Các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin công suất lớn đang ngày càng được triển khai rộng rãi để hỗ trợ vận hành lưới điện và thúc đẩy quá trình chuyển dịch năng lượng. Tuy nhiên, việc tập trung một lượng năng lượng lớn trong không gian tương đối nhỏ cũng làm phát sinh những rủi ro đáng kể về nhiệt, cháy và nổ. Những sự cố này bắt nguồn từ đâu và phát triển như thế nào bên trong BESS?

Trong phần đầu của loạt bài về an toàn cháy nổ trong BESS, ban biên tập technologyMAG chia sẻ nội dung từ một video của kênh Gaurav J – TheElectricalGuy, tập trung vào các nguyên nhân chính gây cháy, cơ chế hình thành hiện tượng mất kiểm soát nhiệt và những dấu hiệu nhận biết qua từng giai đoạn của sự cố.

Vì sao an toàn cháy nổ là vấn đề quan trọng đối với BESS?
Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin, thường được gọi là BESS (Battery Energy Storage System), đang trở thành một thành phần quan trọng của hạ tầng năng lượng hiện đại. Các dự án BESS hiện được triển khai tại nhiều khu vực trên thế giới nhằm lưu trữ điện năng, hỗ trợ cân bằng cung cầu và nâng cao khả năng tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo.

Hình minh họa được tạo bởi AI

Có thể hình dung BESS như một bộ sạc dự phòng có quy mô đủ lớn để phục vụ lưới điện. Tuy nhiên, điểm khác biệt quan trọng là hệ thống này tập trung một lượng năng lượng rất lớn trong một không gian tương đối nhỏ. Mật độ năng lượng cao giúp BESS trở nên hữu ích, nhưng đồng thời cũng tạo ra những rủi ro đáng kể về nhiệt, cháy và nổ.

An toàn cháy nổ là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu khi triển khai BESS, nhưng những rủi ro liên quan vẫn chưa được nhận thức đầy đủ. Nhiều người cho rằng hệ thống quản lý pin kết hợp với hệ thống chữa cháy đã đủ để bảo vệ BESS. Tuy nhiên, trên thực tế, hai thành phần này chỉ đảm nhiệm một phần chức năng và chưa thể tạo nên một giải pháp an toàn toàn diện.

Để xây dựng chiến lược an toàn phù hợp, cần hiểu rõ nguồn gốc của đám cháy, quá trình phát triển của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, những dấu hiệu cảnh báo sớm và giới hạn thực tế của từng công nghệ phát hiện hoặc chữa cháy.

Hai nhóm nguyên nhân chính gây cháy trong BESS
Rủi ro cháy bên trong khoang hoặc container BESS có thể được chia thành hai nhóm chính. Nhóm thứ nhất là đám cháy bắt nguồn từ bên trong tế bào pin. Nguyên nhân có thể là từ lỗi bên trong tế bào, sạc quá mức, xả quá mức hoặc hư hỏng cơ học làm tế bào hoạt động bất thường.

Nhóm thứ hai là đám cháy bắt nguồn từ bên ngoài tế bào pin, tại các thiết bị thuộc hệ thống phụ trợ. Nhiệt lượng từ đám cháy bên ngoài có thể truyền sang pin, làm nhiệt độ tế bào tăng lên và cuối cùng kích hoạt hiện tượng mất kiểm soát nhiệt.

Một container BESS không chỉ chứa các mô-đun hoặc giá pin mà còn có nhiều thành phần điện, điện tử và cơ khí. Thiết bị đóng cắt điện, hệ thống điều hòa không khí, hệ thống thông gió, bộ chuyển đổi công suất và các thiết bị phụ trợ khác đều có thể gặp sự cố và trở thành nguồn phát sinh cháy.

Các kết quả điều tra từ tám sự cố cháy lớn trước đây cho thấy chỉ có hai vụ liên quan đến đám cháy bắt nguồn từ bên trong pin. Trong sáu vụ còn lại, nguyên nhân cháy xuất hiện ở bên ngoài pin, sau đó lan sang pin và gây mất kiểm soát nhiệt. Dữ liệu này cho thấy chiến lược an toàn không thể chỉ tập trung vào tế bào hoặc cụm pin mà phải bao quát toàn bộ thiết bị trong container BESS.

