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Empêcher l'emballement thermique avant qu'il ne commence par la détection des effluents gazeux

Par Del Williams, rédacteur technique, Power PR

Les installations de services publics, industriels, commerciaux et gouvernementaux se tournent de plus en plus vers des systèmes de stockage d'énergie par batterie dans une variété de tailles et de puissances pour une alimentation de secours fiable, pour éviter les charges de pointe et pour stocker l'énergie générée par les systèmes d'énergie renouvelable pour une utilisation ultérieure. Le marché devrait dépasser les 9 milliards de dollars d'ici 2024 à un taux de croissance annuel composé de 34%, selon un rapport du Market Research Engine.

Compte tenu de la croissance attendue dans ce secteur, associée au fait que la plupart des systèmes de stockage d'énergie sont conçus en interconnectant une série de batteries lithium-ion, l'industrie continue de concentrer son attention sur les mesures conçues pour éliminer, mais éliminer tout, le potentiel de danger thermique dangereux. conditions d'emballement.

Un emballement thermique se produit lorsque la chaleur excessive causée par des défauts, des défaillances mécaniques dues à des dommages ou un fonctionnement incorrect du système crée une réaction qui augmente encore la température. S'il n'est pas contrôlé par les protections du système intégrées ou le système de gestion de la batterie (BMS), ce processus peut continuer à augmenter la température et la pression jusqu'à ce que la cellule de la batterie se brise, ce qui peut provoquer des incendies dans les cellules affectées et adjacentes.

Heureusement, des systèmes de détection précoce ont été développés qui peuvent désormais détecter un événement précurseur unique à l'emballement thermique – un dégazage dans la cellule de la batterie qui se produit jusqu'à 30 minutes avant une défaillance en cascade. Ce signe d'alerte précoce distinctif et reconnaissable permet d'atténuer le problème ou d'arrêter le système avant même que l'emballement thermique ne puisse commencer.

Bien que pratiquement tous les équipements BMS de qualité surveillent la température et d'autres variables pour empêcher l'emballement thermique en déclenchant des protections avant que les températures ne changent de manière imprévue, la détection précoce du dégazage fournit une couche supplémentaire critique de protection pour l'ensemble du système, de l'installation et même du personnel .

«Il y a des centaines, sinon des milliers de [battery] systèmes déjà déployés où une défaillance de cellule unique pourrait entraîner la perte du système. Ainsi, la capacité de détecter une défaillance cellulaire avant qu'elle n'entraîne un emballement thermique – et de l'arrêter – pourrait littéralement sauver le système, les propriétés adjacentes et des vies humaines », a déclaré Nick Warner, ingénieur principal et fondateur de Warner Energy Storage Solutions, et co- fondateur d'Energy Storage Response Group.

La détection précoce

La détection précoce de l'emballement thermique repose sur quatre étapes séquentielles de défaillance des batteries lithium-ion, selon Steve Cummings, directeur de la business unit capteurs chez Nexceris, développeur de capteurs et de moniteurs de gaz. Il y a une dizaine d'années, la société a collaboré avec la marine américaine pour développer une technologie de détection de dégazage pour les systèmes de batteries au lithium qui serait plus tard commercialisée dans un produit appelé Li-ion Tamer, compatible avec toutes les chimies du lithium.

"Une cellule de batterie au lithium-ion commence à tomber en panne lorsqu'elle est soumise à un facteur d'abus comme la chaleur, la surtension, etc.", a déclaré Cummings. «La deuxième étape est le dégazage. La troisième étape est la fumée et la quatrième étape est le feu. Mais la fumée et le feu se produisent souvent presque simultanément. Ainsi, au moment où la fumée est détectée, l'emballement thermique a généralement déjà commencé. »

Le dégazage se produit généralement en raison d'une panne d'un électrolyte de cellule de batterie au lithium-ion, en raison de l'accumulation de pression. Plus tard, la température augmente, de la fumée est émise, puis un incendie se déclare.

Pour permettre la détection de dégagement gazeux au stade le plus précoce d'un événement de batterie après l'abus initial, le système Li-ion Tamer offre un moniteur de gaz d'échappement de batterie et un réseau de capteurs spécialement conçus pour les batteries lithium-ion.

Étant donné que le système peut détecter les dégagements gazeux à la plage de concentration au niveau ppm, il peut détecter les défaillances de cellules individuelles sans entrer en contact avec les cellules. Cela permet d'agir pour empêcher l'emballement thermique et sa propagation aux cellules adjacentes dès qu'une seule cellule de batterie commence à tomber en panne.

"La détection précoce pourrait aider à empêcher l'emballement thermique avant qu'il ne démarre, en particulier ceux liés à la défaillance du système de contrôle primaire actif", a déclaré Warner. «Lorsque j'ai été impliqué dans le test du système Tamer Li-ion, la détection la plus précoce d'une défaillance imminente était de 12 minutes avant qu'elle ne se produise. Pour certains des modes d’échec les plus courants, j’ai constaté qu’il offrait le plus tôt possible un avertissement d’échec imminent et je le considère comme une technique exemplaire. »

Lorsque vous travaillez avec des fournisseurs de niveau 1, il est typique d'avoir un BMS bien intégré avec suffisamment de capteurs pour surveiller correctement divers aspects de l'utilisation du lithium-ion, y compris l'état de charge des cellules individuelles et la température dans le système. Cependant, cela peut ne pas être le cas lorsque vous traitez avec des fournisseurs de niveau 2 ou 3 qui vendent uniquement des batteries et laissent le BMS à l'entrepreneur EPC.

