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Empêcher les déversements thermiques avant de commencer par la détection de gaz

Auteur Del Williams, rédacteur technique, Power PR

Les installations des services publics, industriels, commerciaux et gouvernementaux se tournent de plus en plus vers des systèmes de stockage d’énergie alimentés par batterie dans une variété de tailles et de puissances énergétiques pour une énergie de secours fiable, afin d’éviter des coûts de consommation de pointe et d’économiser l’énergie provenant de sources d’énergie renouvelables pour une utilisation ultérieure. Le marché devrait dépasser les 9 milliards de dollars d’ici 2024 avec des taux de croissance annuels composés de 34%, selon un rapport du Market Research Engine.

Étant donné la croissance attendue dans ce secteur, ainsi que le fait que la plupart des systèmes de stockage d’énergie sont conçus pour connecter une série de batteries lithium-ion, l’industrie continue de se concentrer sur des mesures conçues pour éliminer toute l’énergie thermique dangereuse potentielle, mais elles ont été supprimées. fuir les conditions.

La dissipation de chaleur se produit lorsque la chaleur excessive causée par des dommages, des défaillances mécaniques dues à des dommages ou un mauvais fonctionnement du système crée une réaction qui augmente encore la température. Si elle n’est pas contrôlée par le système intégré de protection du système ou de gestion de la batterie (BMS), cette procédure peut continuer à augmenter la température et la pression jusqu’à la rupture de la cellule de la batterie, ce qui peut provoquer un incendie dans les cellules affectées et adjacentes.

Heureusement, des systèmes de détection précoce ont été développés qui peuvent désormais détecter un événement unique avant le pointeur sur les déchets thermiques – la disparition des gaz dans la cellule de la batterie qui se produit jusqu’à 30 minutes avant la défaillance de la cascade. Ce panneau d’avertissement précoce reconnaissable et reconnaissable permet d’atténuer le problème ou d’arrêter le système avant que le pare-chocs thermique ne démarre.

Alors que presque tous les équipements BMS de qualité surveillent la température et d’autres variables pour empêcher la dissipation de la chaleur en activant la protection avant que les changements de température ne soient imprévus, la détection précoce des gaz d’échappement fournit une couche supplémentaire critique de protection pour l’ensemble du système, des installations et même du personnel.

« Il y a des centaines, sinon des milliers [battery] les systèmes déjà mis en œuvre en cas de défaillance d’une seule cellule peuvent entraîner une perte du système. Ainsi, la capacité de détecter une défaillance cellulaire avant qu’elle n’entraîne une expulsion thermique – et un arrêt – pourrait littéralement sauver le système, les propriétés voisines et les vies humaines », a déclaré Nick Warner, ingénieur en chef et fondateur de Warner Energy Storage Solutions, et co-fondateur du groupe de stockage. l’énergie.

Détection précoce

La détection précoce des déchets thermiques repose sur quatre phases consécutives de défaillance de la batterie lithium-ion, a déclaré Steve Cummings, directeur de l’unité commerciale des 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 gaz inutile pour les systèmes de batteries au lithium qui serait ensuite commercialisée dans un produit appelé Li-ion Tamer, compatible avec tous les produits chimiques au lithium.

« Une batterie lithium-ion commence à tomber en panne lorsqu’elle est exposée à des facteurs d’abus tels que la chaleur, les surtensions, etc. », a déclaré Cummings. « La deuxième étape consiste à accumuler du carburant. 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, avec le temps de la détection de fumée, le sevrage thermique a généralement déjà commencé. « 

La perte de gaz se produit généralement en raison de la détérioration de l’électrolyte de la batterie lithium-ion, en raison de la pression. Plus tard, la température monte, la fumée se dégage puis un incendie se déclare.

Pour permettre la détection des émissions de gaz au stade le plus précoce d’un événement de batterie après une mauvaise utilisation initiale, le système Li-ion Tamer offre un moniteur de batterie et un réseau de capteurs spécialement conçus pour les batteries lithium-ion.

Parce que le système peut détecter la disparition des gaz dans la plage de concentration au niveau ppm, il peut détecter les défaillances de cellule unique sans contact avec les cellules. Cela permet d’agir pour empêcher l’écoulement thermique et sa propagation aux cellules voisines dès qu’une cellule de la batterie commence à se décomposer.

