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Mar 20, 2023

バッテリーエネルギー貯蔵システムの消火

Ogni volta che una grande quantità di energia viene costretta in uno spazio piccolo,

大量のエネルギーが狭い空間に押し込まれると、制御不能にエネルギーが流出する危険性があります。 これが起こると、火災が発生するのが一般的であり、爆発の可能性もあります。

記事の投稿元 | Stat-X® 凝縮エアロゾル火災抑制

バッテリーエネルギー貯蔵システム (BESS) は、その名前によって明確に定義されています。 これは、後で使用するためにバッテリーシステムに電気を蓄える手段です。 システムとしての BESS は通常、バッテリー モジュールと負荷管理機器の集合体です。 BESS の設置は、住宅サイズのシステムから、実用グレードの風力発電所やグリッド サービスをサポートする大規模な BESS コンテナまで多岐にわたります。

BESS はさまざまな目的でインストールされます。 一般的な用途の 1 つは、再生可能エネルギー源からの余剰電力生産の貯蔵です。 再生可能エネルギーの生産量が少ない期間には、BESS に蓄えられた電力をオンラインにすることができます。

BESS の一般的な 2 つのタイプは、鉛蓄電池タイプとリチウムイオン電池タイプです。 どちらも本質的には同じ目的を果たします。 ただし、今日の BESS システムの約 90% はリチウムイオン系です。 リチウムイオン電池は、小型軽量のパッケージで高いエネルギー密度を提供し、メンテナンスがほとんど必要ないため、よく採用されています。

リチウムイオン電池には、正極と負極が含まれています。 リチウムイオンは、放電中に負極から正極に移動し、充電時に戻ります。 この機構はイオン伝導性の電解質に浸漬されています。 電解液は低粘度の可燃性液体溶媒です。

ハウジングまたは容器にまとめられたリチウムイオン電池は「セル」と呼ばれます。 BESS には、エネルギーを貯蔵するために数十、数百、さらには数千のセルを含めることができます。 セルは通常、ラックに保持されたモジュールに梱包され、ラックは通常、輸送用コンテナ型の構造に保管されます。 明らかに、住宅モデルははるかに小さく、多くの場合、自宅のガレージや地下室に設置されます。

大量のエネルギーが狭い空間に押し込まれると、制御不能にエネルギーが流出する危険性があります。 これが起こると、火災が発生するのが一般的であり、爆発の可能性もあります。

大規模な BESS 施設で発生した最近のいくつかの事故は、BESS 火災がいかに規模が大きいか、消火がいかに困難か、そして初期対応者にとっていかに危険であるかを示しています。

アリゾナ公共サービスは、アリゾナ州サプライズにある太陽電池アレイ施設で大規模な BESS を運用しています。 リチウムイオンBESS容器から煙が出ているのが観察された。 消防署に通報があり、現場に到着した。

到着から約3時間後、消防隊はまだ煙を出していたコンテナのドアを開けた。 コンテナ内で新鮮な空気が可燃性蒸気と混合すると、爆発が発生した。 消防士4名が負傷した。

テスラの 300 MW の「大型バッテリー」プロジェクトは、4 日間燃え続けた壊滅的な火災に見舞われました。 BESS火災としてはこれまでで世界最大規模と言われており、地元消防は消火に大きな困難を経験した。 最終的には周囲の建物を冷却し、火が燃え尽きるのを許しました。

民間の太陽光発電所に設置されたBESSから出火し、数時間にわたって燃え続けた。 この火災により 140 個のバッテリーが焼失し、工場の構造が損傷し、7 つの発電モジュールが焼失しました。 怪我はなかったが、火災による被害額は30万ドルを超えた。

これらの事故はいずれも直接火災による損失が大きかったが、多くの場合、間接的なコストははるかに高くなる可能性がある。 ダウンタイム、生産性の低下、企業イメージへの悪影響は、損傷した機器の損失をすぐに上回る可能性があります。

BESS の火災の問題を理解するには、BESS がどのように故障するかを把握することが重要です。 それらの故障モードは、複数段階のプロセスの最終結果として火災 (および/または爆発) がどのように起こるかを示しています。 このプロセスを理解すると、災害を回避するために介入を導入できる機会が特定されます。

