Analyse de l'accident de l'explosion d'une batterie au lithium à Pékin qui a tué deux pompiers

Le 16 avril, une explosion s'est produite alors que les pompiers de Pékin intervenaient sur un incendie dans une batterie au phosphate de fer et de lithium de 25 MWh reliée à une installation de panneaux solaires sur un toit. Deux pompiers ont été tués et un autre blessé. Le CTIF peut désormais publier une traduction du rapport chinois de l'incident.

La caserne des pompiers de Pékin a enquêté sur les causes de l'incendie d'une batterie LFP qui a tué les deux pompiers qui travaillaient à éteindre un incendie sur le toit d'un centre commercial de la capitale chinoise le vendredi 16 avril.

La caserne de pompiers de la ville a déclaré avoir reçu des informations sur un incendie dans le magasin Jimei Home Dahongmen à 12 h 17 et aurait dépêché 235 pompiers avec 47 camions de pompiers provenant de 15 casernes.

Une explosion s'est produite dans la section nord, tuant deux pompiers et en blessant un troisième. Un membre du personnel du Beijing Gotion Full-Service est également porté disparu depuis l'incident.

Le rapport ne connaît pas la raison exacte de cette explosion soudaine, mais penche pour la possibilité d'une usure environnementale détruisant l'isolation de la batterie par l'accumulation de poussière et de sable :

"L'explosion soudaine de la centrale dans la zone nord pourrait s'expliquer par le mécanisme d'induction d'accident de sécurité des batteries au lithium, qui est la défaillance thermique des batteries dans les conditions extrêmes où elles ont été considérablement affectées par des sources internes et externes. La sécurité d'un système de stockage d'énergie à base de batteries est compliquée car elle implique des batteries, des systèmes de gestion des batteries, des câbles, la topologie électrique du système, des systèmes d'alerte précoce, de surveillance et de lutte contre l'incendie, etc. En raison de la limitation des informations sur les accidents, il est difficile de déterminer si l'incendie a été déclenché par la mauvaise qualité des batteries ou par la surcharge des batteries qui dépasse leur limite. Plusieurs raisons possibles sont proposées comme suit".

Le rapport énumère ensuite plusieurs causes probables de cette défaillance fatale et formule des recommandations sur la manière de construire et de réagir de manière plus sûre lorsqu'il s'agit de ce type de batteries.

Voici le rapport téléchargeable de l'incident, traduit au sein du réseau du projet HyResponder, dont le CTIF est un membre actif.

Téléchargez le rapport PDF avec les illustrations ci-dessous :

Analyse des accidents dans le cadre du projet de station solaire intégrée de stockage et de charge de 25 MWh CC de Beijing Jimei Dahongmen

Institut du stockage de l'énergie et des nouvelles technologies électriques, China Electric Power Technology Co., Ltd.

Avril 2021

1. Informations générales sur le projet

Le projet de station intégrée photovoltaïque-stockage-chargement de 25 MWh DC de Jimei Dahongmen a été signalé à la Commission du développement et de la réforme (DRC) du district de Fengtai de la ville de Beijing en avril 2018. Ce projet a été développé et exploité par Beijing Fuweisi Oil & Gas Co, Ltd. La 1ère phase du projet comprend un système d'énergie solaire photovoltaïque en toiture de 1,4 MWh, 94 parkings équipés de pieux de charge rapide DC uniques très puissants de 150 KW. Parmi les 25 MWh de capacité, 12,5 MWh sont utilisés pour charger les voitures EV externes (dont 4,0 MWh pour les véhicules privés dans la zone sud + 8,5 MWh pour les bus publics dans la zone nord) et 12,5 MWh pour l'alimentation électrique intérieure.