« La détection précoce peut aider à prévenir les sorties thermiques avant qu’elles ne se déclenchent, en particulier celles liées à une 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’un dysfonctionnement récent était de 12 minutes avant qu’il ne se produise. Pour certains des modes de défaillance les plus courants, j’ai constaté qu’il offre l’alerte la plus précoce possible d’une défaillance immédiate et je considère que c’est la meilleure technique de pratique. « 

Pour travailler 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 ne vendent que des batteries et laissent BMS au fournisseur EPC.

« [Lower end, offshore] Les fabricants de batteries sont généralement passés de la surveillance de chaque petit groupe de cellules à un thermocouple pour exécuter l’ensemble du module, surveillant des dizaines de cellules », a déclaré Warner. « En conséquence, le BMS dépend complètement de l’indication de tension pour détecter tout problème de cellule. Mais dans de nombreux cas, la tension n’est pas un indicateur parfait que quelque chose peut mal tourner dans la cellule. « 

Même dans le cas de fournisseurs de batteries de premier ordre qualifiés, Warner recommande d’avoir un système indépendant et redondant comme le Tamer Li-ion. De la même manière que les ceintures de sécurité et les coussins gonflables combinés peuvent réduire le risque de blessure dans 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 à la gazéification 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 ou recherchent des gaz d’hydrocarbures génériques ou des niveaux de gaz génériques et sont détectés dans un seul emplacement physique », a déclaré Warner. «La valeur du capteur Li-ion Tamer est qu’il recherche spécifiquement le gaz émis par les batteries lithium-ion. Il est incroyablement sensible et peut 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 augmente son efficacité dans la détection des ions lithium hors du gaz.

«Puisqu’il permet également l’installation de plusieurs capteurs, il est beaucoup plus efficace pour détecter le gaz lorsqu’il se disperse à travers le conteneur. Donc, quand une disparition de gaz se produit, elle est détectée immédiatement et une alarme est envoyée », a déclaré Warner.

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

«Les capteurs de gaz fixes typiques sont généralement conçus pour en avoir deux ou trois installés et coûtent entre 1 500 et 4 000 dollars chacun», a déclaré Warner. « Mais ils ne mesurent qu’à un certain point. Si vous souhaitez l’étendre, vous devez acheter et installer 10 à 20. Ensuite, vous devrez activer chacun d’eux individuellement pour gérer le système, ce qui augmente le coût. « 

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

À titre d’exemple, Northern Reliability Inc. (NRI) de Waterbury, Vermont, a sélectionné l’Electricity Institute (EPRI) pour concevoir et construire deux systèmes de batteries micro-croates portables pour la marine américaine.

Le contrat d’EPRI de 2 millions de dollars avec NRI a été conclu en août 2019. Le projet est financé en partie par le programme Energy Cost de la California Energy Commission (EPIC) et la certification des technologies environnementales du ministère de la Défense.

Les micronutriments du projet utiliseront l’énergie solaire et le stockage d’énergie, ainsi que la génération de sites navals, pour fournir une sauvegarde pour la récupération après récupération, 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. Deux micro-réseaux seront testés sur la base navale de Port Hueneme, dans le comté de Ventura, en Californie. Il sera ensuite soumis à des tests et à une utilisation opérationnelle au Naval Data Center-Port Hueneme en Californie du Sud.

«Pour nos militaires, les micro-lecteurs mobiles avec stockage d’énergie offrent des réserves d’énergie silencieuses facilement accessibles aux décideurs militaires pour les utiliser au quotidien», 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, offre une flexibilité opérationnelle et permet l’intégration efficace de ressources renouvelables modernes avec des actifs hérités tels que des générateurs diesel de secours, partout où cela est nécessaire. »

Sur la base de la recommandation de l’EPRI, NRI a intégré un système de détection de gaz approuvé par la marine dans le système de surveillance de l’unité en tant que solution de sécurité redondante et système d’incendie / d’extinction embarqué.

« Avec l’installation de batteries au lithium dans le monde, l’amélioration de la sécurité est toujours quelque chose que nous prenons au sérieux. Bien que nous utilisions 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 le plus haut niveau de protection possible », a déclaré Bellows.


Del Williams est un rédacteur technique basé à Torrance, en Californie. Il écrit sur des sujets liés à la santé, aux affaires, à la technologie et à l’éducation, et a un M.A. en anglais par C.S.U. Dominguez Hills.



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