Безбедносни изазови и анализа ризика система за складиштење енергије у кући

8. мaj 2025. године

Проблеми безбедности енергетског система

Са развојем обновљивих извора енергије, системи за складиштење енергије се све више користе у електроенергетским системима. Међутим, безбедносна питања система за складиштење енергије су такође постала истакнута.

Постоји много врста батерија за складиштење енергије, укључујући оловно-киселинске батерије, литијум-јонске батерије, натријум-јонске батерије, проточне батерије и натријум-сумпорне батерије, свака са својим карактеристикама и погодна за различите сценарије. Међу њима, литијумске батерије су постале главни технички пут у области складиштења енергије због своје високе густине енергије, дугог века трајања, високе ефикасности и брзог одзива. Литијум-јонске батерије од 48V, 60V и 72V се широко користе у електричним возилима., потрошачка електроника и велики енергетски системи, промовишући развој сродних технологија и апликација.

Међутим, литијум-јонске батерије такође имају неке значајне изазове, посебно у погледу термичке стабилности. Литијум-јонске батерије могу доживети термички бег у екстремним условима као што су висока температура, прекомерно пуњење или кратак спој, што може изазвати пожар или експлозија литијумске батеријеОве безбедносне опасности доводе литијум-јонске батерије у висок ризик од експлозије у системима за складиштење енергије, што постаје један од главних узрока безбедносних незгода.

Према непотпуним статистикама, у протеклих пет година (2019. до 20241. године) догодиле су се десетине пожара или експлозија у електранама за складиштење енергије широм света. Међу њима, несреће изазване литијум-јонским батеријама чиниле су чак 80%. Ове несреће нису само проузроковале материјалну штету, већ могу угрозити и личну безбедност, што је изазвало широку пажњу и истраживање безбедности литијум-јонских батерија. Да би се суочила са овим изазовом, индустрија активно истражује техничка решења за побољшање термичке стабилности литијум-јонских батерија и развија нове технологије батерија за складиштење енергије како би се постигла већа безбедност и поузданост.

Извештај о анализи незгоде пројекта интегрисане фотонапонске електране за складиштење и пуњење једносмерном електричном енергијом Пекиншки Џимеј Дахонгмен од 25 MWh, компаније EPRI.

Према извештају Кинеског института за истраживање електроенергетике о несрећама изазваним пожаром и експлозијом у електрани за складиштење енергије у Пекингу, електрана Ђимеј Дахонгмен у Пекингу је имала несрећу 16. априла. У извештају је наведено осам разлога за несрећу:

Безбедносни квалитет батерија за складиштење енергије
Електрична топологија система за складиштење енергије
Систем управљања батеријом (БМС)
Распоред каблова и ожичења на лицу места
Пројектовање противпожарне заштите електране
Системи за праћење, рано упозоравање и гашење пожара електране
Метеоролошки и фактори животне средине
Систем рада и управљања особљем на лицу места

На основу пријављених инцидената, узроци безбедносних незгода у системима за складиштење енергије могу се генерално поделити у четири главна типа: инхерентни ризици батерије, спољашњи безбедносни ризици, недовољан безбедносни дизајн и заштита и фактори оперативног управљања.

1. Инхерентни безбедносни ризици батерије:

Производни дефекти: Унутрашњи кратки спојеви могу бити узроковани проблемима као што су метални неравнини или лош премаз електрода током производње.
Литијумски дендрити: Формирање литијумских дендрита унутар ћелије може пробити сепаратор, што доводи до унутрашњих кратких спојева.
Старење батерије: Природно старење батерија може угрозити укупну безбедност система за складиштење енергије.

2. Спољни безбедносни ризици:

Електричне опасности: Оне укључују прекомерно пуњење, прекомерно пражњење и спољашње кратке спојеве.
Механичке опасности: Оштећења настала услед гњечења или продирања (нпр. од оштрих предмета).
Електромагнетне опасности: Електромагнетне сметње могу пореметити нормалан рад система.
Термичке опасности: Превише високе или ниске температуре могу негативно утицати на перформансе и безбедност батерије.
Опасност од експлозије: Под одређеним условима, батерије могу експлодирати.
Непогодни услови околине: Неповољни услови околине могу представљати озбиљне безбедносне ризике за систем за складиштење енергије.

3. Недовољан безбедносни дизајн и заштита:

Неадекватно праћење изолације: Недовољна заштита изолације — као што су кварови контактора једносмерне струје, кварови изолације сабирница или изгореле наизменичне улазне жице — може погоршати перформансе изолације и довести до лучних кварова и пожара.
Лоша координација заштите система: Неефикасна координација међу заштитним системима може угрозити укупну безбедност.
Кварови у контроли система: Кварови у термалном управљању или другим системима контроле могу довести до прегревања или пожара батерије.
Кварови помоћне опреме: Кварови помоћних уређаја такође могу утицати на укупну безбедност система за складиштење.