Hiện tượng mất kiểm soát nhiệt là gì?
Để hiểu hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, trước hết cần xem xét tam giác cháy. Một đám cháy chỉ có thể hình thành và tiếp tục phát triển khi đồng thời tồn tại ba yếu tố là nhiên liệu, nguồn nhiệt và oxy. Nếu loại bỏ được một trong ba yếu tố này, quá trình cháy sẽ bị gián đoạn.

Mất kiểm soát nhiệt không phải là một thuật ngữ chỉ được sử dụng trong lĩnh vực pin. Hiện tượng tương tự cũng có thể xảy ra trong transistor(1). Khi transistor nóng lên, dòng điện chạy qua linh kiện có thể tăng. Dòng điện tăng tiếp tục làm nhiệt độ tăng cao hơn, sau đó nhiệt độ cao lại khiến dòng điện tiếp tục tăng. Chuỗi phản ứng này cuối cùng có thể làm transistor bị hỏng.
(1) Transistor là linh kiện bán dẫn dùng để khuếch đại hoặc đóng ngắt tín hiệu điện, được xem là một thành phần cơ bản trong hầu hết thiết bị điện tử hiện đại.

Trong pin, một sự cố xảy ra bên trong tế bào có thể làm nhiệt độ tăng lên. Nhiệt độ cao gây ra những phản ứng và hư hỏng tiếp theo trong cấu trúc pin, từ đó tạo thêm nhiệt. Quá trình này tiếp tục tự khuếch đại và hình thành một phản ứng dây chuyền được gọi là mất kiểm soát nhiệt.

Đối chiếu với tam giác cháy, việc loại bỏ nguồn nhiệt trong trường hợp này đặc biệt khó khăn vì các phản ứng bên trong pin mang tính tỏa nhiệt. Khi quá trình đã bắt đầu, pin có thể tự tạo ra nhiệt mà không cần nguồn nhiệt bên ngoài.

Việc loại bỏ nhiên liệu cũng không đơn giản vì pin chứa chất điện phân, nhiều thành phần nhựa và các vật liệu dễ cháy khác. Khó khăn lớn nhất nằm ở việc loại bỏ oxy. Trong phần lớn các phương pháp chữa cháy, người ta thường cố gắng làm giảm nhiệt độ hoặc ngăn oxy tiếp xúc với nhiên liệu. Tuy nhiên, khi pin lithium-ion bị nung nóng, thành phần hóa học của cực dương có thể tự giải phóng oxy.

Khi đám cháy đã phát triển hoàn toàn, bên trong pin đồng thời tồn tại nhiên liệu, nhiệt do phản ứng tự sinh ra và oxy được giải phóng từ vật liệu pin. Vì cả ba yếu tố của tam giác cháy đều có sẵn nên phản ứng có thể tiếp tục ngay cả khi bộ pin đang cháy được ngâm trong nước.

Đặc điểm này khiến mất kiểm soát nhiệt trở thành một trong những mối nguy hiểm nghiêm trọng nhất đối với hệ thống pin. Vì vậy, trọng tâm của công tác an toàn phải là ngăn chặn những điều kiện có thể kích hoạt hiện tượng này hoặc phát hiện sự cố ngay từ giai đoạn khởi phát.

Mất kiểm soát nhiệt không chỉ xảy ra ở pin lithium-ion
Mất kiểm soát nhiệt thường được nhắc đến cùng pin lithium-ion, nhưng hiện tượng này không chỉ giới hạn ở một công nghệ pin duy nhất. Nó cũng có thể xảy ra trong pin axit-chì điều chỉnh bằng van, pin nickel-cadmium, pin nickel-metal hydride và một số công nghệ pin gel mới.

Các sự cố liên quan đến pin lithium-ion được ghi nhận nhiều hơn chủ yếu vì đây là loại pin đang được sử dụng phổ biến. Tình trạng tương tự cũng xuất hiện trong lĩnh vực xe điện, nơi công nghệ lithium-ion vẫn chiếm ưu thế và đã xảy ra nhiều sự cố mất kiểm soát nhiệt.

Rủi ro này không chỉ xuất hiện ở xe điện hoặc trong sản phẩm của các nhà sản xuất địa phương. Nhiều nhà sản xuất pin và BESS trên thế giới cũng từng gặp sự cố tương tự. Đây là một trong những nguyên nhân khiến một số nhà đầu tư vẫn thận trọng khi xem xét các dự án lưu trữ năng lượng bằng pin.