バッテリーの故障には 4 つの段階または段階があります。

ステージ 1: バッテリーの侵害 バッテリーは、次の 4 つの方法のいずれかで損傷するか、または侵害される可能性があります。

熱 – 内部の過熱、または火や強力な熱源による外部の加熱による熱ストレス。

電気的 – バッテリーが過充電されているか、短絡が発生しています。

機械的 – バッテリーコンテナが何らかの形で損傷しています。

製造上の欠陥 – 製造上の問題は、熱的または電気的な故障イベントにつながります。

ステージ 2: ガス抜き

バッテリーが損傷すると、ガスの蓄積によりバッテリーの内部温度と圧力が上昇します。 バッテリー容器の完全性が失われ、ガスが放出されます。 ガスの大部分は気化した電解質であり、引火性または爆発性があります。 次の段階に進む前に、ガスの発生がわずか 2 分からほぼ 30 分間発生することがあります。

ステージ 3: 煙の生成

バッテリーが故障すると、電圧がゼロに低下し、アノードとカソードが短絡します。 バッテリーに蓄えられたエネルギーがすべて短絡を流れると、バッテリーの温度は急速に上昇し、300°C 以上に達します。 バッテリー内部から発煙が発生します。 煙の発生は熱暴走の最初のステップであり、可燃性になる可能性があります。

熱暴走は次のような連鎖反応です。

ステージ 4: 火災

火災は煙の発生後に急速に発生する可能性があります。 あるいは、熱暴走現象が炎を発生させずに何時間も続くこともあります。 この期間中、可燃性の蒸気とガスが大量に生成され、エンクロージャ内に閉じ込められ、爆発性雰囲気が形成されます。

しかし、多くの場合、BESS エンクロージャ内で発火が発生し、火災が発生します。 バッテリーのコンポーネントが火災によって消費されると、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、未燃の炭化水素などのガスが筐体内に溜まる可能性があります。 これにより、個々のガスの引火点よりもはるかに低い総合引火点を持つ可燃性混合物が生成されます。

エンクロージャ内の火災は熱暴走を引き起こしたり、熱暴走の速度を高めたりして、壊滅的で消火困難な事態につながる可能性があります。

軽減が可能なあらゆる種類のインシデントでは、可能な限り早い段階で介入することが常に最善です。 バッテリー故障の段階で説明したように、悲惨な結果を回避するために早期に措置を講じる機会があります。

BESS は次のシステムによって保護できます。

最も簡単かつ早期の介入は、効果的なバッテリー管理です。 バッテリー管理システム (BMS) の主な役割は、過充電および過放電によるバッテリー セルの損傷を防ぐことです。 BMS は次のことも行います。

バッテリーの残量を計算します

バッテリーの温度を監視します

ショートや接続不良を監視

セル内の充電を最適な性能範囲に維持します。

BMS が異常な状態を検出すると、バッテリーを停止します。 これにより細胞が損傷から保護されます。 携帯電話やラップトップが何の前触れもなく突然壊れるのを、ほとんどの人が目撃したことがあります。 これは、BMS が充電残量が動作しきい値を超えていることを感知し、バッテリーをシャットダウンしたためです。

BMS は、エンド ユーザーに 2 つの重要なサービスを提供します。 まず、バッテリーを最適な動作状態に保つことでバッテリーの寿命が延びます。 そして最も重要なことは、BMS はバッテリーが安全上危険になる点に達する前にバッテリーを停止するように機能できることです。

概して、BMS はその仕事を非常にうまく実行します。 ただし、BMS が損傷したり、製造上の欠陥がある場合、バッテリーが不安定になり、故障し始める可能性があります。

前述したように、バッテリーの不安定な状態が悪化すると、可燃性ガスが蓄積してセル内の温度と圧力が上昇し始めます。 ある時点で、設置されている通気口が開くか、バッテリーのハウジング (通常はパウチまたはシェル型) に欠陥があり、ガスが逃げます。

