Tantangan Keamanan dan Analisis Risiko Sistem Penyimpanan Energi Rumah

8 Mei 2025

Masalah Keselamatan Sistem Energi

Seiring dengan berkembangnya energi terbarukan, sistem penyimpanan energi semakin banyak digunakan dalam sistem tenaga listrik. Akan tetapi, masalah keamanan sistem penyimpanan energi juga menjadi hal yang menonjol.

Ada banyak jenis baterai penyimpanan energi, termasuk baterai timbal-asam, baterai lithium-ion, baterai natrium-ion, baterai aliran dan baterai natrium-sulfur, masing-masing dengan karakteristiknya sendiri dan cocok untuk skenario yang berbeda. Di antara mereka, baterai lithium telah menjadi jalur teknis utama di bidang penyimpanan energi dengan kepadatan energinya yang tinggi, masa pakai yang lama, efisiensi tinggi, dan respons yang cepat. Baterai lithium-ion 48V 60V 72V banyak digunakan pada kendaraan listrik, elektronik konsumen, dan sistem energi berskala besar, yang mempromosikan pengembangan teknologi dan aplikasi terkait.

Namun, baterai lithium-ion juga memiliki beberapa tantangan yang signifikan, terutama dalam hal stabilitas termal. Baterai lithium-ion dapat mengalami thermal runaway dalam kondisi ekstrem seperti suhu tinggi, pengisian berlebih, atau korsleting, yang dapat menyebabkan kebakaran atau ledakan baterai lithiumBahaya keselamatan ini membuat baterai lithium-ion menghadapi risiko tinggi meledak dalam sistem penyimpanan energi, menjadi salah satu penyebab utama kecelakaan keselamatan.

Menurut statistik yang tidak lengkap, dalam lima tahun terakhir (2019 hingga 20241), puluhan kebakaran atau ledakan terjadi di pembangkit listrik penyimpanan energi di seluruh dunia. Di antara semua itu, kecelakaan yang disebabkan oleh baterai lithium-ion mencapai 80%. Kecelakaan ini tidak hanya menyebabkan kerugian properti, tetapi juga dapat membahayakan keselamatan pribadi, memicu perhatian dan penelitian yang luas tentang keamanan baterai lithium-ion. Untuk memenuhi tantangan ini, industri ini secara aktif mengeksplorasi solusi teknis untuk meningkatkan stabilitas termal baterai lithium-ion dan mengembangkan teknologi baterai penyimpanan energi baru untuk mencapai keamanan dan keandalan yang lebih tinggi.

Laporan Analisis Kecelakaan Proyek Pembangkit Listrik Terpadu Penyimpanan dan Pengisian Fotovoltaik DC Jimei Dahongmen 25MWh Beijing dari EPRI

Menurut Laporan Survei Kebakaran dan Ledakan Pembangkit Listrik Tenaga Penyimpanan Energi Distrik Fengtai Beijing dari Institut Penelitian Tenaga Listrik China, Pembangkit Listrik Jimei Dahongmen Beijing mengalami kecelakaan pada tanggal 16 April. Laporan tersebut mencantumkan delapan alasan terjadinya kecelakaan:

Kualitas keamanan baterai penyimpanan energi
Topologi listrik sistem penyimpanan energi
Sistem manajemen baterai (BMS)
Tata letak kabel dan rangkaian kabel di tempat
Perancangan pencegahan kebakaran pada pembangkit listrik
Sistem pemantauan, peringatan dini dan pemadaman kebakaran di pembangkit listrik
Faktor meteorologi dan lingkungan
Sistem operasi dan manajemen personel di tempat

Berdasarkan insiden yang dilaporkan, penyebab kecelakaan keselamatan dalam sistem penyimpanan energi secara umum dapat dikategorikan ke dalam empat jenis utama: risiko baterai yang melekat, risiko keselamatan eksternal, desain dan perlindungan keselamatan yang tidak memadai, dan faktor manajemen operasional.

1. Risiko Keselamatan Baterai yang Inheren:

Cacat Produksi: Hubungan arus pendek internal dapat disebabkan oleh masalah seperti duri logam atau lapisan elektroda yang buruk selama produksi.
Dendrit Litium: Pembentukan dendrit litium di dalam sel dapat menembus pemisah, yang menyebabkan hubungan arus pendek internal.
Penuaan Baterai: Penuaan alami baterai dapat membahayakan keamanan keseluruhan sistem penyimpanan energi.

