदृश्यों के लिए उपयुक्त हैं। उनमें से, लिथियम बैटरी अपने उच्च ऊर्जा घनत्व, लंबे जीवन, उच्च दक्षता और तेज प्रतिक्रिया के साथ ऊर्जा भंडारण के क्षेत्र में मुख्यधारा का तकनीकी मार्ग बन गई है। 48V 60V 72V लिथियम-आयन बैटरियों का व्यापक रूप से इलेक्ट्रिक वाहनों में उपयोग किया जाता है, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स और बड़े पैमाने पर ऊर्जा प्रणालियों, संबंधित प्रौद्योगिकियों और अनुप्रयोगों के विकास को बढ़ावा देना।

हालाँकि, लिथियम-आयन बैटरियों में कुछ महत्वपूर्ण चुनौतियाँ भी हैं, खासकर थर्मल स्थिरता में। लिथियम-आयन बैटरियाँ उच्च तापमान, ओवरचार्ज या शॉर्ट सर्किट जैसी चरम स्थितियों में थर्मल रनवे का अनुभव कर सकती हैं, जिससे आग लग सकती है या लिथियम बैटरी विस्फोटइन सुरक्षा खतरों के कारण लिथियम-आयन बैटरियों को ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में विस्फोट का उच्च जोखिम होता है, जो सुरक्षा दुर्घटनाओं के मुख्य कारणों में से एक बन जाता है।

अधूरे आंकड़ों के अनुसार, पिछले पांच वर्षों (2019 से 20241 तक) में दुनिया भर के ऊर्जा भंडारण बिजली स्टेशनों में दर्जनों आग या विस्फोट हुए। उनमें से, लिथियम आयन बैटरी के कारण होने वाली दुर्घटनाएं 80% तक थीं। इन दुर्घटनाओं से न केवल संपत्ति का नुकसान हुआ, बल्कि व्यक्तिगत सुरक्षा भी खतरे में पड़ सकती है, जिससे लिथियम आयन बैटरी की सुरक्षा पर व्यापक ध्यान और शोध शुरू हो गया है। इस चुनौती का सामना करने के लिए, उद्योग सक्रिय रूप से लिथियम आयन बैटरी की थर्मल स्थिरता में सुधार करने के लिए तकनीकी समाधानों की खोज कर रहा है और उच्च सुरक्षा और विश्वसनीयता प्राप्त करने के लिए नई ऊर्जा भंडारण बैटरी प्रौद्योगिकियों का विकास कर रहा है।

ईपीआरआई की बीजिंग जिमेई दाहोंगमेन 25MWh डीसी फोटोवोल्टिक स्टोरेज और चार्जिंग एकीकृत पावर स्टेशन परियोजना की दुर्घटना विश्लेषण रिपोर्ट

चाइना इलेक्ट्रिक पावर रिसर्च इंस्टीट्यूट की बीजिंग फेंगताई जिला ऊर्जा भंडारण पावर स्टेशन आग और विस्फोट दुर्घटना सर्वेक्षण रिपोर्ट के अनुसार, बीजिंग जिमी दाहोंगमेन पावर स्टेशन में 16 अप्रैल को दुर्घटना हुई थी। रिपोर्ट में दुर्घटना के आठ कारण सूचीबद्ध किए गए हैं:

1. ऊर्जा भंडारण बैटरियों की सुरक्षा गुणवत्ता
2. ऊर्जा भंडारण प्रणाली की विद्युत टोपोलॉजी
3. बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस)
4. केबलों और तारों का ऑन-साइट लेआउट
5. बिजलीघर का अग्नि निरोधक डिजाइन
6. विद्युत स्टेशन की निगरानी, ​​पूर्व चेतावनी और अग्नि शमन प्रणालियाँ
7. मौसम संबंधी और पर्यावरणीय कारक
8. कार्मिकों का ऑन-साइट संचालन और प्रबंधन प्रणाली