Ce projet a été commercialisé en mars 2019, ce qui constituait la plus grande station commerciale de stockage d'énergie pour les clients dans le centre de la ville de Pékin, la station de recharge publique à la plus grande échelle, la première station de recharge de stockage d'énergie solaire photovoltaïque de niveau MWh, le premier réseau de distribution incrémentiel DC de nouvelles énergies côté utilisateur, le plus grand projet de démonstration de recharge de stockage d'énergie solaire photovoltaïque. Le plan du projet est présenté dans la Fig. 1.

Fig. 1 Plan du projet de stockage et de charge d'énergie solaire de 25 MWh.

Les batteries sont fournies par Guoxuan High-Tech Co., Ltd (3,2 V 10,5 Ah lithium phosphate de fer à coquille carrée). Les cellules individuelles ont d'abord été connectées en parallèle, puis en série selon le mode 225S18P (225 cellules individuelles connectées en série pour former une chaîne, puis 18 chaînes connectées en parallèle) pour construire un module de batterie avec une tension de 720 V et un courant de 189 Ah. Le cluster de batteries a finalement été réalisé en connectant plusieurs modules de batteries en parallèle. Les détails peuvent être trouvés dans la Fig. 2.

Fig. 2 Groupe de batteries

Des panneaux photovoltaïques en silicium monocristallin ont été installés sur le toit de la place Jimei Furnishing pour construire le système de production d'électricité photovoltaïque, comme le montre la Fig. 3. Des piles de recharge ont été installées pour les véhicules électriques, voir Fig. 4. Le système de stockage et de charge solaire a été réalisé en intégrant les sous-systèmes de production d'électricité photovoltaïque, les piles de charge des véhicules électriques et le stockage d'énergie. Pour le système de stockage d'énergie, des équipements

Pour le système de stockage d'énergie, des équipements de lutte contre l'incendie ont été installés près des groupes de batteries pour le traitement d'urgence des accidents précoces.

Fig. 3 Système de production d'électricité photovoltaïque

Fig. 4 Piles de recharge des VE

Dans le projet de stockage et de charge de l'énergie solaire intégrée, le sous-système de la station de stockage de l'énergie sur batteries diffère largement du système de stockage de l'énergie centralisé traditionnel en ce qui concerne les structures électriques. Dans les stations de charge traditionnelles pour VE, le courant de sortie est un courant alternatif, qui doit être converti en courant continu pour ensuite charger les véhicules électriques. Ainsi, les convertisseurs AC-DC sont nécessaires. Le projet a pris en compte la caractéristique des batteries en cascade, qui génèrent directement du courant continu en sortie. Par conséquent, les convertisseurs AC-DC sont supprimés. Les batteries ont été connectées en série pour atteindre une tension de 750 V, après un montage en parallèle à plusieurs étages, pour fournir une puissance de 150 kW, un courant de 250 A et une tension de 750 V pour chaque pile de charge. Les KPI de sortie correspondent aux valeurs les plus élevées des normes nationales des piles de charge. En raison de l'absence de convertisseurs AC-DC, la taille du sous-système de stockage d'énergie est réduite. Cependant, l'exigence d'homogénéisation du courant des groupes de batteries et la capacité de marche-arrêt de l'interrupteur CC sont devenues plus élevées.

2. Rapport de l'accident

Le 16 avril 2021 à 12h17, le centre de commandement des pompiers de Pékin a reçu un rapport sur l'incendie survenu dans la centrale électrique de Beijng Jimei Dahongmen (située dans la zone sud). 47 camions de pompiers et 235 pompiers de 15 corps de pompiers locaux ont été envoyés sur le site de l'incendie.

Vers 14h15, alors que les pompiers s'occupaient de l'incendie de la centrale électrique de la zone sud, une explosion soudaine s'est produite dans la centrale électrique de la zone nord sans avertissement, entraînant la mort de 2 pompiers, la blessure d'un pompier et la disparition d'un employé de la centrale électrique.