2. Risiko Keamanan Eksternal:

Bahaya Kelistrikan: Termasuk di dalamnya pengisian daya berlebih, pengosongan daya berlebih, dan hubungan arus pendek eksternal.
Bahaya Mekanik: Kerusakan yang disebabkan oleh penghancuran atau penetrasi (misalnya dari benda tajam).
Bahaya Elektromagnetik: Gangguan elektromagnetik dapat mengganggu operasi normal sistem.
Bahaya Termal: Suhu yang terlalu tinggi atau rendah dapat berdampak buruk pada kinerja dan keamanan baterai.
Bahaya Ledakan: Dalam kondisi tertentu, baterai dapat meledak.
Kondisi Lingkungan yang Tidak Sesuai: Kondisi lingkungan yang buruk dapat menimbulkan risiko keselamatan yang serius pada sistem penyimpanan energi.

3. Desain Keamanan dan Perlindungan yang Tidak Memadai:

Pemantauan Isolasi yang Tidak Memadai: Perlindungan isolasi yang tidak memadai—seperti kerusakan kontaktor DC, kegagalan isolasi busbar, atau kabel input AC yang terbakar—dapat menurunkan kinerja isolasi dan menyebabkan gangguan busur listrik dan kebakaran.
Koordinasi Perlindungan Sistem yang Buruk: Koordinasi yang tidak efektif antara sistem perlindungan dapat membahayakan keselamatan secara keseluruhan.
Kegagalan Kontrol Sistem: Kegagalan dalam manajemen termal atau sistem kontrol lainnya dapat mengakibatkan panas berlebih atau kebakaran baterai.
Kerusakan Peralatan Tambahan: Kegagalan pada perangkat tambahan juga dapat memengaruhi keamanan sistem penyimpanan secara keseluruhan.

4. Faktor Sistem Operasional dan Manajemen:

Kurangnya Koordinasi Antar Sistem: Komunikasi dan koordinasi yang tidak memadai antara Sistem Manajemen Baterai (BMS), Sistem Manajemen Daya (PMS), dan Sistem Manajemen Energi (EMS), atau operasi yang tidak terkoordinasi antara Sistem Kontrol Proses (PCS) dan sistem perlindungan baterai, dapat menyebabkan konflik di tingkat sistem. Misalnya, menyalakan ulang PCS tanpa memeriksa status baterai setelah terjadi kesalahan dapat menyebabkan masalah antarmuka AC/DC.
Kegagalan Sistem Manajemen: Ini termasuk kerangka kerja manajemen yang cacat, kontrol lingkungan yang buruk (misalnya, kelembaban atau debu yang berlebihan), dan pelaporan kesalahan yang tidak memadai, yang dapat menunda pemeliharaan dan meningkatkan risiko keselamatan.
Pengoperasian dan Pemeliharaan Stasiun Penyimpanan Energi yang Tidak Memadai: Manajemen dan pemeliharaan pasca-penempatan yang buruk dapat mengakibatkan masalah operasional yang belum terselesaikan, yang berpotensi meningkat menjadi bahaya keselamatan yang serius.

Identifikasi Risiko dalam Sistem Penyimpanan Energi

Bahaya Pelarian Termal

Thermal runaway mengacu pada kondisi saat laju pembangkitan panas internal baterai secara signifikan melebihi laju pembuangan panasnya. Hal ini mengakibatkan akumulasi panas yang cepat di dalam sistem, yang tidak dapat dilepaskan secara efektif, yang pada akhirnya menyebabkan hilangnya kontrol suhu dan berpotensi memicu kebakaran atau ledakan.

Proses thermal runaway baterai biasanya terjadi sebagai berikut: sel tunggal menghasilkan pemanasan sendiri yang berlebihan karena penyalahgunaan mekanis atau listrik. Fenomena panas berlebih ini menyebabkan suhu baterai meningkat dan memasuki tahap penyalahgunaan termal, yang memicu thermal runaway. Proses thermal runaway melepaskan gas dan asap yang mudah terbakar, baterai mulai terbakar, dan memicu reaksi berantai, yang pada akhirnya dapat menyebabkan kebakaran atau bahkan ledakan di pembangkit listrik penyimpanan energi.

