컨테이너형 배터리 에너지 저장 시스템의 확산(베스) 그리드- 규모의 애플리케이션 전반에 걸쳐 소방 엔지니어가 열 위험 완화에 접근하는 방식이 근본적으로 바뀌었습니다. 화재 행동이 상대적으로 예측 가능한 연소 역학을 따르는 기존 전기 설비와 달리, 리튬{2}}이온 배터리 화재는 기존 진압 방법으로는 결코 해결할 수 없는 전기화학적 열 폭주-자체 지속 발열 반응 체인에 뿌리를 둔 계단식 고장 모드를 나타냅니다. 2019년 애리조나에서 발생한 McMicken 폭발, 2021년 베이징 Dahongmen 사건, 보고되지 않은 수많은 아차 사고로 인해 점점 더 보편화되는 이러한 에너지 자산을 설계, 분류 및 보호하는 방법에 대한 전면적인 재검토가 이루어졌습니다.
열 폭주 문제(그리고 이것이 단순한 "화재"가 아닌 이유)
대부분의 프로젝트 관리자가 화재 진압에 대한 비용 최적화를 추진할 때 완전히 이해하지 못하는 사항은 다음과 같습니다. 리튬-이온 배터리 화재는 실제로 전통적인 의미의 화재가 아닙니다. 그것은 위험해진 화학 반응기입니다.
셀이 열 폭주에 들어가면 일반적으로 시퀀스는 약 90-120도에서 SEI 층 분해로 시작됩니다. 이는 내부적으로 산소를 방출합니다. 음극은 전해질과 반응하기 시작합니다. 양극 재료는 상전이를 거쳐 분해됩니다. 전해질이 기화하고 연소됩니다. 이 모든 일은 수소, 일산화탄소, 메탄, 에틸렌, 불화수소 등의 가스를 축적하여 가압된 밀봉된 금속 캔에서 발생합니다.
타임라인? 초기 이상 현상부터 격렬한 배출까지: 때로는 몇 분, 때로는 몇 초.
컨테이너화된 시스템을 특히 위험하게 만드는 것은 제한된 공간의 기하학적 구조입니다. 수백, 때로는 수천 개의 셀이 20-피트 또는 40피트 ISO 컨테이너에 담겨 있습니다. 하나의 셀이 고장나고 전도와 복사를 통해 이웃을 가열하게 되면 갑자기 단일 셀 이벤트를 처리하는 것이 아니라 전체 랙을 거쳐 인접한 랙으로 전파가 계단식으로 진행되는 것을 보게 됩니다.
첫 번째 열 경보부터 전체 컨테이너 개입까지의 시간이 4분 미만이었던 사고 보고서를 검토했습니다.
규제 환경: 천천히 수렴되고 있는 패치워크
솔직히 표준 상황은 개선되고 있지만 -혼란스러운 상태로 남아 있습니다.
NFPA 855는 북미 시장에서 사실상의 기준이 되었습니다. 2023년 버전은 2019~2021년에 발생한 일련의 사건 이후 요구 사항을 크게 강화했습니다. 주요 조항에는 추가 화재 테스트 검증 없이 장치당 최대 에너지 용량 600kWh, 배터리 어레이당 50kWh 제한, 장치 간 또는 벽 사이의 최소 3피트 간격이 포함됩니다.
FM Global의 데이터 시트 5-33은 특히 폭연 환기 요구 사항과 관련하여 여러 측면에서 보다 보수적인 접근 방식을 취합니다.
중국의 규제 환경은 빠르게 발전해 왔습니다. 베이징 지역 표준 DB11/T 1893은 2021년에 발표되었을 때 획기적인 것이었습니다.-컨테이너 수준의 화재 예방 세부 사항을 의무화한 최초의 지역 표준-입니다. LFP 조립식 객실 시스템에 대한 T/CEC 373-2020은 많은 국제 표준이 아직 일치하지 않는 모듈 수준 억제 요구 사항을 확립했습니다.