Les figures 5 à 7 ne sont pas traduites. Veuillez lire le rapport original.

https://wemp.app/posts/547dac6a-171c-4389-b735-8951c0e8bcd8

Fig. 8 Photographie aérienne du lieu de l'accident

L'enquête préliminaire a permis d'apprendre que des travaux de débogage avaient été entrepris sur le site avant l'accident. À 23 h 40 le 16 avril 2021, le feu nu a été éteint. Cependant, le refroidissement était toujours en cours. Les raisons et les pertes matérielles font l'objet d'une enquête.

Fig. 9 La centrale électrique après la lutte contre l'incendie

3. Analyse des raisons techniques 3.1 La qualité des batteries

L'explosion soudaine de la centrale électrique dans la zone nord pourrait s'expliquer par le mécanisme d'induction d'accident de sécurité des batteries au lithium, qui est la défaillance thermique des batteries dans des conditions extrêmes lorsqu'elles sont fortement affectées par des sources internes et externes. La sécurité d'un système de stockage d'énergie basé sur des batteries est compliquée car elle implique des batteries, des systèmes de gestion des batteries, des câbles, la topologie électrique du système, des systèmes d'alerte précoce, de surveillance et de lutte contre l'incendie, etc. En raison de la limitation des informations sur les accidents, il est difficile de déterminer si l'incendie a été déclenché par la mauvaise qualité des batteries ou par la surcharge des batteries qui dépasse leur limite. Plusieurs raisons possibles sont proposées comme suit.

D'après la situation sur place, une combustion et une explosion se sont produites sur les batteries au lithium du système de stockage d'énergie, accompagnées d'une forte fumée. La raison de la combustion et de l'explosion des batteries au lithium est due à l'échec du contrôle thermique à l'intérieur des batteries, qui est déclenché par deux raisons principales : 1. le problème interne des batteries au lithium, par exemple, le court-circuit interne dû à l'usure de la batterie.

3.2 Topologie électrique du stockage de l'énergie

1. le problème interne des batteries au lithium, par exemple le court-circuit interne dû à la déficience des matériaux d'électrode, et/ou la formation de lithium dendritique pendant un fonctionnement à long terme. 2. Les raisons externes, par exemple la réaction exothermique irréversible causée par un choc électrique et thermique. Lors de l'intégration des batteries pour former les groupes de batteries, si la sélection du modèle de batteries ne répond pas aux exigences de sécurité, la chaleur incontrôlée est susceptible de se produire en raison de la faible tolérance à la turbulence de la température pendant le processus de charge-décharge. Actuellement, la base de test de sécurité des batteries au lithium pour le stockage de l'énergie est la norme GB/T36276, la norme nationale a officiellement débuté en janvier 2019. La différence de cette norme nationale, par rapport à la norme précédente des batteries au lithium comme source d'énergie des véhicules, est la nouvelle exigence technique de gestion de la chaleur et la performance de sécurité associée. On ne sait pas si les batteries sélectionnées dans les groupes de batteries accidentelles sont conformes à la norme GB/T36276. Si elles ne répondent pas aux exigences de la norme GB/T36276, un risque pour la sécurité est prévu.

La topologie électrique du projet est une structure de réseau de distribution CC. Le groupe de batteries a été connecté aux piles de charge haute puissance et au système photovoltaïque par le biais de convertisseurs CC/CC basés sur un bus CC partagé. Les risques de sécurité de ce type de topologie électrique sont :

(1) Lorsque les performances des différents groupes de batteries ne sont pas uniformes, une circulation de courant peut se former pendant le fonctionnement. Lorsque le courant circulant est important, une surcharge se produit sur un seul groupe de batteries, accélérant le vieillissement et la dégradation des groupes de batteries.

(2) Lorsqu'un court-circuit se produit sur le bus CC, le courant de court-circuit se déplace vers les groupes de batteries à travers le bus CC. Ce courant élevé de court-circuit instantané peut entraîner une augmentation significative de la température à l'intérieur des batteries, avec pour conséquence un incendie.