Hình minh họa được tạo bởi AI

Bốn giai đoạn phát triển của sự cố
Mất kiểm soát nhiệt thường không xuất hiện ngay lập tức mà phát triển qua một chuỗi sự kiện. Quá trình xảy ra bên trong một container BESS có thể được chia thành bốn giai đoạn. Việc nhận biết đúng từng giai đoạn có ý nghĩa quan trọng vì khả năng can thiệp và kiểm soát sự cố giảm dần khi sự kiện tiến triển.

Giai đoạn 1: Xuất hiện điều kiện môi trường bất thường
Ở giai đoạn đầu, pin chưa nhất thiết bị hư hỏng, nhưng một số điều kiện môi trường đang thay đổi theo hướng có thể kích hoạt sự cố. Những dấu hiệu cần theo dõi bao gồm điểm nóng bất thường, độ ẩm quá cao hoặc quá thấp, hiện tượng ngưng tụ, sạc quá mức và xả quá mức.

Đây là thời điểm chưa có sự cố rõ ràng bên trong tế bào, nhưng những yếu tố bất lợi đã bắt đầu xuất hiện. Nếu được phát hiện và xử lý sớm, hệ thống có thể ngăn sự kiện tiến triển sang giai đoạn tiếp theo.

Giai đoạn 2: Tế bào hư hỏng và bắt đầu thoát khí
Nếu những điều kiện bất thường tiếp tục tồn tại hoặc trở nên nghiêm trọng hơn, một tế bào pin riêng lẻ có thể bị nứt vỡ hoặc phân rã. Mọi sự cố cháy đều bắt đầu từ quy mô nhỏ và nguyên tắc này cũng áp dụng đối với pin. Một bộ pin được cấu thành từ nhiều tế bào, vì vậy sự kiện mất kiểm soát nhiệt thường khởi phát tại một tế bào riêng lẻ.

Đối với tế bào lithium-ion, chất điện phân dạng lỏng sẽ nóng lên, làm áp suất bên trong tế bào tăng cao. Chất điện phân sau đó hóa hơi và thoát ra ngoài tế bào hoặc bộ pin. Trong hỗn hợp khí thoát ra có một số loại khí đặc trưng có thể được phát hiện bằng cảm biến. Sự xuất hiện của những khí này là dấu hiệu rõ ràng cho thấy tế bào đã gặp sự cố và quá trình mất kiểm soát nhiệt có thể đang bắt đầu.

Một số công nghệ pin còn có thể sinh ra hydro trong quá trình sạc và xả. Pin axit-chì điều chỉnh bằng van là một ví dụ có thể phát thải hydro. Trong khi đó, container BESS thường là một không gian kín và có thể không được thông gió liên tục bằng không khí từ bên ngoài. Khí dễ cháy vì vậy có khả năng tích tụ và gây nguy hiểm nếu xuất hiện tia lửa hoặc sự cố ngắn mạch.

Giai đoạn thoát khí là một trong những thời điểm quan trọng nhất đối với hệ thống cảnh báo sớm. Nếu khí đặc trưng được phát hiện trước khi bắt lửa, đơn vị vận hành vẫn còn cơ hội cách ly, sửa chữa hoặc thay thế bộ pin bị lỗi.

Giai đoạn 3: Nhiệt lan sang các tế bào lân cận
Giai đoạn thứ ba bắt đầu khi một tế bào đã hư hỏng và truyền nhiệt sang các tế bào xung quanh. Sự cố lúc này bắt đầu ảnh hưởng đến khả năng tiếp nhận, lưu trữ hoặc cung cấp năng lượng của bộ pin, làm điện áp suy giảm hoặc gây ra những thông số vận hành bất thường.

Đây thường là thời điểm hệ thống quản lý pin, hay BMS, phát hiện rằng bộ pin đang gặp vấn đề. BMS (2) có thể nhận biết sự sụt giảm điện áp hoặc phát hiện nhiệt độ của một tế bào tăng đột biến.
(2) BMS (Battery Management System) là hệ thống quản lý pin, có nhiệm vụ giám sát và kiểm soát hoạt động của bộ pin thông qua các thông số như điện áp, dòng điện, nhiệt độ và trạng thái sạc.