リチウムイオン電池の研究が実施され、故障するまでテストされました。 オフガスのガスクロマトグラフィーにより、主成分はセル内の電解質であるエチルメチルカーボネートであることが判明した。

エチルメチルカーボネートはクラス II 引火性液体とみなされます。 引火点は約80°Fです。 故障時に発生する発熱反応により気化すると、非常に引火性が高くなります。

ガスの発生は、煙が発生する前に最大 30 分間発生する可能性があります。 ガス検出は、BMS が故障した後に介入する最初の機会を提供します。 ガス検知は、煙、熱、炎検知器よりもはるかに迅速に問題を通知します。 ガス検知により、消火設備による積極的な対応が必要になる前に、問題を軽減する機会となります。

ガス検知器がオフガスの存在を警告すると、いくつかの緩和アクションを起動できます。 おそらく最も重要なのは、影響を受けるセルへの電力を遮断することです。 さらに、ガス検知装置は次のことを行うことができます。

BESS エンクロージャ内の換気システムを作動させ、可燃性ガスと熱を除去します。

ローカルおよびリモートのアラームをアクティブにする

追加の措置を講じるようオペレーターに早期警告を提供します

消火活動は最後の防衛線です。 エージェントの解雇は、他のすべての介入が失敗したことを意味します。 しかし、バッテリーが故障する性質とその設計自体が、完全な消火を困難にしています。

ガス検知の次の火災検知の機会は、煙の検知です。 この場合、煙感知器が警報を発し、その信号によって消火システムが作動します。

しかし、私たちが言及し、アリゾナ公共サービス (APS) の爆発でも強調されたように、煙を発生する熱暴走が発生し、数時間にわたってゆっくりと蓄積する可能性があります。 APS事故では、煙検知システムが設計通りに作動し、クリーン剤消火システムが作動した。

しかし、クリーン剤を吐出した後も熱暴走が続いた。 消防隊がコンテナのドアを開ける（爆発が始まる）までの 3 時間、大量の可燃性煙が発生し続けました。

では、APS事件では何が問題だったのでしょうか? 消火剤の観点から見ると、フルオロケトン剤を使用する選択されたクリーン剤システムは正しく設計されていませんでした。 システムは実際に動作し、10% 濃度の薬剤を排出しました。

バッテリーテストの国際的リーダーである DNV GL (現在は DNV として知られている) が作成した調査報告書によると、「{フルオロケトン} 洗浄剤は、複数のバッテリー セルまたはモジュールの連鎖的な熱暴走を停止または防止するには不十分かつ不適切でした。」

報告書はさらに、固定型エネルギー貯蔵システム®の設置に関するNFPA 855規格の草案に対するコメントの中で薬剤メーカーのコメントを引用し、「クリーン薬剤は、泡やドライケミカルと同様に、熱暴走の防止と停止に明らかに効果がありません」 。」

このクリーン剤は初期火災を消火するように設計されていたため、非炎上熱暴走を止めることはできなかった。 放出から 30 分後、停止中のエージェントは存在せず、その空間は爆発と火災に対して完全に脆弱でした。 適切に設計された消火システムを使用しなかったこと（囲いを完全に密閉できなかったことなど）が原因で薬剤濃度が早期に枯渇し、保持時間が短縮されたことが、事件を深刻化させた主な要因の 1 つとして挙げられています。

BESS 事件にはクリーン剤は効果がないので、スプリンクラー システムを使用するのはどうでしょうか? 従来のスプリンクラーは良い選択ではありません。 バッテリーセルの閉じ込められた性質により、水が加熱領域に到達するのを効果的に防ぎます。 スプリンクラー システムには専用の給水も必要ですが、多くの地域で問題が発生する可能性があります。 最後に、水の排出により BESS コンポーネントが損傷し、水の流出による環境上の懸念が生じる可能性があります。

BESS に優れた防火性能を提供するには、専門のエージェントが必要です。 この場合の理想的なエージェントは、次のことを行うエージェントです。

熱暴走の伝播を制限する

存在する火災を鎮圧する

コンポーネントへの損傷を制限する

大規模なインフラストラクチャを必要としない

これらの「必須アイテム」を提供するのは難しい性質にもかかわらず、まさにこれを行うエージェントがあります。 Stat-X® 凝縮エアロゾル消火システムは、BESS 消火にとって理想的な薬剤です。