रिपोर्ट की गई घटनाओं के आधार पर, ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में सुरक्षा दुर्घटनाओं के कारणों को आम तौर पर चार मुख्य प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है: अंतर्निहित बैटरी जोखिम, बाहरी सुरक्षा जोखिम, अपर्याप्त सुरक्षा डिजाइन और संरक्षण, और परिचालन प्रबंधन कारक।

1.अंतर्निहित बैटरी सुरक्षा जोखिम:

• विनिर्माण दोष: आंतरिक शॉर्ट सर्किट उत्पादन के दौरान धातु की गड़गड़ाहट या खराब इलेक्ट्रोड कोटिंग जैसी समस्याओं के कारण हो सकता है।
• लिथियम डेन्ड्राइट्स: सेल के भीतर लिथियम डेन्ड्राइट्स का निर्माण विभाजक को भेद सकता है, जिससे आंतरिक शॉर्ट सर्किट हो सकता है।
• बैटरी की उम्र बढ़ना: बैटरियों की प्राकृतिक उम्र बढ़ने से ऊर्जा भंडारण प्रणाली की समग्र सुरक्षा से समझौता हो सकता है।

2.बाहरी सुरक्षा जोखिम:

• विद्युत खतरे: इनमें ओवरचार्जिंग, ओवर-डिस्चार्जिंग और बाहरी शॉर्ट सर्किट शामिल हैं।
• यांत्रिक खतरे: कुचलने या छेदने से होने वाली क्षति (जैसे, नुकीली वस्तुओं से)।
• विद्युतचुंबकीय खतरे: विद्युतचुंबकीय हस्तक्षेप प्रणाली के सामान्य संचालन को बाधित कर सकता है।
• तापीय खतरे: अत्यधिक उच्च या निम्न तापमान बैटरी के प्रदर्शन और सुरक्षा पर प्रतिकूल प्रभाव डाल सकता है।
• विस्फोट का खतरा: कुछ परिस्थितियों में, बैटरियां फट सकती हैं।
• अनुपयुक्त पर्यावरणीय परिस्थितियाँ: प्रतिकूल पर्यावरणीय परिस्थितियाँ ऊर्जा भंडारण प्रणाली के लिए गंभीर सुरक्षा जोखिम उत्पन्न कर सकती हैं।

3.अपर्याप्त सुरक्षा डिजाइन और संरक्षण:

• अपर्याप्त इन्सुलेशन निगरानी: अपर्याप्त इन्सुलेशन सुरक्षा - जैसे डीसी संपर्ककर्ता ब्रेकडाउन, बसबार इन्सुलेशन विफलताएं, या जली हुई एसी इनपुट वायरिंग - इन्सुलेशन प्रदर्शन को खराब कर सकती है और आर्क दोष और आग का कारण बन सकती है।
• खराब प्रणाली सुरक्षा समन्वय: सुरक्षात्मक प्रणालियों के बीच अप्रभावी समन्वय समग्र सुरक्षा से समझौता कर सकता है।
• सिस्टम नियंत्रण विफलताएं: थर्मल प्रबंधन या अन्य नियंत्रण प्रणालियों में विफलता के परिणामस्वरूप बैटरी अधिक गर्म हो सकती है या उसमें आग लग सकती है।
• सहायक उपकरण की खराबी: सहायक उपकरणों की खराबी भी भंडारण प्रणाली की समग्र सुरक्षा को प्रभावित कर सकती है।

4. परिचालन और प्रबंधन प्रणाली कारक:

