O Dr. Carlos Ziebert, Chefe do Centro de Calorímetro do IAM-AWP, KIT, explica como a segurança do armazenamento de bateria estacionária para energias renováveis pode ser aumentada pela calorimetria da bateria
Perdas de sistema avaliadas em mais de $ 32 milhões de dólares foram resultantes de 23 incêndios em grandes incêndios de armazenamento estacionário de energia que foram relatados na Coreia do Sul desde agosto de 2017. Portanto, um estudo aprofundado foi realizado por seu comitê de investigação de incêndio. Eles descobriram que a falta de proteção contra choques, práticas de instalação incorretas e incompatibilidade de sistemas de controle eram algumas das causas básicas. No entanto, também o perfil de carga severa comum que carrega as baterias de íons de lítio (LIB) de quase 0% do estado de carga (SOC) a 100% e depois as descarrega novamente na mesma faixa diariamente fez com que o células que sofrem de um alto nível de estresse e envelhecimento acelerado. Isso é comum para sistemas de armazenamento de bateria estacionários acoplados a parques eólicos e solares (v. Fig. 1), que produzem energia renovável altamente flutuante que precisa ser transferida para períodos de maior demanda. Além disso, tais sistemas de armazenamento fornecem serviços de grade diferentes, como deslocamento de pico, redução de pico ou controle de frequência e podem melhorar a eficiência geral do sistema de energia e estabilidade da grade. As baterias solares são os sistemas de armazenamento estacionário baseados em baterias de pequena escala mais comuns. São sistemas fotovoltaicos no telhado de casas de famílias acoplados a um acumulador de bateria no porão, garagem ou sala que permite armazenar o excedente de energia solar para uso posterior.
Portanto, os testes de segurança e envelhecimento estão se tornando cada vez mais importantes para desenvolver estratégias de segurança e sistemas de segurança aprimorados.
Estudos de propagação térmica em calorímetros de bateria
Os testes de segurança são uma das principais atividades do Centro de Calorímetro IAM-AWP que atualmente opera o maior Laboratório de Calorímetro de Bateria da Europa com seis Calorímetros de Taxa de Aceleração (ARCs) de diferentes tamanhos – de moeda a bolsa grande ou formato automotivo prismático (Fig. 2). Esses calorímetros de bateria permitem a avaliação de dados termodinâmicos, térmicos e de segurança para LIB na célula e na embalagem para condições normais e de abuso (térmicas, elétricas, mecânicas).
As chances de uma célula individual falhar e iniciar um incêndio são extremamente pequenas, com 1 em vários milhões. No entanto, grandes sistemas de armazenamento estacionários podem ter 10 milhões ou mais células de íon-lítio confinadas em um pequeno espaço. Se uma das células entrar em fuga térmica e as medidas de segurança implementadas não forem adequadas, um efeito em cascata chamado propagação térmica iniciará um incêndio em grande escala. Isso significa que a fuga térmica se propaga de uma célula para as células vizinhas, eventualmente levando à destruição completa do módulo ou pacote, como pode ser visto na Figura 3.
Uma medida de segurança importante e adequada são barreiras de proteção contra o calor entre as células para evitar que as chamas se espalhem e atrasar a transferência de calor. Os maiores ARCs permitem estudar a propagação térmica descontrolada em pequenas baterias usando a configuração mostrada na Figura 3a). Consiste em uma caixa metálica com tampa, simulando uma caixa de bateria, com o objetivo de desenvolver e qualificar barreiras de proteção térmica adequadas. A fim de iniciar uma fuga térmica de célula única por superaquecimento, um tapete aquecedor é anexado a uma das células. O material de barreira de proteção térmica a ser testado é instalado na frente da última célula à direita e o tempo é medido até que a propagação térmica alcance a última célula. Em nosso laboratório, muitas abordagens de materiais diferentes já foram testadas com o objetivo de encontrar a melhor solução para uma determinada aplicação e tipo de célula. A Figura 3b) demonstra um exemplo típico de uma bateria destruída após um teste de propagação térmica com uma barreira de proteção térmica inadequada.
Observação: este é um perfil comercial
