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Sicurezza dei sistemi BESS: metodologie applicabili e punti di attenzione per la corretta valutazione del rischio

La presentazione si colloca nel contesto di produzione e distribuzione dell'idrogeno rientra nell'ambito della riconversione Power To Gas.

La vera sfida per i gas rinnovabili risiede nei costi e nelle tecnologie disponibili contesto in cui BESS, Battery Energy Storage System, si inserisce come possibile soluzione. Accoppiando gli impianti di produzione di potenza ai BESS, è possibile produrre in modo continuo Idrogeno verde per mezzo dell'idrolisi, ottimizzando il fattore di utilizzo degli impianti.

BESS - Battery Energy Storage System

Un sistema di accumulo a batteria (BESS) è una soluzione complessa che fa uso di batterie ricaricabili per immagazzinare l'energia e rilasciarla in un momento successivo.

I tipi di BESS sono correlati all'elettrochimica o alla batteria che impiegano: i sistemi in analisi sono basati su batterie agli ioni di litio, selezionate per la loro elevata densità di energia. Questi sistemi arrivano a fornire energie dell'ordine di 1 MWh.

Un BESS è realizzato interconnettendo i seguenti componenti:

- Sistema di batterie;
- Battery Management System (BMS);
- Power Control System (PCS);
- Energy Management System (EMS);
- Trasformatori;
- Sistema di ventilazione e antincendio.

Gli incidenti

La tecnologia è nuova, gli incidenti registrati non sono molti, tutti con danni all'asset, solo alcuni con danni alle persone. I più importanti:

- Incidente McMicken (Arizona) avvenuto il 19 Aprile
- Incidente in Sud Korea avvenuto nel Novembre 2019;
- Incidente dell'impianto Victorian Big Battery Australia ) avvenuto il 30 Luglio

Incidente McMicken 19/4/2019

BESS a servizio di un impianto fotovoltaico per bilanciare la potenza prodotta dall'impianto solare: caricava durante il giorno assorbendo l'energia solare prodotta dai panelli dell'impianto e scaricava durante la sera nella fase di carico Massimo.

Fenomenologia dell'incidente

- Fuoco: il fuoco/calore che si genera su una cella si propaga su quelle adiacenti , innescando un processo di abuso termico sulle stesse e ne promuove il thermal runaway.

- Fuoco: la fuoriuscita di fumo testimonia la rottura del separatore, e quindi il collasso degli elettrodi l'uno sull'altro. Questo fenomeno è il segnale definitivo che il thermal runaway è in corso e non più arrestabile.

- Off-gas: la produzione di off gas è il fenomeno di iniziazione del thermal runaway, questo implica il rilascio di gas di reazione e un aumento della pressione interna della cella. Si manifesta il venting o swelling della cella.

- Battery Abuse: Elettrico (I, V, carica); Termico (aumento o diminuzione T); Meccanico (urto)

Thermal Runaway

Il Thermal Runaway è una reazione autocatalitica esotermica. Dato che il calore prodotto è maggiore di quello dissipato, c'è un
aumento incontrollato di pressione e temperatura che porta al rilascio improvviso dell'energia immagazzinata e alla conseguente rottura catastrofica della cella con il conseguente rilascio di vapori tossici e infiammabili.

Questo fenomeno costituisce il vero caposaldo del failure della cella in quanto una volta innescato è difficile da interrompere ed è necessario evitare che il calore si propaghi alle celle adiacenti innescando in esse altre reazioni simili.

Gli Off-Gas

La composizione dei gas prodotti in fase di thermal runaway dipende:

- dallo stato di carica SOC della cella
- dalla chimica della cella

Per esempio le celle di tipo NMC producono una quantità di metano pari al 6.8% molare, e invece le celle LFP ne produco una quantità pari al 4.1% molare.

Valutazione del Rischio: questioni aperte

- E' consolidata l'applicazione di valutazioni "qualitative" durante la progettazione di sistemi BESS basata essenzialmente su Analisi Storiche di incidenti, studi FMECA delle catene di protezione, analisi WhatIf dell'intero sistema

- Più rare le valutazioni quantitative che richiedono ulteriori approfondimenti di ricerca e sperimentali:

- La precisa caratterizzazione dell'evoluzione dell'incidente, caratterizzata da tempi estremamente brevi (fenomeno fortemente dinamico)

- La valutazione accurata del ruolo ed efficacia delle protezioni nel modificare l'evoluzione dell'incidente anche tenendo conto dell'energia stoccata all'interno della cella e del fatto che l'evoluzione della combustione procede anche a spese dell'O2 prodotto dalle reazioni chimiche interne

- Quantitativo di energia che partecipa all'incidente ed estensione del danno per incendio/esplosione

- Quantitativo dei gas tossici prodotti (dalla cella e dalla combustione) ed estensione delle relative aree di danno

L'energia coinvolta nell'incidente

Un ulteriore interrogativo riguarda l'energia rilasciata durante l'incidente e la velocità con cui viene rilasciata che dipende dal numero di celle coinvolte, dalla tipologia (chimica del Litio), dal loro stato di carica e dal loro stato di salute.

Da alcune prove sperimentali si evince che la maggior quantità di energia viene rilasciata con un SOC del 50%, sebbene con SOC superiori il rilascio sia anticipato e più rapido (HRR maggiore).

È necessario individuare delle correlazioni che permettano di legare questi parametri e consentire una adeguata (o almeno cautelativa) stima delle conseguenze e dei danni in caso di incidente.

In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'atto, che contiene anche le conclusioni.
Andrea Carpignano - RAMS&E - https://ramse.it
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mcT Oil & Gas novembre 2022 Dall'Oil&Gas all'idrogeno. PNRR, transizione energetica, raffinerie e produzione di idrogeno
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