Mặc dù sự cố đã trở nên nghiêm trọng, giai đoạn ba vẫn là thời điểm có thể can thiệp để kiểm soát sự kiện trong phạm vi một bộ pin hoặc một giá pin. Hệ thống chữa cháy cũng cần được kích hoạt ở giai đoạn này. Nếu không có biện pháp can thiệp phù hợp, nhiệt có thể tiếp tục lan truyền và đẩy hệ thống sang giai đoạn cuối.

Giai đoạn 4: Mất kiểm soát nhiệt hoàn toàn
Ở giai đoạn bốn, chuỗi phản ứng đã phát triển thành mất kiểm soát nhiệt hoàn toàn và có thể dẫn đến cháy hoặc nổ. Khi đó, tế bào pin tự tạo ra nhiệt, giải phóng khí dễ cháy và có thể cung cấp oxy cho phản ứng.

Khả năng ngăn chặn sự cố ở giai đoạn này rất hạn chế. Các biện pháp chữa cháy chủ yếu nhằm làm mát, hạn chế sự lan truyền sang các mô-đun hoặc container khác và bảo vệ khu vực xung quanh. Vì vậy, chiến lược an toàn hiệu quả phải ưu tiên phát hiện sự cố trước khi quá trình bước vào giai đoạn bốn.

Phân biệt phát hiện khí thoát ra và phát hiện khói
Nhiều dự án BESS vẫn dựa chủ yếu vào đầu báo khói để phát hiện sự cố. Tuy nhiên, phát hiện khói và phát hiện khí thoát ra từ tế bào pin là hai lớp bảo vệ khác nhau trên tiến trình phát triển của sự cố.

Khói chỉ xuất hiện khi quá trình cháy đã bắt đầu. Ngược lại, khí từ chất điện phân có thể thoát ra khi tế bào bị hư hỏng nhưng chưa bắt lửa. Vì vậy, phát hiện khí thoát ra có thể cung cấp cảnh báo sớm hơn đáng kể so với phát hiện khói.

Một nghiên cứu do Hải quân Hoa Kỳ công bố đã thử nghiệm khoảng 60 bộ pin. Trong số đó, 18 bộ pin được nung nóng đến mức tế bào giải phóng hơi chất điện phân, nhưng không xảy ra cháy. Kết quả này cho thấy sự kiện thoát khí không phải lúc nào cũng lập tức dẫn đến hỏa hoạn. Tuy nhiên, khí thoát ra vẫn chứng minh rằng tế bào đã xuất hiện khuyết tật, bị nứt vỡ hoặc giải phóng chất điện phân. Sự cố có thể không gây cháy trong ngày hôm đó hoặc ngày tiếp theo, nhưng vẫn cần sự can thiệp của con người. Bộ pin liên quan phải được kiểm tra, sửa chữa hoặc thay thế.

Phát hiện khí thoát ra vì vậy là một trong những chỉ báo rõ ràng nhất về sự hư hỏng của tế bào và nguy cơ mất kiểm soát nhiệt đang hình thành. Trong khi đó, phát hiện khói là bằng chứng cho thấy quá trình cháy đã bắt đầu.

Khói không chỉ có thể xuất phát từ pin mà còn từ các thiết bị phụ trợ như thiết bị đóng cắt, dây dẫn, hệ thống điều hòa hoặc bộ chuyển đổi công suất. Do đó, đầu báo khói vẫn giữ vai trò quan trọng trong việc phát hiện đám cháy bên ngoài pin.

Mặc dù vậy, các đầu báo khói thông thường sử dụng trong tòa nhà thường có độ nhạy tương đối thấp. Mật độ khói phải đủ cao hoặc luồng khói phải lan đến vị trí lắp đặt thì đầu báo mới được kích hoạt. Đối với BESS, việc chờ đến khi lượng khói đạt mức này có thể khiến hệ thống bỏ lỡ khoảng thời gian can thiệp quan trọng.

Một số thiết bị có độ nhạy cao hoạt động bằng cách chủ động hút mẫu không khí và phân tích thành phần của mẫu. Những hệ thống này có thể nhạy hơn khoảng 100 lần so với đầu báo thông thường trong tòa nhà. Khi được lắp đặt trong BESS, chúng có thể cảnh báo sớm đám cháy phát sinh bên trong tế bào hoặc tại các thiết bị điện và điện tử bên ngoài pin.