• सिस्टम के बीच समन्वय की कमी: बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस), पावर प्रबंधन प्रणाली (पीएमएस) और ऊर्जा प्रबंधन प्रणाली (ईएमएस) के बीच अपर्याप्त संचार और समन्वय, या प्रक्रिया नियंत्रण प्रणाली (पीसीएस) और बैटरी सुरक्षा प्रणालियों के बीच असंगठित संचालन, सिस्टम-स्तरीय संघर्ष का कारण बन सकता है। उदाहरण के लिए, किसी खराबी के बाद बैटरी की स्थिति की जांच किए बिना पीसीएस को फिर से चालू करने से एसी/डीसी इंटरफ़ेस की समस्या हो सकती है।
• प्रबंधन प्रणाली की विफलताएं: इनमें त्रुटिपूर्ण प्रबंधन ढांचे, खराब पर्यावरण नियंत्रण (जैसे, अत्यधिक आर्द्रता या धूल) और अपर्याप्त दोष रिपोर्टिंग शामिल हैं, जो रखरखाव में देरी कर सकते हैं और सुरक्षा जोखिम बढ़ा सकते हैं।
• ऊर्जा भंडारण स्टेशनों का अपर्याप्त संचालन और रखरखाव: तैनाती के बाद खराब प्रबंधन और रखरखाव के परिणामस्वरूप अनसुलझे परिचालन संबंधी मुद्दे उत्पन्न हो सकते हैं, जो संभावित रूप से गंभीर सुरक्षा खतरों में बदल सकते हैं।

ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में जोखिम की पहचान

थर्मल रनअवे खतरा

थर्मल रनअवे एक ऐसी स्थिति को संदर्भित करता है, जहां बैटरी की आंतरिक गर्मी उत्पादन दर इसकी गर्मी अपव्यय दर से काफी अधिक होती है। इसके परिणामस्वरूप सिस्टम के भीतर गर्मी का तेजी से संचय होता है, जिसे प्रभावी रूप से जारी नहीं किया जा सकता है, जिससे अंततः तापमान नियंत्रण में कमी आती है और संभावित रूप से आग या विस्फोट हो सकता है।

बैटरी थर्मल रनवे की प्रक्रिया आमतौर पर इस प्रकार होती है: एकल सेल यांत्रिक या विद्युत दुरुपयोग के कारण अत्यधिक स्व-हीटिंग उत्पन्न करता है। यह ओवरहीटिंग घटना बैटरी के तापमान को बढ़ाती है और थर्मल दुरुपयोग चरण में प्रवेश करती है, जो थर्मल रनवे को ट्रिगर करती है। थर्मल रनवे प्रक्रिया ज्वलनशील गैसों और धुएं को छोड़ती है, बैटरी जलने लगती है, और एक श्रृंखला प्रतिक्रिया को ट्रिगर करती है, जो अंततः ऊर्जा भंडारण पावर स्टेशन में आग या यहां तक ​​कि विस्फोट का कारण बन सकती है।

बैटरी की उम्र बढ़ने और आंतरिक दोषों के अलावा, निम्नलिखित कारक भी थर्मल रनवे में योगदान कर सकते हैं:

• ओवरचार्जिंग या ओवर-डिस्चार्जिंग: बैटरी को उसकी निर्धारित परिचालन सीमा से अधिक चार्ज या डिस्चार्ज करना।
• गंभीर कनेक्शन विफलता: विद्युत कनेक्शन बिंदुओं की विफलता, जिसके कारण संभावित सुरक्षा जोखिम उत्पन्न हो सकता है।
• प्रबंधन प्रणाली विफलता: बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस) बैटरी की स्थिति की प्रभावी निगरानी और नियंत्रण करने में विफल हो रही है।
• विनिर्माण दोष: विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान आंतरिक शॉर्ट सर्किट या अन्य दोष जैसी समस्याएं।
• बैटरी की उम्र बढ़ना: समय के साथ, बैटरी का प्रदर्शन ख़राब हो जाता है, जिसके कारण आंतरिक शॉर्ट सर्किट या अन्य विफलताएं हो सकती हैं।
• सेल सुरक्षा उपकरणों की विफलता: सुरक्षा उपकरण ख़राब हो सकते हैं या विफल हो सकते हैं, जिससे बैटरी की सुरक्षा ख़तरे में पड़ सकती है।
• उच्च या निम्न तापमान पर परिचालन: अत्यधिक तापमान की स्थिति बैटरी की सुरक्षा और प्रदर्शन को नकारात्मक रूप से प्रभावित करती है।
• बैटरी विरूपण और रिसाव: बैटरी आवरण का विरूपण या आंतरिक तरल पदार्थ का रिसाव।
• गैस रिसाव या दहनशील गैसों का उत्सर्जन: दहन के दौरान, बैटरियां ज्वलनशील गैसों का उत्सर्जन कर सकती हैं, जिससे अतिरिक्त जोखिम उत्पन्न हो सकता है।