Stat-X は広範囲にテストされており、その結果、これらのカテゴリでのパフォーマンスが検証されています。 まず、ファイアアウェイは、APS 事件を調査したのと同じ組織である DNV と契約して、リチウムイオン電池のセル火災に対する Stat-X の試験を実施しました。 結果は非常に良好でした。

Stat-X は、単セルおよびダブルセルのリチウムイオン電池の火災を消火するのに効果的であることが証明されています。

危険箇所に残留する Stat-X 空中エアロゾルは、火災の再燃に対する追加の拡張保護を提供します。

Stat-X は、バッテリー火災時の密閉環境内の酸素を 18% に削減しました。

Stat-X の展開中のガスとエアロゾルの滞留時間は、大気が換気される時間の関数です。

次に、ファイアアウェイは、再生可能エネルギー製品および規制テストのリーダーである PVEL と契約し、UL 9540a に準拠した本格的なテストを実施しました。 これらの結果も肯定的なものでした。 Stat-X の放出期間と薬剤の保持時間中:

熱暴走が隣接するバッテリーラックに伝播しなかった

炎は観察されなかった

顕著な温度上昇は観察されなかった

爆燃や爆発は観察されなかった

Stat-X トータルフラッディングシステムは、熱暴走の伝播を制限しながら火災を抑制し鎮圧するというユニークな組み合わせを提供します。 内蔵ユニットは、あらゆる種類の検出システムに接続したり、事前に設定した温度またはガス濃度レベルで作動するように指定したりできます。 また、事実上メンテナンスフリーでコンパクトなユニットには、配管やその他のインフラストラクチャの要件がありません。

凝縮エアロゾル消火剤には地球温暖化やオゾン層破壊の特性がないことに注意することも重要です。 エージェントは、通常占有エリアに対して評価されます。

BESS を適切に保護するには、完全な統合システムが必要です。 各コンポーネントには、階層的な保護を提供するための場所と機能があります。 高度に保護された BESS は次のようになります。

適切に設計および製造されたバッテリー管理システムは、バッテリーの機能と動作状態を監視します。

ガス検出システムは、故障したセルをシャットダウンするために採用されており、次のことを行います。

換気システムを作動させる

ローカルおよびリモートのアラームを鳴らす

全浸水凝縮エアロゾル消火システムが設置され、火災検知システムに接続されています。

初期対応者の安全を確保するために、次のことが APS 爆発などの事故の防止に役立ちます。

消防署のクイックコネクトドライパイプスプリンクラーまたはウォーターミストシステムにより、消防隊員はエンクロージャの内部を冷却できます。

筐体の外側からの熱レベルとホットスポットを検出するための熱画像カメラ。

Stat-X® 写真提供：Fireaway Inc.

リチウムイオン BESS には火災や爆発の明らかな危険性があります。 その設計と失敗のモードにより、多くの従来の消火剤や戦術が無効になります。 BESS を適切に保護するには、BESS が深刻な熱暴走イベントに遭遇するのを防ぐための多層保護システムが必要です。 これらの対策が成功しない場合は、火災を迅速に鎮火し、熱暴走の伝播を制限し、再フラッシュを抑制するための完全な浸水保護を維持するために、Stat-X などの消火剤が必要になります。

Stat-X® 凝縮エアロゾル火災抑制は、エネルギー貯蔵システム (ESS) およびバッテリーエネルギー貯蔵システム (BESS) アプリケーション向けのソリューションです。 これには、建物内アプリケーション、コンテナ化されたアプリケーション、およびキャビネット内のアプリケーションが含まれます。 Stat-X 製品は、リチウムイオン電池火災の消火効果についてテストされました。 Stat-X エージェントが単一セルおよび二重セルのバッテリー火災の消火に成功したことが判明しました。 この試験は、大規模なバッテリー火災試験プログラムと並行して実施されました。 DNV GL Energy は、セルレベルのリチウムイオン電池火災に対する Stat-X エアロゾル剤のテストを実施し、有効性を検証しました。

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