(3) En raison des exigences d'isolation plus élevées pour le bus CC, la déficience des matériaux d'isolation peut provoquer une étincelle d'arc. Comme le courant continu n'a pas de point de passage à zéro, l'étincelle d'arc est difficile à éteindre.

Par conséquent, il est plus facile pour l'étincelle d'arc à haute température d'enflammer les batteries et les câbles.

(4) Les interrupteurs CC sont plus compliqués et l'étincelle d'arc dans les interrupteurs CC est plus difficile à éteindre que celle des interrupteurs CA. Le temps d'extinction des interrupteurs CC est plus long et les interrupteurs CC sont plus chers. Dans certains projets, des interrupteurs DC coûteux ont parfois été remplacés par des interrupteurs AC bon marché. Lorsque des interrupteurs CA ont été utilisés dans des systèmes CC, ces interrupteurs CA peuvent ne pas être désactivés en cas d'accident de surcharge, ce qui entraîne un risque pour la sécurité.

(5) L'absence de mesures d'isolation électrique adéquates pour les équipements électroniques de puissance dans la distribution CC. Si le travail de mise à la terre dans le système de distribution de courant continu n'est pas correctement géré, des problèmes de circulation électromagnétique peuvent facilement provoquer un courant de fuite lorsque le système fonctionne. La chaleur accumulée due au courant de fuite dans les armoires de batteries, les câbles, etc. peut provoquer des températures locales élevées, entraînant un risque d'incendie des batteries.

(6) D'après la scène, l'incendie s'est d'abord produit dans la zone sud. L'explosion soudaine dans la zone nord s'est produite sans avertissement pendant que les pompiers s'occupaient de l'accident dans la zone sud. Dans cette situation, la raison peut être le bus CC partagé dans les zones nord et sud. Lorsqu'un accident se produit dans la zone sud, le bus CC de la zone sud est court-circuité. Cependant, comme le système de protection CC n'a pas réussi à détecter le courant de court-circuit, le système de protection CC n'a pas pris de mesures. Ainsi, les batteries de la zone nord ont été surdéchargées instantanément et le courant a augmenté, provoquant l'accident. 3.3 Système de gestion des batteries

Outre les cellules de batterie, les systèmes de stockage d'énergie par batterie comprennent également le BMS, le PCS, les transformateurs et les équipements de protection de relais associés, les équipements de communication et une série d'équipements primaires et secondaires. Ces équipements peuvent directement ou indirectement causer des problèmes de sécurité dans le système de stockage d'énergie.

3.4 Disposition des câbles et des fils

3.5 Conception de la protection incendie de la centrale

Système de stockage en raison de défauts de qualité, de processus d'installation et de mise en service irréguliers, de réglages déraisonnables et d'une isolation insuffisante. Le 7 mars 2017, un accident d'incendie s'est produit dans le système de stockage d'énergie par batterie au lithium d'une centrale électrique de la province de Shanxi, en Chine. Selon le rapport d'enquête, il est déterminé que la cause de l'accident d'incendie du système de stockage d'énergie est la tension et le courant excessifs causés par l'effet de surtension pendant le processus de récupération et de démarrage du système, et il n'est pas protégé efficacement par le système BMS. Le système de gestion de la batterie peut avoir un long cycle de collecte de données et un réglage de seuil déraisonnable. Le processus de charge et de décharge exacerbe le risque de batterie hors de contrôle.

D'après les informations publiques, les câbles de ce projet ont été posés par des ponts tubulaires, qui étaient proches de la distance de sécurité de l'armoire de la batterie. Si le circuit ci-dessus est court-circuité, le câble brûlera ou explosera, ce qui provoquera facilement une réaction en chaîne, entraînant un incendie ou une explosion de la batterie.

