An toàn trong hệ thống BESS: Các tiêu chuẩn và biện pháp giảm thiểu nguy cơ cháy nổ 

An toàn là nguyên tắc cốt lõi trong mọi công trình, không ngoại trừ hệ thống lưu trữ năng lượng BESS, nhất là khi nguy cơ cháy nổ ở BESS luôn thường trực và việc dập tắt đám cháy từ pin lưu trữ không hề đơn giản. Bởi vậy, hệ thống BESS luôn phải tuân thủ và đáp ứng những tiêu chuẩn và quy định an toàn khắt khe nhất, đi kèm là các biện pháp giảm thiểu nguy cơ cháy nổ đặc thù. Theo dõi bài viết sau của chúng tôi để tìm hiểu về yếu tố an toàn trong hệ thống lưu trữ năng lượng BESS. 

Rủi ro của BESS là gì?

Bản thân BESS không tạo ra năng lượng mà là một hệ thống lưu trữ năng lượng từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó có năng lượng tái tạo. Do đó, BESS đáp ứng được nhu cầu thu thập điện năng từ lưới, nhà máy điện hoặc các nguồn khác, giữ lại và giải phóng khi có yêu cầu. Tuy nhiên, vấn đề an toàn vẫn là thách thức đáng kể khi triển khai hệ thống BESS quy mô lớn, trong đó đáng quan ngại nhất là nguy cơ cháy nổ diện rộng liên quan đến hóa chất điện phân trong pin. 

Cháy nổ

Nguy cơ cháy nổ trong BESS thường là kết quả của hiện tượng thoát nhiệt (thermal runaway) trong cell pin, gây ra sự gia tăng đột biến của nhiệt độ và áp suất. Hiểu đơn giản, nếu nhiệt sinh ra trong 1 cell pin vượt quá khả năng tản nhiệt sẽ kéo theo hiệu ứng dây chuyền sang các cell pin lân cận khiến nhiệt độ hệ thống gia tăng mất kiểm soát. Khi cell pin quá nhiệt, chất điện phân bên trong sẽ bị phân hủy, giải phóng khí dễ cháy và đẩy nhanh phản ứng cháy, thậm chí là nổ.

Các tác nhân gây ra hiện tượng thoát nhiệt ở cell pin có thể kể đến: 

• Sạc quá mức: Nhiệt độ tích tụ bên trong, gặp hệ thống tản nhiệt có vấn đề hoặc quá tải có thể khiến pin quá nhiệt, nhất là dòng pin lithium-ion. 
• Đoản mạch: Lỗi trong thiết kế pin hoặc hư hỏng linh kiện bên trong gây ra các đường dây điện bất thường. 
• Hỏng hóc cơ học: Khi cell pin bị thủng hoặc nén quá mức có thể làm giảm tính toàn vẹn của pin, khiến pin không vận hành theo cách thông thường. 
• Yếu tố môi trường: Khi cell pin tiếp xúc với nguồn nhiệt bên ngoài (nhiệt độ môi trường cao, lửa) đều có thể gia tăng tình trạng tích tụ nhiệt bên trong bộ pin. 

Đáng nói, các phương pháp chữa cháy truyền thống như phun nước thông thường không đủ để ngăn chặn đám cháy cell pin mà đòi hỏi phải có hóa chất chuyên dụng hoặc can thiệp kéo dài mới có thể dập tắt hoàn toàn hỏa hoạn trong hệ thống BESS. Một đám cháy từ pin lithium có thể kéo dài hàng giờ đến vài ngày, thậm chí có khả năng bắt lửa và tái cháy trở lại sau nhiều ngày, nhiều tuần. Điển hình có thể kể đến vụ cháy nhà máy pin lưu trữ lớn nhất thế giới - Moss Landing của Công ty Vistra Energy ở Bắc California (Mỹ) hôm 16/1 khiến 1.500 người dân phải sơ tán. 

Vì vậy, cháy nổ đã trở thành mối đe dọa lớn nhất khiến các đầu tư e ngại về hệ thống lưu trữ năng lượng. 