현재 상황에서 제가 실망스러운 점은 아직 진정한 국제적 조화가 이루어지지 않았다는 것입니다. 중국 표준에 따라 설계된 시스템은 UL 9540A 대규모-화재 테스트 요구 사항을 충족하지 못할 수 있습니다. FM 승인을 통과한 시스템은 유럽 EN 표준과 일치하지 않을 수 있습니다. 다국적 개발자의 경우 이는 진정한 조달 문제를 야기합니다.
컨테이너 레이아웃: 생존의 기하학
분리 거리 요구 사항은 관할권에 따라 다양하지만 기본 물리학은 일관됩니다. 비상 접근을 유지하면서 복사열 전달로 인해 인접한 장치가 점화되는 것을 방지하려고 합니다.
중국 표준은 컨테이너 유닛 사이의 최소 간격을 4미터로 지정하고 있으며, 모든 측면에서 컨테이너 봉투를 넘어 1미터까지 확장되는 4시간 정격 방화 장벽으로만 줄일 수 있습니다. NFPA는 기준선을 20피트(약 6미터)로 요구하며 3시간 장벽을 사용하면 본질적으로 0으로 줄일 수 있습니다.
제가 본 대부분의 프로젝트는 공간을 최소화하려고 노력했습니다.-결국 토지 비용은 비용이 듭니다. 장벽 접근법이 매력적이 됩니다. 그러나 여기에 실질적인 문제가 있습니다. 이러한 장벽은 복사열뿐만 아니라 잠재적인 폭연 과압에서도 살아남아야 합니다. 표준 CMU 벽으로는 문제가 되지 않습니다. 등급을 손상시킬 수 있는 관통부가 없이 적절하게 고정된 철근 콘크리트 또는 이와 동등한 것이 필요합니다.
단층-스토리 배포는 이제 거의 보편적인 데에는 그럴 만한 이유가 있습니다. 에너지 밀도를 추구하는 일부 통합업체에서는 컨테이너 적층을 잠시 시도했습니다. 억제 문제와 탈출 문제로 인해 이러한 접근 방식이 빠르게 중단되었습니다.
종종 간과되는 배치 고려사항:
대지 경계선 및 공공 도로까지의 거리는 비상 대응에 있어 매우 중요합니다. 탈선 + BESS 화재=누구도 생각하고 싶지 않은 재앙적인 시나리오 때문에 중국 표준에서 철도 라인의 30{5}미터 후퇴가 존재합니다. 자연 수원과의 근접성은 단순히 억제 공급이 아니라{6}}사고 후 며칠 동안 지속될 수 있는 열 관리를 위한 지속적인 냉각 용량에 관한 것입니다.
실제로 상자 안에 무엇이 들어있나요?
현대식 컨테이너형 BESS는 단순히 선적 컨테이너에 배터리를 넣어두는 것이 아닙니다. 내부 아키텍처가 크게 발전했습니다.
일반적으로 내부 방화벽으로 구분된 별도의 구획에 전력 변환 장비(인버터, DC{0}}DC 변환기)가 있는 배터리 랙이 한 구역을 차지합니다. 근거: 전기 장비 화재는 배터리 열 폭주 사건과 다르게 행동하며 다른 진압 접근 방식이 필요합니다.
열 관리는 공랭식과-수냉식-두 가지로 나뉩니다.
공{0}}냉각식 시스템은 더 간단하고 저렴하며 온건한 기후 설치에 적합합니다. 배터리 어레이 전체의 온도 차이는 부하가 걸린 상태에서 8{3}}10도에 도달할 수 있습니다. 이는 수명이나 안전 여유 측면에서 이상적이지는 않지만 실행 가능합니다.
액체{0}}냉각식 시스템은 고성능 설치를 위한 프리미엄 표준이 되었습니다.- 엔지니어링은 정교해졌습니다. 각 셀이 동일한 냉각수 온도를 확인하도록 보장하는 병렬 흐름 경로, 신중하게 제어된 농도의 글리콜-수 혼합물, 냉각수가 고전압 버스바에 접촉하면 고유한 위험 범주가 생성되므로 누출 감지 시스템이 있습니다.
최고의 액체{0}}냉각식 설계는 셀{1}}간-온도 변화를 3도 미만으로 달성합니다. 이러한 균일성은 열폭주 위험 감소 및 사이클 수명 연장으로 직접적으로 이어집니다.