Le faisceau de câblage du module de batterie est également à l'origine de l'accident. Si tous les faisceaux de câblage ne sont pas ignifugés, ou si le faisceau de câblage de collecte et le faisceau de câblage de communication ne sont pas clairement distingués, il est facile de provoquer des interférences entre les faisceaux de câblage et de provoquer des informations inexactes du système de gestion de la batterie. Lorsqu'un accident se produit, s'il n'est pas traité à temps, le faisceau de câblage n'est pas ignifugé, et il est facile de devenir une source inflammable.

Après une défaillance thermique de la batterie lithium-ion, d'une part, il y aura un fort choc thermique sur les batteries environnantes. D'autre part, la perte de contrôle thermique de la batterie va générer une grande quantité de gaz combustible alcane. Sous l'effet d'un choc électrique externe causé par un court-circuit de la charge externe, d'un choc thermique après une défaillance thermique de la batterie, etc.

3.6 Système de surveillance, d'alarme et d'extinction d'incendie de la centrale électrique et eau d'incendie

Le système de stockage d'énergie ne dispose pas de mesures de protection efficaces, il peut provoquer l'expansion des accidents de batterie. Si le dispositif de stockage d'énergie est disposé à l'intérieur, lorsque le gaz inflammable atteint une certaine concentration, il explosera en cas de feu nu, et la situation la plus grave est l'accident d'explosion en chaîne.

Selon la description faite par les médias, le projet comporte deux sous-stations, une principale et une annexe. L'extrémité connectée au réseau passait par le câble après le bus DC du côté basse tension. Lorsque le court-circuit s'est produit, les pompiers se sont déjà rendus sur place. Le système de stockage d'énergie par batterie n'étant pas isolé, l'explosion s'est produite juste au moment où les pompiers sont arrivés (à 13h30, c'est l'heure de la décharge). On en déduit que la conception de la protection incendie de la centrale est insuffisante. La conception de la protection contre les incendies sur le site ne comporte pas de pare-feu, manque d'installations d'isolation et d'absorption d'énergie, et ne joue pas un rôle de protection efficace en cas d'explosion des batteries de stockage d'énergie.

D'après la situation sur le site, une explosion s'est produite dans la zone nord. D'après ce phénomène, elle peut être due à la température élevée générée par l'incendie dans la zone sud. La soupape de décharge de la batterie du système de stockage d'énergie dans la zone nord a été ouverte pour libérer le gaz inflammable généré par la décomposition de l'électrolyte, ce qui a entraîné une déflagration. Il se peut qu'il y ait un manque de dispositifs de détection de gaz inflammables ou une défaillance des dispositifs de détection, ne détectant pas efficacement les gaz inflammables et ne donnant pas d'alerte en temps utile, ce qui a entraîné une explosion. La grande propagation de l'incendie de la centrale de stockage d'énergie indique que le système de lutte contre l'incendie sur le site n'a pas réussi à contrôler l'incendie dès le début, et que le dispositif d'extinction manuel installé sur le site ne peut pas fonctionner, ce qui ne répond pas aux besoins d'extinction des centrales de stockage d'énergie à batterie lithium-ion.

3.7 Facteurs environnementaux météorologiques

3.8 Système d'exploitation et de gestion du personnel sur le site

D'après les images de l'accident, lorsque les pompiers ont utilisé de l'eau pour éteindre l'incendie du système de stockage d'énergie dans la zone sud, une explosion s'est soudainement produite dans la zone nord. En raison de la faible distance entre les zones sud et nord, l'eau d'extinction peut toucher le système de stockage d'énergie de la zone nord lorsqu'elle arrose la zone sud. Le système de stockage d'énergie étant un corps chargé à haute tension, la pulvérisation d'eau peut provoquer un court-circuit entre le corps chargé et les câbles et provoquer un incendie ou un accident électrique prolongé. Par conséquent, au stade initial de l'incendie du système de stockage d'énergie, lorsqu'un grand nombre de batteries de stockage d'énergie n'ont pas été touchées, l'utilisation de l'eau comme moyen d'extinction des incendies doit encore être examinée attentivement.