विद्युतीय खतरा

ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में विद्युत खतरे सबसे गंभीर सुरक्षा जोखिमों में से एक हैं। जैसे-जैसे ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की क्षमता और वोल्टेज में वृद्धि जारी है, सिस्टम वोल्टेज धीरे-धीरे निचले स्तरों से बढ़कर 1500V DC तक पहुंच गया है। विद्युत सुरक्षा में, 60V DC से अधिक का कोई भी वोल्टेज खतरनाक माना जाता है, और जीवित भागों के साथ आकस्मिक संपर्क से बिजली के झटके का जोखिम हो सकता है।

इसलिए, ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में संचालन के दौरान विद्युत घटकों के साथ प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष संपर्क को रोकने के लिए प्रभावी विद्युत अलगाव उपाय होने चाहिए। उदाहरण के लिए, इन्सुलेशन प्रतिरोध में कमी से बिजली के झटके का जोखिम। इन्सुलेशन प्रतिरोध इन्सुलेशन सामग्री की अखंडता को इंगित करता है; जब केबल या कनेक्शन इन्सुलेशन परत के नुकसान, उम्र बढ़ने या गिरावट से ग्रस्त होते हैं, तो इन्सुलेशन प्रतिरोध कम हो सकता है। ऐसे मामलों में, इन्सुलेशन परत को नुकसान केबल के अंदर कंडक्टरों को उजागर कर सकता है, जिससे रिसाव धाराएं हो सकती हैं। यह रिसाव रखरखाव कर्मियों के लिए बिजली के झटके का जोखिम बढ़ाता है।

इसके अतिरिक्त, ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में आमतौर पर बड़ी संख्या में सहायक विद्युत उपकरण होते हैं, और स्थापना वातावरण अक्सर जटिल होता है। अप्रत्याशित घटनाएँ, जैसे उच्च वोल्टेज, बड़ी धाराएँ (जैसे, बिजली या उछाल), या उपकरणों और केबलों की उम्र बढ़ने से सुरक्षा तत्वों की विफलता हो सकती है, जिसके परिणामस्वरूप सुरक्षा कार्य खराब हो सकते हैं या असामान्य इन्सुलेशन हो सकता है, जिससे बिजली का झटका और अन्य सुरक्षा घटनाएँ हो सकती हैं।

कार्यात्मक सुरक्षा खतरे: नियंत्रित उपकरणों और उससे संबंधित प्रणालियों की विफलता या खराबी के कारण होने वाले जोखिमों के कारण कार्यात्मक सुरक्षा ऊर्जा भंडारण प्रणाली सुरक्षा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है।

अनुपयुक्त कार्य वातावरण:

ऊर्जा भंडारण प्रणालियों का जोखिम मूल्यांकन

ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की सुरक्षा एक व्यापक और जटिल मुद्दा है जो विद्युत रासायनिक ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के संपूर्ण जीवन चक्र पर लागू होता है, अर्थात ऊर्जा भंडारण प्रणाली के वैचारिक डिजाइन और विकास चरण से लेकर, प्रणाली निर्माण चरण, उत्पाद संचालन और उपयोग चरण, सेवा और रखरखाव चरण से लेकर अंतिम डीकमीशनिंग चरण तक।