4. Фактори оперативног и управљачког система:

Недостатак координације између система: Недовољна комуникација и координација између система за управљање батеријама (BMS), система за управљање напајањем (PMS) и система за управљање енергијом (EMS), или некоординисан рад између система за контролу процеса (PCS) и система за заштиту батерија, може изазвати сукобе на нивоу система. На пример, поновно покретање PCS-а без провере статуса батерије након квара може довести до проблема са AC/DC интерфејсом.
Кварови система управљања: То укључује мањкаве оквире управљања, лошу контролу животне средине (нпр. прекомерну влажност или прашину) и неадекватно пријављивање кварова, што може одложити одржавање и повећати безбедносне ризике.
Неадекватно управљање и одржавање станица за складиштење енергије: Лоше управљање и одржавање након распоређивања могу довести до нерешених оперативних проблема, што потенцијално може ескалирати у озбиљне безбедносне ризике.

Идентификација ризика у системима за складиштење енергије

Опасност од термалног одбијања

Термално прегревање се односи на стање у којем брзина унутрашњег стварања топлоте батерије значајно премашује брзину њеног одвођења топлоте. То резултира брзим акумулирањем топлоте унутар система, која се не може ефикасно ослободити, што на крају доводи до губитка контроле температуре и потенцијалног изазивања пожара или експлозија.

Процес термичког прегревања батерије је обично следећи: појединачна ћелија генерише прекомерно самозагревање услед механичког или електричног оштећења. Овај феномен прегревања доводи до пораста температуре батерије и уласка у фазу термичког прегревања, што покреће термално прегревање. Процес термичког прегревања ослобађа запаљиве гасове и дим, батерија почиње да гори и покреће ланчану реакцију, што на крају може довести до пожара или чак експлозије у електрани за складиштење енергије.

Поред старења батерије и унутрашњих оштећења, следећи фактори такође могу допринети термалном прегревању:

Прекомерно пуњење или прекомерно пражњење: Пуњење или пражњење батерије изван њених предвиђених радних граница.
Критични квар везе: Квар електричних прикључних тачака, што доводи до потенцијалних безбедносних опасности.
Квар система за управљање: Систем за управљање батеријом (BMS) не успева ефикасно да прати и контролише стање батерије.
Производни дефекти: Проблеми као што су унутрашњи кратки спојеви или други дефекти током процеса производње.
Старење батерије: Временом се перформансе батерије погоршавају, што може довести до унутрашњих кратких спојева или других кварова.
Квар уређаја за заштиту ћелија: Заштитни уређаји могу се деформисати или отказати, што угрожава безбедност батерије.
Рад на високим или ниским температурама: Екстремни температурни услови негативно утичу на безбедност и перформансе батерије.
Деформација и цурење батерије: Деформација кућишта батерије или цурење унутрашњих течности.
Цурење гаса или ослобађање запаљивих гасова: Током сагоревања, батерије могу ослобађати запаљиве гасове, што представља додатни ризик.

Електричне опасности

Електричне опасности су један од најозбиљнијих безбедносних ризика у системима за складиштење енергије. Како се капацитет и напон система за складиштење енергије настављају повећавати, напон система је постепено порастао са нижих нивоа на 1500 V једносмерне струје. У електричној безбедности, сваки напон који прелази 60 V једносмерне струје сматра се опасним, а случајни контакт са деловима под напоном може довести до ризика од струјног удара.

Стога, системи за складиштење енергије морају имати ефикасне мере електричне изолације како би се спречио директан или индиректан контакт са електричним компонентама током рада. На пример, ризик од струјног удара који представља смањење отпора изолације. Отпор изолације указује на интегритет изолационих материјала; када каблови или спојеви претрпе оштећења, старење или деградацију изолационог слоја, отпор изолације може се смањити. У таквим случајевима, оштећење изолационог слоја може откриће проводника унутар каблова, што доводи до струја цурења. Ово цурење повећава ризик од струјног удара за особље за одржавање.

Поред тога, системи за складиштење енергије обично садрже велики број помоћних електричних уређаја, а окружење за инсталацију је често сложено. Неочекивани догађаји, као што су висок напон, велике струје (нпр. удар грома или пренапони), или старење опреме и каблова који доводе до квара заштитних елемената, могу довести до неисправног рада заштитних функција или абнормалне изолације, што може довести до струјног удара и других безбедносних инцидената.

Опасности по функционалну безбедност: Функционална безбедност је важан део безбедности система за складиштење енергије, због ризика изазваних кваром или кваром контролисане опреме и њених повезаних система.

Неприкладно радно окружење:

Процена ризика система за складиштење енергије

Безбедност система за складиштење енергије је свеобухватно и комплексно питање које се примењује на цео животни циклус електрохемијских система за складиштење енергије, тј. од фазе концептуалног пројектовања и развоја система за складиштење енергије, фазе производње система, фазе рада и коришћења производа, фазе сервисирања и одржавања до коначне фазе декомисије.

