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Mar 20, 2023

Suppression des incendies dans les systèmes de stockage d'énergie par batterie

Chaque fois qu'une grande quantité d'énergie est comprimée dans un espace restreint, il y a un

Chaque fois qu'une grande quantité d'énergie est pressée dans un espace restreint, il y a un risque qu'elle s'échappe de manière incontrôlée. Lorsque cela se produit, un incendie est un résultat courant et des explosions sont possibles.

Article de | Suppression des incendies en aérosol condensé Stat-X®

Un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) est bien défini par son nom. C'est un moyen de stocker de l'électricité dans un système de batteries pour une utilisation ultérieure. En tant que système, les BESS sont généralement un ensemble de modules de batterie et d'équipements de gestion de la charge. Les installations BESS peuvent aller de systèmes de taille résidentielle à de grands ensembles de conteneurs BESS prenant en charge un parc éolien de qualité utilitaire ou des services de réseau.

Les BESS sont installés à diverses fins. Une application populaire est le stockage de la production d'électricité excédentaire à partir de sources d'énergie renouvelables. Pendant les périodes de faible production d'énergie renouvelable, l'énergie stockée dans le BESS peut être mise en ligne.

Deux types courants de BESS sont les batteries au plomb et les batteries au lithium-ion. Les deux servent essentiellement le même objectif. Cependant, environ 90 % des systèmes BESS actuels sont de type lithium-ion. Les batteries lithium-ion sont si bien adoptées car elles fournissent une densité d'énergie élevée dans un petit boîtier léger et nécessitent peu d'entretien.

Les batteries lithium-ion contiennent une cathode positive et une anode négative. Les ions lithium se déplacent de l'anode négative à l'anode positive pendant la décharge et reviennent lors de la charge. Ce mécanisme est plongé dans un électrolyte conducteur ionique. L'électrolyte est un solvant liquide inflammable de faible viscosité.

Regroupées dans un boîtier ou un conteneur, les batteries lithium-ion sont appelées "cellules". Un BESS peut contenir des dizaines, des centaines, voire des milliers de cellules pour stocker de l'énergie. Les cellules sont généralement emballées dans des modules maintenus dans des racks, et les racks sont normalement stockés dans des structures de type conteneur d'expédition. Évidemment, les modèles résidentiels sont beaucoup plus petits et sont souvent installés dans un garage ou un sous-sol.

Chaque fois qu'une grande quantité d'énergie est pressée dans un espace restreint, il y a un risque qu'elle s'échappe de manière incontrôlée. Lorsque cela se produit, un incendie est un résultat courant et des explosions sont possibles.

Plusieurs incidents récents dans de grandes installations BESS démontrent à quel point les incendies BESS peuvent être importants, à quel point ils sont difficiles à éteindre et à quel point ils peuvent être dangereux pour les premiers intervenants.

Arizona Public Service exploite un BESS à grande échelle sur son site de panneaux solaires à Surprise, en Arizona. De la fumée a été observée provenant d'un conteneur BESS au lithium-ion. Les pompiers ont été appelés et sont arrivés sur les lieux.

Environ trois heures après leur arrivée, les pompiers ont ouvert les portes du conteneur encore fumant. Lorsque l'air frais s'est mélangé aux vapeurs inflammables à l'intérieur du conteneur, une explosion s'est produite. Quatre pompiers ont été blessés.

Le projet de "grande batterie" de 300 MW de Tesla a subi un incendie catastrophique qui a brûlé pendant quatre jours. Considéré comme le plus grand incendie de ce type au monde à ce jour, le service d'incendie local a rencontré d'importants problèmes d'extinction. Ils ont finalement refroidi les structures environnantes et ont permis au feu de s'éteindre.

Un BESS installé dans une ferme solaire privée a pris feu et brûlé pendant des heures. L'incendie a détruit 140 batteries, causé des dommages structurels à l'usine et brûlé sept modules de production d'électricité. Il n'y a pas eu de blessés, mais l'incendie a fait plus de 300 000 $ de dégâts.

Bien que tous ces incidents aient entraîné d'importantes pertes directes par le feu, dans de nombreux cas, les coûts indirects peuvent être beaucoup plus élevés. Les temps d'arrêt, la perte de productivité et l'atteinte à l'image de l'entreprise peuvent rapidement dépasser la perte de l'équipement endommagé.

Pour comprendre le problème d'incendie pour les BESS, il est important de comprendre comment ils échouent. Leur mode de défaillance illustre comment un incendie (et/ou une explosion) est le résultat final d'un processus en plusieurs étapes. La compréhension de ce processus permet d'identifier les opportunités où une intervention peut être introduite pour éviter une catastrophe.