검출: 화학과의 경쟁
대부분의 시스템이 여전히 실패하는 부분이 탐지이기 때문에 제가 열정을 느끼는 부분이 바로 여기에 있습니다.
기존의 연기 및 열 감지-사무실 건물에서는 잘 작동하는 기능-은 배터리 열폭주에는 매우 부적절합니다. 눈에 보이는 연기가 보이거나 용기 내 주변 온도가 크게 상승할 때쯤이면 이미 손실을 입은 것입니다. 폭주가 확립되고, 전파될 가능성이 높으며, 진압 시스템이 후위 조치를 취하고 있습니다.
심각한 설치의 경우 가스 감지는-협상할 수 없습니다.
손상된 리튬- 이온 전지의 오프{0}}가스 특성은 독특합니다. 수소가 먼저 나타나 가장 빠르게 상승하고 일산화탄소와 다양한 탄화수소가 그 뒤를 따릅니다. 잘 설계된 시스템은-컨테이너 주변 환경뿐 아니라 랙 수준에서도 모니터링합니다. 1000ppm에 도달하는 수소 농도는 즉각적인 조사를 시작해야 합니다.. 5000ppm은 폭발 한계 하한에 접근하고 있으며 자동화된 대응이 필요함을 의미합니다.
일부 신규 시설에서는 특히 대부분의 리튬-이온 전해질 제제를 구성하는 탄산염을 대상으로 전해질 증기 감지를 실험하고 있습니다.- 이 기술은 유망하지만 코드가 필요한 애플리케이션에 아직 충분히 성숙되지 않았습니다.-
BMS를 통한 전압 및 전류 이상 감지는 여전히 첫 번째 방어선입니다.
내부 단락이 발생하는 셀은 열 특성이 뚜렷해지기 전에 전압 강하를 나타냅니다. 과제: 고유한 제조 허용 오차를 통해 수천 개의 셀에 걸쳐 정상적인 작동 변화와 실제 전구체 신호를 구별합니다.
이제 정말 정교한 시스템에 음향 모니터링이 통합되었습니다. 열 폭주에 접근하는 셀은 내부 압력이 증가함에 따라 특징적인 초음파 신호를 생성합니다. 아직은 실험적이지만 물리학은 건전합니다.
억압: 대논쟁
BESS 화재 예방에 관한 회의 세션에 들어가면 진압제 선택에 대한 열띤 의견 차이를 발견하게 될 것입니다. 연구 문헌과 사건 사후-부검 결과를 바탕으로 제 생각을 말씀드리겠습니다.
열 관리에서는 물이 승리합니다. 기간.
열역학은 명확합니다. 리튬-이온 열 폭주는 근본적으로 열 문제입니다. 내부 반응은 자가-산화되어-산소를 대체하여 질식시킬 수 없습니다. 셀 온도를 반응 임계값 아래로 떨어뜨릴 만큼 충분한 열만 흡수할 수 있습니다.
물의 기화열(2,260kJ/kg)은 어떤 실용적인 대안과도 비교할 수 없습니다. 미세한 물 미스트는 물의 양을 관리할 수 있고 전기 전도성 문제를 줄여 열 흡수를 제공합니다.
10분 이내의 전체 셀 침수 기능에 대한 베이징 표준의 요구 사항은 이러한 현실을 반영합니다. 다른 모든 것이 실패하면 컨테이너를 넘치게 합니다.
그러나 가스 억제에는{0}}특별히 조기 개입에 대한 역할이 있습니다.
헵타플루오로프로판(FM-200/HFC-227ea)과 최신 퍼플루오로헥사논(Novec 1230/FK-5-1-12)은 화염을 빠르게 진압하고 기화를 통해 약간의 냉각을 제공할 수 있습니다. 열 폭주가 완전히 발생하기 전에 조기에 이벤트를 포착하거나 전기 장비의 2차 화재를 진압하는 데 유용합니다.
문제:전파가 진행되면 전파를 중단하지 않습니다. 셀 내부에서는 여전히 열이 발생하고 있습니다. 가스 농도가 소멸됩니다. 재회가 이어집니다.