Selain penuaan baterai dan cacat internal, faktor-faktor berikut juga dapat menyebabkan pelarian termal:

Pengisian daya berlebih atau pengosongan daya berlebih: Pengisian daya atau pengosongan daya baterai melampaui batas operasional yang dirancang.
Kegagalan Koneksi Kritis: Kegagalan titik koneksi listrik, yang menimbulkan potensi bahaya keselamatan.
Kegagalan Sistem Manajemen: Sistem Manajemen Baterai (BMS) gagal memantau dan mengendalikan kondisi baterai secara efektif.
Cacat Produksi: Masalah seperti korsleting internal atau cacat lain selama proses produksi.
Penuaan Baterai: Seiring berjalannya waktu, kinerja baterai menurun, yang dapat mengakibatkan korsleting internal atau kegagalan lainnya.
Kegagalan Perangkat Perlindungan Sel: Perangkat perlindungan dapat berubah bentuk atau gagal, sehingga membahayakan keamanan baterai.
Operasi Suhu Tinggi atau Rendah: Kondisi suhu ekstrem berdampak negatif pada keamanan dan kinerja baterai.
Deformasi dan Kebocoran Baterai: Deformasi casing baterai atau kebocoran cairan internal.
Kebocoran Gas atau Pelepasan Gas yang Mudah Terbakar: Selama pembakaran, baterai dapat melepaskan gas yang mudah terbakar, sehingga menimbulkan risiko tambahan.

Bahaya Listrik

Bahaya listrik merupakan salah satu risiko keselamatan paling serius dalam sistem penyimpanan energi. Seiring dengan terus meningkatnya kapasitas dan voltase sistem penyimpanan energi, voltase sistem secara bertahap meningkat dari level yang lebih rendah hingga 1500V DC. Dalam keselamatan listrik, voltase apa pun yang melebihi 60V DC dianggap berbahaya, dan kontak yang tidak disengaja dengan bagian yang beraliran listrik dapat menyebabkan risiko sengatan listrik.

Oleh karena itu, sistem penyimpanan energi harus memiliki langkah-langkah isolasi listrik yang efektif untuk mencegah kontak langsung atau tidak langsung dengan komponen listrik selama pengoperasian. Misalnya, risiko sengatan listrik yang disebabkan oleh penurunan resistansi isolasi. Resistansi isolasi menunjukkan integritas bahan isolasi; ketika kabel atau sambungan mengalami kerusakan, penuaan, atau degradasi lapisan isolasi, resistansi isolasi dapat menurun. Dalam kasus seperti itu, kerusakan pada lapisan isolasi dapat mengekspos konduktor di dalam kabel, yang menyebabkan arus bocor. Kebocoran ini meningkatkan risiko sengatan listrik bagi personel pemeliharaan.

Selain itu, sistem penyimpanan energi biasanya berisi sejumlah besar perangkat listrik tambahan, dan lingkungan pemasangannya sering kali rumit. Peristiwa yang tidak terduga, seperti tegangan tinggi, arus besar (misalnya, petir atau lonjakan arus), atau penuaan peralatan dan kabel yang menyebabkan kegagalan elemen proteksi, dapat mengakibatkan fungsi proteksi tidak berfungsi dengan baik atau isolasi yang tidak normal, yang mengakibatkan sengatan listrik dan insiden keselamatan lainnya.

Bahaya keselamatan fungsional: Keselamatan fungsional merupakan bagian penting dari keselamatan sistem penyimpanan energi, karena risiko yang disebabkan oleh kegagalan atau kegagalan peralatan yang dikendalikan dan sistem terkait.

Lingkungan kerja yang tidak sesuai:

Penilaian Risiko Sistem Penyimpanan Energi

Keamanan sistem penyimpanan energi merupakan isu komprehensif dan kompleks yang berlaku pada seluruh siklus hidup sistem penyimpanan energi elektrokimia, yaitu mulai dari tahap desain konseptual dan pengembangan sistem penyimpanan energi, tahap pembuatan sistem, tahap pengoperasian dan penggunaan produk, tahap layanan dan pemeliharaan, hingga tahap penghentian operasional akhir.

Risiko keselamatan sistem penyimpanan energi mungkin bergantung pada banyak faktor, termasuk lokasi pemasangan, kimia, dan ukuran/skala (seperti listrik), dan perlu dievaluasi sesuai dengan itu. Lokasi yang aman dari ssistem penyimpanan baterai energi surya dapat digunakan untuk rumah, aplikasi industri dan komersial untuk sistem skala besar untuk jaringan; risiko-risiko ini perlu dievaluasi sebagaimana mestinya.

Saat melakukan analisis risiko sistem, standar IEC 62933-5-1 menyediakan banyak metode: metode analisis top-down dan metode analisis bottom-up, seperti analisis FMEA umum, analisis pohon kesalahan, analisis HAZOP, dan STAMP. Melalui serangkaian metode analisis untuk mengidentifikasi potensi risiko, dan kemudian melalui desain sistem keselamatan dan pengembangan sirkuit elektronik mekanisme perlindungan keselamatan, mengurangi tindakan untuk membuatnya mencapai tingkat yang dapat diterima.