"[Lower end, offshore] Les fabricants de batteries sont généralement passés de la surveillance de chaque petit groupe de cellules à la gestion par un thermocouple d'un module entier, surveillant des dizaines de cellules », a déclaré Warner. «En conséquence, le BMS dépend complètement d'une indication de tension pour détecter tout problème avec les cellules. Mais dans de nombreux cas, la tension n'est pas l'indicateur parfait d'un problème potentiel dans la cellule. »

Même dans le cas de fournisseurs de batteries de niveau 1 qualifiés, Warner recommande d'avoir un système indépendant et redondant comme Li-ion Tamer. De la même manière que les ceintures de sécurité et les coussins gonflables combinés peuvent réduire le risque de blessure lors d'un accident de voiture, une telle approche peut aider un EPC qualifié à intégrer des mesures de sécurité complémentaires supplémentaires dans une solution plus sûre et plus complète.

Warner note que la sensibilité du système de détection au dégazage des électrolytes lithium-ion est beaucoup plus élevée que les capteurs traditionnels pour d'autres types de surveillance des gaz.

"La plupart des capteurs qui détectent les gaz recherchent soit un gaz d'hydrocarbure générique, soit un niveau de gaz générique, et ne détectent qu'à un seul emplacement physique", a déclaré Warner. «La valeur d'un capteur Li-ion Tamer est qu'il recherche spécifiquement le gaz émis par les batteries lithium-ion. Il est incroyablement sensible et capable de le détecter à des niveaux beaucoup plus bas que tout autre capteur. »

Un autre avantage d'un tel système avancé spécifique au lithium est qu'il est conçu pour fonctionner comme un réseau de capteurs, ce qui améliore son efficacité dans la détection des gaz d'échappement au lithium-ion.

«Parce qu'il permet également le déploiement de plusieurs capteurs, il est beaucoup plus efficace pour détecter le gaz lorsqu'il se disperse à travers le conteneur. Ainsi, lorsqu'un dégazage se produit, il est détecté immédiatement et une alarme est envoyée », a déclaré Warner.

Selon Warner, le système spécifique au lithium est également plus rentable que les capteurs de gaz fixes traditionnels.

"Les capteurs de gaz fixes typiques sont généralement destinés à avoir deux ou trois installés et coûtent de 1 500 $ à 4 000 $ chacun", a déclaré Warner. «Mais ils ne mesurent qu'à un certain point. Si vous voulez étendre cela, vous devrez acheter et installer 10 à 20. Ensuite, vous devrez activer chacun individuellement pour contrôler le système, ce qui augmente le coût. »

En raison des avantages des systèmes de stockage d'énergie au lithium-ion, ainsi que des systèmes de détection des gaz d'échappement spécifiques au lithium, un nombre croissant d'installations les installent ensemble.

À titre d'exemple, Northern Reliability Inc. (NRI) de Waterbury, au Vermont, a été sélectionnée par l'Electric Power Research Institute (EPRI) pour concevoir et construire deux systèmes de batteries de microgrilles transportables pour la marine américaine.

Le contrat d'EPRI de 2 millions de dollars avec NRI a été finalisé en août 2019. Le projet est financé en partie par le programme EPIC (Electric Program Investment Charge) de la California Energy Commission et la certification de la technologie de sécurité environnementale du ministère de la Défense.

Le microréseau du projet utilisera le stockage solaire et énergétique, ainsi que la génération de sites de la Marine, pour fournir une sauvegarde d'urgence pour la récupération de panne d'électricité, la reprise après sinistre et la réponse aux intempéries / tempêtes de feu.

Chaque système de stockage d'énergie NRI est à base de lithium et peut fournir 250 kW d'électricité à la demande. Les deux microgrids subiront des tests à la base navale de Port Hueneme dans le comté de Ventura, en Californie. Ils subiront ensuite des tests et une utilisation opérationnelle dans un centre de données de la division Naval Surface Warfare Center-Port Hueneme en Californie du Sud.

«Pour nos militaires, les microgrids mobiles avec stockage d'énergie offrent une puissance et une réserve d'énergie facilement disponibles et silencieuses que les décideurs militaires peuvent utiliser au cours de leurs opérations quotidiennes», a déclaré Jay Bellows, président et chef de la direction de NRI. «Cette solution fournit aux clients une alimentation fiable, assure la sécurité de nos troupes, permet une flexibilité opérationnelle et permet une intégration efficace des ressources renouvelables modernes avec des actifs hérités comme des générateurs diesel de secours, partout où cela est nécessaire.»

Sur la base de la recommandation de l'EPRI, NRI a intégré le système de détection des gaz d'échappement approuvé par la Marine dans le contrôleur de supervision du système de l'unité en tant que solution de sécurité redondante et système embarqué de protection / suppression des incendies.

«Avec des batteries au lithium installées dans le monde entier, l'amélioration de la sécurité est toujours quelque chose que nous prenons au sérieux. Même si nous utilisons les modules de batterie de la plus haute qualité sur le marché aujourd'hui, nous prendrons toujours des mesures supplémentaires pour nous assurer d'avoir autant de niveaux de protection que possible », a déclaré Bellows.


Del Williams est un rédacteur technique basé à Torrance, en Californie. Il écrit sur la santé, les affaires, la technologie et les problèmes éducatifs, et a une maîtrise en anglais de C.S.U. Dominguez Hills.

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