이제 모범 사례로 간주되는 조합 접근 방식은 즉각적인 화염 분해를 위한 가스 억제, 이어서 지속적인 열 제어를 위한 물 미스트, 최종 백업으로 전체 폭주 기능을 갖춘 것입니다.
청정제 환경 문제에 대한 한마디:HFC-227ea는 키갈리 개정안에 따라 단계적으로 중단될 예정입니다. FK-5-1-12는 지구 온난화 가능성이 미미하며 오존에 영향을 미치지 않습니다. 공급망과 가격이 완전히 안정화되지는 않았지만 업계는 분명히 퍼플루오로헥사논으로 전환하고 있습니다.
환기 및 폭발 방지
여기가 가장 위험한 비용 절감-을 목격한 곳입니다.
환기되는 배터리 셀로 가득 찬 컨테이너가 밀폐된 공간에 가연성 가스 혼합물을 축적하고 있습니다. 수소의 폭발 하한계는 공기 중에서 4%입니다. 해당 농도에 도달하고 점화원을 도입하면-고장난 접촉기의 아크처럼 간단할 수 있으며-폭연이 발생합니다. 밀봉된 용기에서 폭연은 폭발이 됩니다.
McMicken은 부상당한 소방관 4명과 함께 우리에게 이 교훈을 가르쳤습니다.
적극적인 환기가 필수입니다.중국 표준에서는 비상 환기를 위해 시간당 최소 30회의 공기 교체를 요구하며, 가스 센서가 LEL의 5%를 초과하는 농도를 감지하면 자동으로 실행됩니다. NFPA 69는 폭연 방지 시스템에 대한 설계 지침을 제공합니다.
대부분의 관할권에서는 구조적 결함이 발생하기 전에 압력을 완화하도록 설계된 수동 폭연 환기-분출-패널이-필요합니다. NFPA 68에 따른 크기 계산은 -사소하지 않으며 인클로저 부피, 환기구 활성화 압력 및 예상 화염 속도에 따라 달라집니다.
위치가 중요합니다. 통풍구는 출구 경로 및 비상 대응 준비 구역에서 멀리 떨어져 배출되어야 합니다. 나는 통풍구 패널이 접근 통로로 직접 불어오는 디자인을 검토했습니다. 이것이 소방관 사상자의 비결입니다.
LFP 대 NMC 질문
배터리 화학 선택은 단순한 열 안정성 비교를 넘어 화재 안전에 영향을 미칩니다.
LFP(리튬 철 인산염) 셀은 안전을 고려하여 고정식 저장 응용 분야에서 니켈{0}}망간-코발트(NMC) 화학 물질을 크게 대체했습니다. 숫자는 이러한 변화를 뒷받침합니다. LFP 열 폭주 개시는 일반적으로 니켈 함량이 높은 NMC 제제의 경우 150-200도에 비해 270도 이상에서 발생합니다. 폭주 중 열 방출률은 대략 절반입니다. 유독한 불소가스 발생이 감소됩니다.
하지만 LFP는 본질적으로 '안전'하지는 않습니다-더 안전합니다. 충분한 남용 조건에서는 열 폭주가 여전히 가능합니다. 전파는 여전히 발생합니다. 실패 모드는 단순히 탐지 및 개입을 위한 더 많은 여유를 제공합니다.
현재 시장 상황에서 우려되는 점: 일부 개발자는 LFP 화학을 강력한 화재 방지의 보완재가 아닌 대체재로 취급합니다. 그것은 결국 사건을 낳게 되는 위험한 생각이다.
사건 기록이 실제로 보여주는 것
저는 BESS 화재 사건-공개 보고서, 제가 접속한 보험금 청구, 업계 관계자와의 비공식 커뮤니케이션에 대한 비공식 데이터베이스를 유지 관리합니다. 패턴은 유익합니다.
근본 원인은 몇 가지 범주로 분류됩니다.
제조 결함-내부 오염, 부적절한 전극 정렬, 분리막 손상-이 가장 큰 비중을 차지하지만 열 파괴 후에는 명확한 원인 파악이 불가능한 경우가 많습니다. 과충전이나 불균형 충전을 허용하는 BMS 오류가 크게 기여합니다. 운송 및 설치 중 외부 손상은 개시자로서 과소평가됩니다.