Le rapport d'enquête et d'analyse sur les accidents d'incendie dans les centrales électriques à accumulation d'énergie en Corée du Sud montre que les facteurs environnementaux sont les causes possibles des incendies dans les systèmes de stockage d'énergie. Le 15 avril, Pékin a émis une alerte jaune aux coups de vent, une alerte bleue à la poussière de sable et une alerte orange aux feux de forêt. L'environnement météorologique de vent fort et de poussière de sable peut provoquer une accumulation de poussière dans le système de stockage d'énergie. D'une part, cela ne favorise pas la dissipation de la chaleur du système de stockage d'énergie et augmente la température de fonctionnement du système. D'autre part, la présence de sable et de poussière aura un effet négatif sur l'isolation du système. Une défaillance de l'isolation peut facilement provoquer une panne électrique de l'équipement électrique et une température locale élevée, ce qui induira une défaillance thermique des batteries de stockage d'énergie.

Selon les médias, lorsque l'accident de la centrale de stockage d'énergie s'est produit, des travailleurs étaient présents sur le site pour déboguer le système de stockage d'énergie. Le système de stockage d'énergie est un système à haute tension et à haute énergie vive. Il y a beaucoup de câbles et de fils sur le site de construction et sur le site de mise en service. Si l'opération est incorrecte ou si le site n'est pas géré correctement, des problèmes de sécurité sont susceptibles de se produire. Depuis le corps de la batterie, l'intégration, l'ingénierie

de la batterie, de l'intégration, de l'ingénierie, de la conception, de la construction, de l'exploitation et de l'entretien, et ainsi de suite, il existe actuellement des normes pertinentes. Si elles ne sont pas mises en œuvre conformément aux normes, des problèmes tels que des opérations irrégulières sur le terrain, un manque de supervision et une compréhension insuffisante des opérateurs se produiront, ce qui peut entraîner de graves conséquences sur la sécurité.

4. Suggestions de travaux futurs

(1) Renforcer la gestion de la sécurité des opérations et améliorer le système de supervision technique de la centrale de stockage d'énergie en fonctionnement. Clarifier les responsabilités de gestion et les entités responsables. Compte tenu des dangers cachés des différents types d'accidents liés au stockage de l'énergie, désigner des plans d'urgence en cas de défaillance et des mesures de protection contre les incendies pour assurer la sécurité du personnel et des biens.

(2) Renforcer l'application des normes relatives aux technologies de stockage de l'énergie, mettre en place un système de gestion de la qualité pour la construction, l'exploitation et la maintenance du stockage de l'énergie, appliquer les exigences des normes pertinentes à tous les aspects de la supervision des technologies de stockage de l'énergie, et assurer la sécurité et la fiabilité des équipements de stockage de l'énergie connectés au réseau.

(3) Accélérer la construction de plateformes de simulation de défaillance et d'incendie pour les systèmes de stockage d'énergie de grande capacité, mener des recherches sur le mécanisme d'évolution de l'incendie et le contrôle préventif des systèmes de stockage d'énergie, construire un système d'évaluation du niveau de risque d'incendie et de protection des systèmes de stockage d'énergie, vérifier et améliorer l'adaptation du système de sécurité du stockage d'énergie à différents environnements.

(4) Renforcer la recherche sur les technologies de sécurité du stockage de l'énergie, étudier les technologies de sécurité des systèmes de stockage de l'énergie dans leur application sur le cycle de vie, étudier les technologies de perception et de diagnostic en ligne de l'état de sécurité des systèmes de stockage de l'énergie, étudier les technologies d'alerte précoce de sécurité des centrales de stockage de l'énergie, de retardement des flammes, d'isolation thermique, de lutte contre les incendies, etc. Prendre des mesures pratiques et efficaces pour accélérer la vulgarisation et l'application des nouvelles réalisations technologiques.