Hệ thống phát hiện khí thoát ra và hệ thống phát hiện khói vì vậy không thay thế lẫn nhau. Phát hiện khí thoát ra cảnh báo tế bào đã hư hỏng và có nguy cơ tiến tới mất kiểm soát nhiệt, còn phát hiện khói xác nhận rằng một đám cháy đã xuất hiện. Một giải pháp an toàn đầy đủ cần sử dụng cả hai lớp phát hiện.

Vì sao BMS và hệ thống chữa cháy vẫn chưa đủ?
BMS có chức năng theo dõi và quản lý các thông số vận hành của pin. Hệ thống có thể giám sát điện áp, dòng điện, nhiệt độ, trạng thái sạc và nhiều dữ liệu khác nhằm duy trì hoạt động của pin trong giới hạn cho phép.

Trong quá trình xảy ra sự cố, BMS có thể phát hiện nhiệt độ của một tế bào tăng cao hoặc điện áp của bộ pin suy giảm. Tuy nhiên, những dấu hiệu này thường chỉ trở nên rõ ràng khi sự kiện đã tiến đến giai đoạn tương đối muộn. BMS có thể xác định rằng pin đang gặp bất thường nhưng không phải lúc nào cũng có thể khẳng định nguyên nhân là cháy.

Nếu đám cháy bắt nguồn từ thiết bị nằm ngoài bộ pin, BMS có thể không phát hiện được sự cố. Chẳng hạn, một đám cháy phát sinh tại thiết bị đóng cắt điện, hệ thống điều hòa hoặc bộ chuyển đổi công suất có thể tiếp tục phát triển và truyền nhiệt sang pin trong khi dữ liệu bên trong các tế bào chưa thể hiện rõ tình trạng bất thường.

Hệ thống chữa cháy cũng chỉ bắt đầu phát huy tác dụng sau khi đám cháy đã hình thành hoặc khi các điều kiện kích hoạt được đáp ứng. Trong khi đó, phương pháp chữa cháy phù hợp với pin có thể khác với phương pháp dành cho thiết bị điện và điện tử.

Vì vậy, chỉ trang bị BMS và hệ thống chữa cháy không tạo ra một lớp bảo vệ hoàn chỉnh. BESS còn cần hệ thống giám sát môi trường, phát hiện khí thoát ra, phát hiện khói sớm và giám sát toàn bộ thiết bị thuộc hệ thống phụ trợ.

Khả năng BMS ngăn được sự cố khi phát hiện bất thường ở giai đoạn ba phụ thuộc vào điều kiện cụ thể. Trong nghiên cứu gồm 60 bộ pin, khoảng 30% số bộ pin đã thoát khí nhưng không bắt lửa, ngay cả khi các điều kiện gây sự cố được chủ động tạo ra. Vì vậy, không thể khẳng định mọi sự kiện thoát khí đều chắc chắn dẫn đến cháy.

Trong một số trường hợp, BMS có thể phát hiện sự cố đủ sớm để thực hiện biện pháp bảo vệ. Tuy nhiên, cũng có trường hợp một, hai hoặc thậm chí bốn tế bào hư hỏng gần như đồng thời. Khí thoát ra từ các tế bào này có thể bắt lửa ngay khi gặp nguồn nhiệt. Đám cháy khi đó có thể xuất hiện trước khi BMS kịp nhận biết và lan truyền với tốc độ rất nhanh.

Tiếp tục khám phá chuyên đề BESS & Pin trên trang technologyMAG
Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) đang trở thành một trong những công nghệ quan trọng trong quá trình chuyển dịch năng lượng, từ điện mặt trời, điện gió cho đến các ứng dụng công nghiệp và lưới điện hiện đại. Tuy nhiên, đây cũng là lĩnh vực bao gồm nhiều khái niệm, công nghệ và tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau cần được tìm hiểu theo từng bước.

Để giúp độc giả thuận tiện tra cứu và theo dõi toàn bộ chuỗi nội dung, Ban biên tập technologyMAG đã xây dựng Trang tổng hợp chuyên đề BESS & Pin, bao gồm các nhóm bài viết về tổng quan công nghệ, cấu tạo hệ thống, pin lưu trữ, tiêu chuẩn kỹ thuật, ứng dụng thực tế và các xu hướng mới trong ngành.

Tìm hiểu thêm chuyên đề BESS & Pin tại: www.technologymag.net/technologymag-gioi-thieu-loat-tin-bai-chu-de-bess-pin/

Để xem các tin bài khác về “BESS”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Gaurav J – TheElectricalGuy