Phát tán hóa chất

Hóa chất trong pin lưu trữ BESS có thể được giải phóng trong quá trình hỏa hoạn, không chỉ gây nổ mà còn có khả năng gây ô nhiễm nguồn nước, đất và ảnh hưởng đến sức khỏe người vận hành. 

Ví dụ như pin lithium, khi cháy sẽ giải phóng hydro florua (HF), dao động từ 20 - 200mg/Wh năng lượng. HF có đặc tính ăn mòn, có thể gây tổn thương phổi khi hít phải. Việc sử dụng sương nước để dập tắt lửa từ pin lithium có tác dụng chữa cháy nhưng ngược lại, càng có nguy cơ làm gia tăng lượng HF phát tán ra không khí. 

Nhiệt lượng cao

Pin BESS khi cháy tạo ra nhiệt lượng rất cao và lan truyền nhanh chóng. Với hệ thống BESS lắp đặt trong các khu dân cư hoặc nội đô thành phố lớn, nhiệt lượng này có thể gây cháy lan sang khu vực xung quanh, khiến việc dập lửa trở nên khó khăn. 

Năng lượng bị mắc kẹt

Khi pin BESS bị hỏng, năng lượng vẫn được lưu trữ trong pin. Nếu không được xử lý đúng cách, nguồn năng lượng bị mắc kẹt này rất dễ gây điện giật, bỏng điện cho người sử dụng; đi kèm là nguy cơ khiến đám cháy bùng phát trở lại. Vì vậy, chỉ có những chuyên gia, nhân viên có trình độ, được đào tạo khắt khe mới được đảm nhận công việc bảo trì, sửa chữa hệ thống pin lưu trữ. 

Tiêu chuẩn an toàn áp dụng cho hệ thống lưu trữ năng lượng BESS

Có nhiều tiêu chuẩn an toàn áp dụng cho hệ thống BESS, dựa trên các cuộc đánh giá rủi ro dưới dạng phân tích chế độ hư hỏng và tác động thiết kế (DFMEA). 

Tiêu chuẩn an toàn của pin

• IEC 62619: Tiêu chuẩn an toàn về pin lithium trong hệ thống công nghiệp. 
• UL 1973: Tiêu chuẩn áp dụng cho các module pin trong hệ thống lưu trữ tĩnh. 
• UL 9540: Tiêu chuẩn chung cho hệ thống lưu trữ năng lượng áp dụng tại Bắc Mỹ, bao gồm yêu cầu đầy đủ về an toàn điện, nhiệt, phòng cháy và độ tin cậy của hệ thống. 
• UL 9540A: Cung cấp phương pháp thử nghiệm để đánh giá rủi ro cháy lan do hiện tượng thoát nhiệt trong BESS.  

Tiêu chuẩn tích hợp lưới điện

• IEEE 1547: Tiêu chuẩn quy định các yêu cầu kết nối cho nguồn điện phân tán (DER), trong đó có hệ thống lưu trữ với lưới điện phân phối. 
• IEC 62933: Bộ tiêu chuẩn hướng dẫn an toàn cho BESS khi tích hợp lưới điện. 

Tiêu chuẩn vận hành và quản lý năng lượng

• ISO 50001: Tiêu chuẩn giúp doanh nghiệp tối ưu hiệu quả trong vận hành hệ thống BESS. 
• IEC 61508: Hướng dẫn về cách đảm bảo an toàn chức năng khi thiết kế hệ điều khiển BESS.

Tiêu chuẩn khác

• NFPA 855: Tiêu chuẩn phòng cháy chữa cháy quan trọng quy định về thiết kế, lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng. 
• IEC 61000: Tiêu chuẩn về tương thích điện từ (EMC) cho BESS trong môi trường điện công nghiệp. 
• IEC 60255: Tiêu chuẩn về rơ le bảo vệ. 
• IEC 61850: Tiêu chuẩn truyền thông trong trạm điện khi tích hợp BESS vào hệ thống tự động hóa lưới điện. 