Il y a quatre étapes ou phases de panne de batterie :

Étape 1 : Batterie compromise Les batteries peuvent être endommagées ou autrement compromises de l'une des quatre manières suivantes :

Thermique - Stress thermique dû à une surchauffe interne ou à un échauffement externe dû à un incendie ou à une forte source de chaleur.

Électrique – La batterie est surchargée ou un court-circuit se développe.

Mécanique - Le boîtier de la batterie est endommagé d'une manière ou d'une autre.

Défaut de fabrication – Un problème de fabrication entraîne une défaillance thermique ou électrique.

Deuxième étape : dégazage

Une fois que la batterie est compromise, la température et la pression internes de la batterie augmentent en raison d'une accumulation de gaz. L'intégrité du conteneur de la batterie échoue et les gaz sont libérés. Les gaz sont principalement des électrolytes vaporisés qui sont inflammables ou explosifs. Le dégazage peut se produire pendant aussi peu que deux minutes à près de trente minutes avant l'étape suivante.

Troisième étape : production de fumée

Lorsque la batterie tombe en panne, la tension tombe à zéro et l'anode et la cathode se court-circuitent. Avec toute l'énergie stockée de la batterie circulant à travers le court-circuit, la température de la batterie montera rapidement en flèche, à plus de 300°C. Cela provoque la production de fumée à l'intérieur de la batterie. La production de fumée est la première étape de l'emballement thermique et peut devenir combustible.

L'emballement thermique est une réaction en chaîne dans laquelle :

Quatrième étape : Incendie

Un incendie peut survenir rapidement après le dégagement de fumée. Ou l'événement d'emballement thermique peut se poursuivre pendant des heures sans aucune production de flamme. Pendant cette période, de grandes quantités de vapeurs et de gaz inflammables sont produites et contenues dans l'enceinte créant une atmosphère explosive.

Dans de nombreux cas, cependant, une inflammation se produit et un incendie se développe à l'intérieur de l'enceinte du BESS. Comme les composants de la batterie sont consumés par le feu, des gaz, tels que le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, l'hydrogène et les hydrocarbures non brûlés, peuvent également s'accumuler dans l'enceinte. Cela crée un mélange inflammable qui a un point d'éclair collectif bien inférieur aux points d'éclair des gaz individuels.

Un incendie à l'intérieur de l'enceinte peut provoquer ou accélérer la vitesse d'un emballement thermique, entraînant un événement dévastateur et difficile à éteindre.

Quel que soit le type d'incident pour lequel une atténuation est possible, il est toujours préférable d'intervenir le plus tôt possible. Comme cela a été décrit dans les étapes de défaillance de la batterie, il est possible de prendre des mesures précoces pour éviter un résultat désastreux.

Les BESS peuvent être protégés par les systèmes suivants :

L'intervention la plus simple et la plus précoce est une gestion efficace de la batterie. Le rôle principal d'un système de gestion de batterie (BMS) est d'empêcher que les cellules de la batterie ne soient endommagées par une surcharge et une décharge excessive. Le BMS a également :

Calcule la charge restante de la batterie

Surveille la température de la batterie

Surveille les courts-circuits et les connexions défectueuses

Maintient la charge dans les cellules dans la plage de performances optimale

Si le BMS détecte des conditions anormales, il arrête la batterie. Cela protège les cellules contre les dommages. La plupart des gens ont été témoins de cela lorsque les téléphones portables et les ordinateurs portables meurent soudainement sans avertissement. C'est parce que le BMS a détecté que la charge restante était en dehors de son seuil de fonctionnement et a arrêté la batterie.

Un BMS fournit deux services importants à l'utilisateur final. Tout d'abord, il prolonge la durée de vie de la batterie en la maintenant dans des conditions de fonctionnement optimales. Et surtout, le BMS peut agir pour arrêter une batterie avant qu'elle n'atteigne un point où elle devient un danger pour la sécurité.

Dans l'ensemble, les BMS font extrêmement bien leur travail. Cependant, si le BMS est endommagé ou s'il y a un défaut de fabrication, la batterie peut devenir instable et commencer à tomber en panne.

Comme indiqué précédemment, à mesure que l'état instable de la batterie s'aggrave, la température et la pression à l'intérieur de la cellule commencent à augmenter à mesure que les gaz inflammables s'accumulent. À un moment donné, soit un évent installé s'ouvre, soit il y a une défaillance dans le boîtier de la batterie (généralement un type de poche ou de coque), et les gaz s'échappent.

Des recherches ont été menées sur des cellules lithium-ion où elles ont été testées jusqu'à l'échec. La chromatographie en phase gazeuse du gaz de dégagement a révélé que le constituant principal était le carbonate de méthyle et d'éthyle qui est l'électrolyte à l'intérieur de la cellule.