ऊर्जा भंडारण प्रणाली सुरक्षा जोखिम कई कारकों पर निर्भर हो सकते हैं, जिसमें स्थापना स्थान, रसायन विज्ञान और आकार/पैमाना (जैसे बिजली) शामिल हैं, और तदनुसार उनका मूल्यांकन किया जाना चाहिए।सौर ऊर्जा बैटरी भंडारण प्रणाली घरेलू उपयोग के लिए हो सकती है, ग्रिड के लिए बड़े पैमाने की प्रणालियों के लिए औद्योगिक और वाणिज्यिक अनुप्रयोगइन जोखिमों का तदनुसार मूल्यांकन किया जाना आवश्यक है।

सिस्टम जोखिम विश्लेषण करते समय, IEC 62933-5-1 मानक कई विधियाँ प्रदान करता है: टॉप-डाउन विश्लेषण विधियाँ और बॉटम-अप विश्लेषण विधियाँ, जैसे कि सामान्य FMEA विश्लेषण, फॉल्ट ट्री विश्लेषण, HAZOP विश्लेषण और STAMP। संभावित जोखिमों की पहचान करने के लिए विश्लेषण विधियों की एक श्रृंखला के माध्यम से, और फिर सुरक्षा सुरक्षा तंत्र के सुरक्षा प्रणाली डिजाइन और इलेक्ट्रॉनिक सर्किट विकास के माध्यम से, इसे हमारे स्वीकार्य स्तर तक पहुँचने के लिए उपायों को कम करें।

ऊर्जा भंडारण प्रणालियों (ESS) के लिए जोखिम शमन उपाय

सुरक्षा मुद्दे उत्पाद की गुणवत्ता की लाल रेखा हैं, और ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की सुरक्षा सुनिश्चित करना ऊर्जा भंडारण उद्योग के सतत विकास के लिए एक बड़ी चुनौती बन गया है। ऊर्जा भंडारण उत्पादों की विशिष्टता के कारण, उनकी सुरक्षा को कई सुरक्षा कार्यों को मिलाकर हासिल किया जाना चाहिए। जैसा कि ISO/EC गाइड 51 में वर्णित है, ऊर्जा भंडारण डिजाइन प्रक्रिया में उठाए गए जोखिम में कमी के उपाय "अंतर्निहित", "सुरक्षा डिजाइन", "सुरक्षात्मक उपकरण" और "अंतिम उपयोगकर्ता जानकारी" हैं। उपयोग चरण (जीवनचक्र सुरक्षा प्रबंधन) के लिए अतिरिक्त उपायों का वर्णन ISO/IEC 51 गाइड में भी किया गया है।

ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के डिजाइन को न केवल सिस्टम और घटकों के तकनीकी स्तर से शुरू करने की आवश्यकता है, बल्कि यह भी विचार करना चाहिए कि संभावित जोखिमों की भविष्यवाणी कैसे करें और उन्हें पहले से पहचानें, सक्रिय सुरक्षा प्रदान करें और विफलताओं के होने पर सामने के छोर पर समस्याओं को हल करें। दुर्घटनाओं के चरम मामलों में भी, यह कर्मियों और संपत्ति की सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए नीचे से ऊपर की क्षमता प्रदान कर सकता है।

ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के लिए आंतरिक सुरक्षा डिजाइन (ESS)

• उपप्रणालियों का उचित चयन
• संरक्षण कार्य डिजाइन
• सिस्टम फ़ंक्शन सुरक्षा डिज़ाइन
• संरचनात्मक डिजाइन
• विद्युत डिजाइन
• अग्नि सुरक्षा डिजाइन
• वेंटिलेशन और विस्फोट राहत डिजाइन, आदि।