Langkah-langkah Mitigasi Risiko untuk Sistem Penyimpanan Energi (ESS)

Masalah keselamatan merupakan garis merah kualitas produk, dan memastikan keselamatan sistem penyimpanan energi telah menjadi tantangan utama bagi pengembangan berkelanjutan industri penyimpanan energi. Karena kekhususan produk penyimpanan energi, keselamatannya perlu dicapai dengan menggabungkan beberapa fungsi keselamatan. Seperti yang dijelaskan dalam Panduan ISO/EC 51, langkah-langkah pengurangan risiko yang diambil dalam proses desain penyimpanan energi adalah “inheren”, “desain keselamatan”, “perangkat pelindung”, dan “informasi pengguna akhir”. Langkah-langkah tambahan untuk fase penggunaan (manajemen keselamatan siklus hidup) juga dijelaskan dalam Panduan ISO/IEC 51.

Desain sistem penyimpanan energi tidak hanya perlu dimulai dari tingkat teknis sistem dan komponen, tetapi juga harus mempertimbangkan cara memprediksi dan mengidentifikasi potensi risiko di awal, menyediakan perlindungan aktif, dan memecahkan masalah di awal saat terjadi kegagalan. Bahkan dalam kasus kecelakaan ekstrem, sistem ini dapat menyediakan kemampuan dari bawah ke atas untuk memastikan keselamatan personel dan properti.

Desain Keamanan Intrinsik untuk Sistem Penyimpanan Energi (ESS)

Pemilihan subsistem yang wajar
Desain fungsi perlindungan
Desain keselamatan fungsi sistem
Desain struktural
Desain listrik
Desain proteksi kebakaran
Desain ventilasi dan pelepas ledakan, dll.

Jaminan dan Tindakan Perlindungan

Kesalahan internal subsistem tidak dapat menyebar ke luar subsistem;
Sistem tegangan tinggi, mencegah operasi berbahaya jarak jauh;
Semua komponen dengan tegangan berbahaya karena kesalahan isolasi tunggal harus dibumikan dan dilindungi terhadap petir sesuai dengan standar yang relevan;
Proteksi arus lebih harus disediakan pada sambungan eksternal subsistem baterai;
Kesalahan koneksi subsistem sistem penyimpanan energi tidak boleh menyebabkan situasi berbahaya, dan pemuatan dan pembongkaran baterai harus dilakukan dengan menggunakan peralatan pengangkat yang sesuai;
Casing atau braket sistem harus terbuat dari bahan yang tidak mudah terbakar; Area baterai, area peralatan pengisian daya, dan area sirkuit pemutusan dan pengosongan harus dibagi menjadi zona tahan api di dalam sistem;
Perlindungan kesalahan sistem bantu, kontrol, dan komunikasi: harus memenuhi keselamatan kesalahan tunggal, tidak akan ada bahaya yang terjadi bahkan jika pasokan daya terputus atau berfluktuasi;
Perlindungan bahaya lingkungan: sistem penyimpanan energi luar ruangan harus memenuhi setidaknya IPX4, dan perlindungan semprotan garam diperlukan untuk pemasangan di dekat laut;
Baik sisi DC maupun AC harus memiliki fungsi proteksi gangguan tanah dan alarm;
Harus ada alarm yang dapat didengar dan dilihat ketika baterai terisi daya berlebih: situasi arus berlebih di dalam subsistem baterai harus dilaporkan;
Sistem harus dilengkapi dengan sistem deteksi gas yang mudah terbakar dan menyediakan alarm suara dan visual;
Sistem harus dilengkapi dengan sistem ventilasi dan memenuhi persyaratan berikut: Sistem ventilasi harus memastikan suhu yang sesuai di dalam kabinet: pembuangan yang kuat harus disediakan ketika ventilasi alami tidak mencukupi; ventilasi harus dapat mencegah penyebaran api dan masuknya air;

Operasi dan Pemeliharaan, Pelatihan Karyawan, Informasi yang Disediakan kepada Pengguna Akhir

Informasi keselamatan yang diberikan kepada pengguna: tanda dan sinyal peringatan, label yang menunjukkan bagian berbahaya di lokasi, perangkat alarm suara dan cahaya, diagram alur proses desain keselamatan;
Pengoperasian di tempat harus didahulukan daripada pengoperasian jarak jauh untuk melindungi keselamatan pekerja di tempat: rencana darurat keselamatan harus disiapkan; proteksi arus lebih harus disediakan pada sambungan eksternal subsistem baterai;
Manual pengoperasian dan pemeliharaan harus diberikan kepada pemilik, dan produsen atau integrator sistem harus mengembangkan rencana pemeliharaan rutin;
Pabrikan harus memberikan panduan tentang kemampuan dan persyaratan otorisasi personel yang mengoperasikan peralatan atau sistem keselamatan;