Безбедносни ризици система за складиштење енергије могу зависити од многих фактора, укључујући локацију инсталације, хемијски састав и величину/размер (као што је електрична енергија), и потребно их је сходно томе проценити. Безбедна локација система за складиштење енергијеСистеми за складиштење енергије у батеријама могу бити за кућну употребу, индустријских и комерцијалних примена до великих система за мрежу; ове ризике је потребно сходно томе проценити.

Приликом анализе системског ризика, стандард IEC 62933-5-1 пружа многе методе: методе анализе „одозго надоле“ и методе анализе „одоздо нагоре“, као што су уобичајена FMEA анализа, анализа стабла грешака, HAZOP анализа и STAMP. Кроз низ метода анализе за идентификацију потенцијалних ризика, а затим кроз дизајн безбедносног система и развој електронских кола механизма безбедносне заштите, смањите мере како бисте га довели до прихватљивог нивоа.

Мере за смањење ризика за системе за складиштење енергије (ESS)

Безбедносна питања су црвена линија квалитета производа, а обезбеђивање безбедности система за складиштење енергије постало је главни изазов за одрживи развој индустрије складиштења енергије. Због посебности производа за складиштење енергије, њихова безбедност мора се постићи комбиновањем више безбедносних функција. Као што је описано у ISO/EC водичу 51, мере за смањење ризика које се предузимају у процесу пројектовања складишта енергије су „инхерентне“, „безбедносни пројектовање“, „заштитни уређаји“ и „информације за крајњег корисника“. Додатне мере за фазу употребе (управљање безбедношћу током животног циклуса) такође су описане у ISO/IEC 51 водичу.

Пројектовање система за складиштење енергије не само да треба да почне од техничког нивоа система и компоненти, већ треба да узме у обзир и како да се унапред предвиде и идентификују потенцијални ризици, обезбеде активна заштита и реше проблеми на почетку када дође до кварова. Чак и у екстремним случајевима несрећа, може да обезбеди приступ „одоздо нагоре“ како би се осигурала безбедност особља и имовине.

Дизајн интринзичне безбедности за системе за складиштење енергије (ESS)

Разуман избор подсистема
Дизајн заштитне функције
Дизајн безбедности системских функција
Структурни дизајн
Електрични дизајн
Пројектовање противпожарне заштите
Пројектовање вентилације и отклањања експлозија, итд.

Гаранције и мере заштите

Унутрашњи кварови подсистема не могу се ширити споља из подсистема;
Систем високог напона, спречава опасан рад на даљину;
Све компоненте са опасним напоном услед појединачних кварова изолације морају бити уземљене и заштићене од удара грома у складу са релевантним стандардима;
На спољном прикључку подсистема батерије мора бити обезбеђена заштита од прекомерне струје;
Кварови у повезивању подсистема система за складиштење енергије не смеју изазвати опасне ситуације, а утовар и истовар батерија мора се вршити коришћењем одговарајуће опреме за дизање;
Кућиште или носач система морају бити направљени од незапаљивих материјала; простор за батерију, простор за опрему за пуњење и простор за искључивање и пражњење морају бити подељени у ватроотпорне зоне унутар система;
Заштита од квара помоћних, контролних и комуникационих система: мора да задовољи безбедност од појединачног квара, неће доћи до опасности чак и ако је напајање прекинуто или варира;
Заштита од опасности по животну средину: системи за складиштење енергије на отвореном морају испуњавати најмање IPX4 стандард, а за инсталацију у близини мора потребна је заштита од прскања соли;
И једносмерна и наизменична страна морају имати заштиту од уземљења и функције аларма;
Мора постојати звучни и визуелни аларм када је батерија прекомерно напуњена: ситуација прекомерне струје унутар подсистема батерије мора бити пријављена;
Систем мора бити опремљен системом за детекцију запаљивих гасова и обезбедити звучне и визуелне аларме;
Систем треба да буде опремљен вентилационим системом и да испуњава следеће захтеве: Вентилациони систем мора да обезбеди одговарајућу температуру унутар ормара: мора се обезбедити јака вентилација када природна вентилација није довољна; отвори за вентилацију морају бити у стању да спрече ширење ватре и проток воде;

Рад и одржавање, обука запослених, информације достављене крајњим корисницима

Безбедносне информације које се пружају корисницима: знакови и сигнали упозорења, ознаке које означавају опасне делове на локацији, звучни и светлосни алармни уређаји, дијаграм тока процеса безбедносног пројектовања;
Рад на лицу места мора имати предност над даљинским радом како би се заштитила безбедност радника на лицу места: треба припремити план за ванредне ситуације; мора се обезбедити заштита од прекомерне струје на спољном прикључку батеријског подсистема;
Власнику треба доставити упутства за употребу и одржавање, а произвођач или систем интегратор мора да развије план редовног одржавања;
Произвођач мора дати смернице о могућностима и захтевима за овлашћење особља које рукује опремом или безбедносним системима;