Xem thêm: Hệ thống BESS tại Việt Nam: Thực trạng và những thách thức

Giải pháp giảm thiểu nguy cơ cháy nổ cho hệ thống BESS

Giải pháp tức thời

Đây là biện pháp xử lý trong trường hợp hệ thống lưu trữ năng lượng BESS xảy ra cháy nổ. Đa phần hệ thống BESS hiện nay sử dụng pin lithium-ion - loại pin có khả năng bắt lửa và tái phát đám cháy, vì vậy, xử lý đám cháy của pin lưu trữ không thể áp dụng phương pháp chữa cháy thông thường mà cần công nghệ phức tạp hơn. 

Cụ thể, sau khi cắt nguồn điện kết nối với ắc quy, cần làm mát hệ thống BESS bằng nước ngay lập tức. Nước có thể hấp thụ nhiệt và làm chậm quá trình cháy lan của lửa. Cách tốt nhất là sử dụng hệ thống phun sương nước chuyên dụng phun trực tiếp lên các ô pin để ngăn lửa cháy lan sang các cell pin khác. Một công nghệ tiên tiến khác cũng đang được áp dụng tại nhiều hệ thống pin lưu trữ là sử dụng hệ thống chữa cháy bằng khí dung ngưng tụ giúp giảm nhanh chóng lượng oxy trong môi trường kín (xuống 18%), rút ngắn thời gian dập tắt đám cháy và chống lại sự bùng phát của ngọn lửa nhờ đặc tính loại bỏ nhiệt từ bên trong cell pin. 

Với các đám cháy nhỏ hơn, bình chữa cháy gốc nước được các chuyên gia khuyến khích sử dụng. Không giống bình chữa cháy khô, bình chữa cháy gốc nước có tác dụng triệt để trong việc ngăn chặn đám cháy từ pin BESS bùng phát trở lại. Nếu không có sẵn bình chữa cháy, có thể dùng cát hoặc khăn ướt để làm chậm quá trình cháy lan và hạ nhiệt cho pin. Tuy nhiên, biện pháp này chỉ được áp dụng với các module pin BESS loại nhỏ. 

Giải pháp lâu dài

NFPA 855 của Hiệp hội Phòng cháy chữa cháy Quốc gia được coi là tiêu chuẩn bắt buộc đối với tất cả các hệ thống BESS xây mới. Tiêu chuẩn này quy định cụ thể về tất cả các khía cạnh liên quan đến thiết kế, xây dựng, vận hành và bảo trì BESS, trong đó, có 1 số quy định quan trọng: 

• Với hệ thống lưu trữ lên đến 600kWh, mật độ thiết kế phải đảm bảo 0,3 Gpm/sqft trên diện tích 2.500 sqft, trong đó nhóm pin <50kWh phải đặt cách nhau 3 feet (0,91m). 
• Module/ container chứa pin BESS lắp đặt tại các tòa nhà phải được bố trí cách tường ngoài hoặc mái hiên gần nhất tối thiểu 25 feet (7,62m) và không thẳng hàng với bất kỳ cửa sổ, cửa ra vào và lỗ thông hơi nào của tòa nhà theo chiều ngang, cách mép của thùng chứa pin 25 feet.
• Thùng chứa pin BESS phải cách tối thiểu 10 feet (3,048m) với các thùng chứa pin thuộc hệ thống khác. 
• Trường hợp hệ thống pin lưu trữ BESS đặt tại các kho liền kề hoặc gần tòa nhà quan trọng, cần gia cố tường bảo vệ để đáp ứng được khả năng chống cháy trong 2 giờ. 

Ngoài ra, các hệ thống thông gió, bảo vệ khác của BESS cũng cần đáp ứng các tiêu chuẩn nhất định. 