배터리 업스트림의 전기적 고장-DC 아크 결함, 저항 가열로 이어지는 연결 느슨함, 접지 결함-은 총체적으로 화재 발생 요인으로서 순수 배터리 고장을 초과할 수 있습니다.
대응 효과는 엄청나게 다양합니다.모듈{0}}수준의 가스 감지 및 신속한 자동 억제 기능을 갖춘 사이트에는 단일 랙에 대한 이벤트가 포함되어 있습니다. 컨테이너{2}}수준 감지에만 의존하는 사이트에서는 전체 단위가 손실되는 경우가 많습니다. BESS 사고에 대한 소방서의 대응은 여전히 일관성이 없습니다.{4}}많은 부서가 이러한 특정 위험에 대한 교육이 부족하고 적극적인 진압보다는 방어적인 경계 보호를 기본으로 하고 있습니다.
사고 후-열 관리 문제는 실제로 발생하며 일정을 극적으로 연장합니다. 열 폭주를 겪은 배터리는 연기가 나는 내부 반응을 통해 잔여 에너지가 소멸됨에 따라 몇 시간 또는 며칠 후에 다시 점화될 수 있습니다. 확장된 냉각 및 모니터링 요구 사항은 비상 대응 리소스에 부담을 줍니다.
실용적인 디자인 권장 사항
모든 규제 분석 및 기술 분석 후에 실제로 새로운 설치에 중요한 것은 무엇입니까?
간격을 잘 맞추세요.한계 토지 절약을 위해 최소화하지 마십시오. 하나의 주요 사고 비용은 수십 년 간의 추가 임대 비용을 초과합니다.
탐지에 투자하세요.자동화된 응답 프로토콜을 사용하여 랙 수준에서-가스, 온도, 전압 이상-을 감지하는 다중{0}}매개변수입니다. 기본 연기 감지에 대한 추가 비용은 위험 완화 가치에 비하면 미미합니다.
전파방지를 위한 설계.셀이 실패할 것이라고 가정합니다. 모듈이 실패할 것이라고 가정합니다. 문제는 당신이 거기에 그것을 포함했는지 여부입니다.
소방관 접근을 계획합니다.응급 구조원은 접근하여 진압제를 적용한 후 안전하게 철수해야 합니다. 시선이 중요합니다. 장치 문제의 회전 반경. 물 공급 능력이 중요합니다.
제대로 커미션하세요.억제 시스템이 실제로 에이전트 흐름으로 테스트되지 않은 시스템을 본 적이 있습니다. 가스 감지기가 올바르게 교정되지 않은 곳. 화재 패널에 대한 BMS 경보 통합이 작동하지 않은 경우. 시운전에는 비용이 들지만 사고의 원인이 되기 전에 이러한 문제를 발견합니다.
앞으로
기술은 계속 발전하고 있습니다. 전고체-배터리는 궁극적으로 화재 방지 요구 사항을 줄일 수 있는 본질적인 열 안정성 향상을 약속합니다. 기계 학습을 통합한 고급 BMS 알고리즘은 조기 이상 탐지에 대한 가능성을 보여줍니다. 배터리 팩 설계에 통합된 모듈{4}}레벨 억제는 현재 외부 시스템으로는 불가능한 응답 시간을 제공할 수 있습니다.
그러나 우리는 오늘날의 기술을 전 세계적으로 규모에 맞게 배포하고 있습니다. 화재 예방 접근 방식은 이론적 미래 개선이 아니라 실제로 설치되는 위험 프로필과 일치해야 합니다.-
근본적인 과제는 변함이 없습니다. 우리는 좁은 공간에 엄청난 양의 전기화학 에너지를 저장하고 있으며 그 에너지는 방출되기를 원합니다. 우리의 임무는 자체가 아닌 우리의 조건에 따라 릴리스되도록 하는 것입니다.
저자는 2017년부터 에너지 저장 시스템의 화재 방지 엔지니어링에 참여해 왔으며 북미 및 아시아{1}}태평양 지역의 프로젝트에 대해 컨설팅을 해왔습니다. 표현된 견해는 전문적인 의견이며 프로젝트별{3}}엔지니어링 분석을 대체할 수 없습니다.