गारंटी और सुरक्षा उपाय

• उपप्रणालियों के आंतरिक दोष उपप्रणाली के बाहर तक नहीं फैल सकते;
• उच्च वोल्टेज प्रणाली, दूरस्थ खतरनाक संचालन को रोकती है;
• एकल इन्सुलेशन दोषों के कारण खतरनाक वोल्टेज वाले सभी घटकों को प्रासंगिक मानकों के अनुसार ग्राउंडेड और बिजली से संरक्षित किया जाना चाहिए;
• बैटरी सबसिस्टम के बाहरी कनेक्शन पर ओवरकरंट सुरक्षा प्रदान की जानी चाहिए;
• ऊर्जा भंडारण प्रणाली के उप-प्रणालियों के कनेक्शन दोषों से खतरनाक स्थिति उत्पन्न नहीं होनी चाहिए, और बैटरियों की लोडिंग और अनलोडिंग उपयुक्त उठाने वाले उपकरणों का उपयोग करके की जानी चाहिए;
• सिस्टम आवरण या ब्रैकेट गैर-दहनशील सामग्रियों से बना होना चाहिए; बैटरी क्षेत्र, चार्जिंग उपकरण क्षेत्र, और डिस्कनेक्शन और डिस्चार्ज सर्किट क्षेत्र को सिस्टम के अंदर अग्निरोधी क्षेत्रों में विभाजित किया जाना चाहिए;
• सहायक, नियंत्रण और संचार प्रणाली दोष संरक्षण: एकल दोष सुरक्षा को पूरा करना होगा, बिजली की आपूर्ति बाधित या उतार-चढ़ाव होने पर भी कोई खतरा नहीं होगा;
• पर्यावरणीय खतरे से सुरक्षा: बाहरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियों को कम से कम IPX4 को पूरा करना होगा, और समुद्र के पास स्थापना के लिए नमक स्प्रे से सुरक्षा आवश्यक है;
• डीसी और एसी दोनों पक्षों में ग्राउंड फॉल्ट सुरक्षा और अलार्म फ़ंक्शन होना चाहिए;
• बैटरी के ओवरचार्ज होने पर एक श्रव्य और दृश्य अलार्म होना चाहिए: बैटरी सबसिस्टम के अंदर ओवरकरंट स्थिति की रिपोर्ट की जानी चाहिए;
• सिस्टम को दहनशील गैस पहचान प्रणाली से सुसज्जित होना चाहिए और श्रव्य और दृश्य अलार्म प्रदान करना चाहिए;
• सिस्टम को वेंटिलेशन सिस्टम से सुसज्जित किया जाना चाहिए और निम्नलिखित आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए: वेंटिलेशन सिस्टम को कैबिनेट के अंदर उपयुक्त तापमान सुनिश्चित करना चाहिए: प्राकृतिक वेंटिलेशन अपर्याप्त होने पर मजबूत निकास प्रदान किया जाना चाहिए; वेंट आग के प्रसार और पानी के प्रवाह को रोकने में सक्षम होना चाहिए;

संचालन और रखरखाव, कर्मचारी प्रशिक्षण, अंतिम उपयोगकर्ताओं को प्रदान की गई जानकारी

• उपयोगकर्ताओं को प्रदान की गई सुरक्षा जानकारी: चेतावनी संकेत और सिग्नल, साइट पर खतरनाक भागों को इंगित करने वाले लेबल, ध्वनि और प्रकाश अलार्म डिवाइस, सुरक्षा डिजाइन प्रक्रिया प्रवाह चार्ट;
• साइट पर काम करने वाले कर्मचारियों की सुरक्षा के लिए साइट पर संचालन को दूरस्थ संचालन पर प्राथमिकता दी जानी चाहिए: एक सुरक्षा आपातकालीन योजना तैयार की जानी चाहिए; बैटरी सबसिस्टम के बाहरी कनेक्शन पर ओवरकरंट सुरक्षा प्रदान की जानी चाहिए;
• मालिक को संचालन और रखरखाव मैनुअल प्रदान किया जाना चाहिए, और निर्माता या सिस्टम इंटीग्रेटर को एक नियमित रखरखाव योजना विकसित करनी चाहिए;
• निर्माता को उपकरण या सुरक्षा प्रणालियों को संचालित करने वाले कर्मियों की क्षमताओं और प्राधिकरण आवश्यकताओं पर मार्गदर्शन प्रदान करना होगा;