• Hệ thống thông gió: BESS khi được lắp đặt tại khu vực kín hoặc các thùng chứa nơi khí dễ cháy có thể vượt quá 25% giới hạn cháy dưới (LFL) phải được bảo vệ bằng hệ thống thông gió có khả năng dập cháy hoặc chống cháy nổ theo Tiêu chuẩn NFPA 69 về Hệ thống phòng chống cháy nổ và Tiêu chuẩn NFPA 68 về Bảo vệ chống cháy nổ bằng hệ thống thông gió chống cháy nổ. 
• Hệ thống phun nước: Cân nhắc bảo vệ thiết bị BESS công suất lớn bằng hệ thống phun nước chữa cháy tự động để hạn chế hiện tượng quá nhiệt của pin. Trường hợp không thể trang bị hệ thống phun nước, BESS cũng có thể được bảo vệ bằng hệ thống chữa cháy tác nhân sạch không để lại cặn sau khi bay hơi (như khí trơ, Novec 1230, FM200) để làm giảm nồng độ oxy xuống mức không đủ duy trì đám cháy nhưng vẫn an toàn cho con người khi hít phải.
• Hệ thống phát hiện, cảnh báo sớm: Trang bị hệ thống phát hiện khí liên tục bên trong vỏ bọc của hệ thống BESS giúp kích hoạt hệ thống xả cơ học khi phát hiện khí metan, benzen, etan, etilen, hydro sunfua và carbon monoxide - những khí thải phổ biến có thể được giải phóng từ hiện tượng mất kiểm soát nhiệt trong pin. Với các hệ thống BESS quy mô lớn, có thể tích hợp tính năng phát hiện khói và lửa theo tiêu chuẩn NFPA 72. 

Trường hợp nhà đầu tư muốn gia cố thêm tính năng an toàn cho hệ thống BESS từ bên trong có thể áp dụng một số công nghệ tiến tiến như: 

• Công nghệ ngâm Immersion: Các cell pin sẽ được nhúng vào dung dịch điện môi không bắt lửa, không ăn mòn, qua đó có thể duy trì nhiệt độ hoạt động tối ưu và hạn chế hiện tượng thoát nhiệt. 
• Hệ thống chữa cháy toàn diện bằng khí dung: Sử dụng chất chữa cháy dạng khí dung ngưng tụ để hạn chế sự lan truyền của mất kiểm soát nhiệt, dập tắt nhanh chóng đám cháy và bảo vệ chống lại sự bùng phát của lửa mà không làm hỏng hóc các thành phần điện tử quan trọng như phương pháp chữa cháy bằng nước.  

Đọc thêm: AC Coupled và DC Coupled trong hệ thống điện mặt trời: Lựa chọn nào tối ưu hơn?

Câu hỏi thường gặp về an toàn trong hệ thống BESS

Câu hỏi 1: Tại sao đám cháy pin lithium lại khó dập tắt?

Trả lời: Pin lithium khi quá nhiệt có thể giải phóng khí dễ cháy, khiến đám cháy lan nhanh sang các cell pin lân cận và bùng phát trở lại cả khi đám cháy đã được dập tắt nhiều ngày. Hơn nữa, các cell pin trong hệ thống BESS thường được đặt trong vỏ kim loại bảo vệ bên trong các tủ rack lớn. Thiết kế nhiều tầng như vậy giúp bảo vệ cell pin nhưng cũng ngăn nước tiếp cận ổ lửa. Vì vậy, cần có công cụ và biện pháp chuyên dụng mới có thể kiểm soát đám cháy của loại pin này. 

Câu hỏi 2: Có thể sử dụng bình chữa cháy thông thường để dập tắt đám cháy trong hệ thống BESS không?

Trả lời: Không. Bình chữa cháy thông thường không có hiệu quả triệt để với đám cháy dạng này. Tốt nhất là nên sử dụng bình chữa cháy gốc nước hoặc công nghệ chữa cháy chuyên dụng khác. 

Câu hỏi 3: Chất chữa cháy nào hiệu quả nhất với đám cháy của pin BESS?

Trả lời: Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng, nước là tác nhân hạ nhiệt hiệu quả nhất cho hệ thống pin lưu trữ. Do đó, Tiêu chuẩn NFPA 855 đã yêu cầu hệ thống phun nước trong BESS phải được thiết kế theo tiêu chuẩn NFPA 13.