Le carbonate d'éthyle et de méthyle est considéré comme un liquide inflammable de classe II. Il a un point d'éclair d'environ 80°F. Une fois vaporisé par la réaction exothermique qui se produit lors d'une défaillance, il est hautement inflammable.

Le dégazage peut se produire jusqu'à trente minutes avant que la fumée ne soit produite. La détection de gaz offre la première chance d'intervenir après la panne du BMS. La détection de gaz fournit une notification du problème beaucoup plus rapide qu'un détecteur de fumée, de chaleur ou de flamme. Avec la détection de gaz, c'est une opportunité d'atténuer le problème avant qu'il ne nécessite une action de réponse active de la part de l'équipement d'extinction d'incendie.

Lorsque le détecteur de gaz signale la présence d'un dégagement gazeux, il peut activer plusieurs actions d'atténuation. Le plus important est peut-être de couper l'alimentation de la ou des cellules affectées. De plus, l'équipement de détection de gaz peut :

Activer un système de ventilation dans l'enceinte BESS pour éliminer les gaz inflammables et la chaleur

Activer les alarmes locales et à distance

Fournir une alerte précoce aux opérateurs pour qu'ils prennent des mesures supplémentaires

La suppression des incendies est la dernière ligne de défense. La décharge de l'agent signifie que toutes les autres interventions ont échoué. Cependant, la nature de la défaillance des batteries et leur conception même rendent difficile l'extinction totale.

Après la détection de gaz, la prochaine possibilité de détection d'incendie est la détection de fumée. Dans ce cas, un détecteur de fumée déclenche une alarme et le signal déclenche un système d'extinction d'incendie qui s'active.

Mais comme nous l'avons mentionné et mis en évidence lors de l'explosion de l'Arizona Public Service (APS), un emballement thermique qui produit de la fumée peut se produire et s'accumuler lentement pendant des heures. Lors de l'incident de l'APS, le système de détection de fumée a fonctionné comme prévu et activé un système d'extinction d'incendie à agent propre.

Cependant, même après la décharge de l'agent propre, l'emballement thermique a continué. Pendant trois heures avant que les équipes de pompiers n'ouvrent les portes du conteneur (déclenchement d'une explosion), de grandes quantités de fumée inflammable ont continué à être produites.

Alors, qu'est-ce qui a mal tourné lors de l'incident de l'APS ? Du point de vue de l'agent d'extinction d'incendie, le système d'agent propre choisi utilisant un agent fluorocétone n'a pas été conçu correctement. Le système a fonctionné et a déchargé une concentration de 10 % d'agent.

Selon un rapport d'enquête produit par DNV GL (maintenant connu sous le nom de DNV), un leader international dans le domaine des tests de batteries, "l'agent propre {fluorocétone} était inadéquat et inapproprié pour arrêter ou empêcher l'emballement thermique en cascade de plusieurs cellules ou modules de batterie".

Le rapport poursuit en citant le fabricant de l'agent lorsqu'il déclare dans des commentaires sur un projet de norme NFPA 855 pour l'installation de systèmes de stockage d'énergie stationnaires® : "Les agents propres sont manifestement inefficaces pour prévenir et arrêter l'emballement thermique, tout comme la mousse et les produits chimiques secs. ."

Étant donné que l'agent propre a été conçu pour éteindre les incendies naissants, il n'a pas réussi à arrêter l'emballement thermique non enflammé. Trente minutes après la décharge, il n'y avait plus d'agent en suspension et l'espace était totalement vulnérable à l'explosion et au feu. L'incapacité à utiliser un système d'extinction d'incendie conçu de manière appropriée, y compris l'incapacité à sceller complètement l'enceinte, permettant ainsi un épuisement précoce de la concentration d'agent et une réduction du temps d'attente, a été citée comme l'un des principaux facteurs contribuant à la gravité de l'incident.

Les agents propres étant inefficaces pour les incidents BESS, qu'en est-il de l'utilisation d'un système de gicleurs ? Les arroseurs traditionnels ne sont pas un bon choix. La nature confinée des cellules de la batterie empêche efficacement l'eau d'atteindre la zone chauffée. Les systèmes de gicleurs nécessitent également une alimentation en eau dédiée, ce qui peut être problématique dans de nombreux domaines. Enfin, le déversement d'eau peut endommager les composants du BESS et soulever des problèmes environnementaux en raison du ruissellement de l'eau.

Pour offrir une protection incendie supérieure aux BESS, un agent spécialisé est requis. L'agent idéal dans ce cas est celui qui :

Limiter la propagation de l'emballement thermique

Supprimez tout feu présent

Limiter les dommages aux composants

Ne nécessite pas d'infrastructure importante

Malgré la nature difficile de fournir ces "incontournables", il existe un agent qui fait exactement cela. Le système d'extinction d'incendie à aérosol condensé Stat-X® est l'agent idéal pour l'extinction d'incendie BESS.

Stat-X a été testé de manière approfondie, ce qui a permis de vérifier ses performances dans ces catégories. Tout d'abord, Fireaway a engagé DNV, la même organisation qui a enquêté sur l'incident de l'APS, pour effectuer des essais de Stat-X sur les incendies de cellules de batterie lithium-ion. Les résultats ont été extrêmement positifs :

Stat-X s'est avéré efficace pour éteindre les incendies de batteries lithium-ion à une ou deux cellules.

L'aérosol résiduel Stat-X en suspension dans l'air offre une protection étendue supplémentaire contre la réapparition du feu.

Stat-X a réduit l'oxygène dans un environnement clos lors d'un incendie de batterie à 18 %.

Le temps de séjour des gaz et des aérosols pendant le déploiement de Stat-X est fonction du moment où l'atmosphère est ventilée.

Deuxièmement, Fireaway a engagé PVEL, un leader des produits d'énergie renouvelable et des tests réglementaires, pour effectuer des tests à grande échelle conformément à la norme UL 9540a. Ces résultats étaient également positifs. Pendant la période de décharge de Stat-X et le temps de rétention de l'agent :

L'emballement thermique ne s'est pas propagé aux racks de batteries adjacents

Aucune flamme n'a été observée

Aucune augmentation significative de la température n'a été observée

Aucune déflagration ou explosion n'a été observée

Le système d'inondation totale Stat-X offre la combinaison unique de limiter la propagation de l'emballement thermique tout en supprimant et en abattant le feu. Les unités autonomes peuvent être connectées à tout type de système de détection ou peuvent être spécifiées pour s'activer à une température ou à un niveau de concentration de gaz prédéterminé. De plus, les unités compactes et pratiquement sans entretien ne nécessitent aucune tuyauterie ni aucune autre exigence d'infrastructure.

Il est également important de noter que les agents d'extinction d'incendie en aérosol condensé n'ont pas de propriétés de réchauffement global ou d'appauvrissement de la couche d'ozone. L'agent est classé pour les zones normalement occupées.

Protéger adéquatement un BESS nécessite un système complet et intégré. Chaque composant a sa place et ses fonctions pour fournir une protection en couches. Un BESS hautement protégé pourrait ressembler à ceci :

Un système de gestion de batterie bien conçu et fabriqué permet de surveiller les fonctions et les conditions de fonctionnement de la batterie.

Un système de détection de gaz est utilisé pour arrêter les cellules défectueuses et :

Activer un système de ventilation

Alarmes sonores locales et à distance

Un système d'extinction d'incendie par aérosols condensés à inondation totale est installé et connecté au système de détection d'incendie.

Pour aider à la sécurité des premiers intervenants, les éléments suivants peuvent aider à prévenir un incident tel que l'explosion de l'APS :

Un gicleur à tuyau sec à connexion rapide ou un système de brouillard d'eau pour les pompiers afin que les équipes d'incendie puissent refroidir l'intérieur de l'enceinte.

Caméras thermiques pour détecter les niveaux de chaleur et les points chauds depuis l'extérieur de l'enceinte.

Photo Stat-X® avec l'aimable autorisation de Fireaway Inc.

Les BESS au lithium-ion présentent un risque évident d'incendie et d'explosion. Leur conception et leur mode de défaillance rendent de nombreux agents et tactiques d'extinction d'incendie traditionnels inefficaces. Pour protéger adéquatement les BESS, un système de protection en couches est nécessaire pour empêcher le BESS de subir un événement d'emballement thermique grave. Si ces mesures échouent, un agent d'extinction d'incendie tel que Stat-X est nécessaire pour éteindre rapidement un incendie, limiter la propagation de l'emballement thermique et maintenir une protection totale contre les inondations pour supprimer les reflashs.

Stat-X® Condensed Aerosol Fire Suppression est une solution pour les applications de systèmes de stockage d'énergie (ESS) et de systèmes de stockage d'énergie de batterie (BESS). Cela inclut les applications dans les bâtiments, conteneurisées et dans les armoires. Le produit Stat-X a été testé pour son efficacité à éteindre les incendies de batteries Li-ion. Il a été constaté que l'agent Stat-X a réussi à éteindre les incendies de batteries à une ou deux cellules. Ces tests ont été menés en parallèle avec un vaste programme d'essais au feu de la batterie. DNV GL Energy a effectué les tests et validé l'efficacité de l'agent aérosol Stat-X sur les incendies de batteries Li-ion au niveau des cellules.

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