Czym różnią się magazyny energii BESS od klasycznych instalacji

Zrozumienie zagrożeń z eksploatacją tych urządzeń jest kluczowe dla zapewnienia bezpieczeństwa personelu oraz samych instalacji elektroenergetycznych. Magazyny energii stanowią kluczowy element transformacji energetycznej i stabilizacji pracy systemów elektroenergetycznych. Ich rosnąca skala oraz integracja z siecią powodują jednak, że klasyczne podejście do bezpieczeństwa instalacji elektrycznych jest niewystarczające.

W systemach BESS występują jednocześnie:

• napięcia DC oraz AC
• bardzo duże prądy zwarciowe,
• źródła energii chemicznej (Li-Ion, LiFePO₄, NMC)

Powoduje to konieczność analizy zagrożeń w sposób holistyczny. W przeciwieństwie do klasycznych instalacji elektroenergetycznych, systemy BESS wymagają uwzględnienia sprzężonych zjawisk elektrycznych, termicznych oraz chemicznych, co znacząco zwiększa złożoność analizy ryzyka.

Kluczowe zagrożenia w eksploatacji magazynów energii

Eksploatacja magazynów energii wiąże się z kilkoma kluczowymi kategoriami zagrożeń, które wzajemnie na siebie oddziałują. Najważniejsze z nich to:

• porażenie prądem elektrycznym (AC i DC),
• poparzenie od łuku elektrycznego (AC i DC),
• pożary i zjawisko thermal runaway
• zwarcia zewnętrzne
• zagrożenia chemiczne (płyny i gazy).

Kluczowe zagrożenia w eksploatacji magazynów energii

Porażenie prądem DC

Porażenie prądem stałym (DC) w systemach magazynowania energii stanowi szczególnie istotne zagrożenie ze względu na rosnące poziomy napięć, często powyżej 800 VDC. W przeciwieństwie do prądu przemiennego, prąd stały nie posiada naturalnego przejścia przez zero, co powoduje, że skurcz mięśni jest ciągły. Długotrwały przepływ prądu przez ciało zwiększa ryzyko poważnych uszkodzeń tkanek, zaburzeń pracy serca oraz głębokich oparzeń wewnętrznych. Dodatkowo, w systemach BESS także występuje napięcie zmienne (AC).

Do porażeń może dochodzić podczas :

• prac eksploatacyjnych
• uszkodzeniu modułów baterii (jeśli napięcie przekracza poziom napięcia 120 VDC)
• uszkodzeniu izolacji

Dodatkowo warto pamiętać, że wg PN-EN 50110 izolowanie miejsca pracy nie ma pełnego zastosowania w pobliżu baterii. Nie możemy w pełni „wyłączyć” lub rozładować energii baterii. W praktyce stosuje się:

• procedury prac wokół baterii
• środki ochrony indywidualnej
• rozwiązania techniczne (sekcjonowanie baterii, modułowy projekt, zabezpieczenia na poziomie modułów itd.).

Łuk elektryczny w systemach BESS

Zwarcie łukowe jest realnym zagrożeniem podczas eksploatacji w systemach BESS. Napięcia DC przekraczają 120 VDC, ale na obecną chwilę do 1500VDC (granica niskiego napięcia dla DC wg PN-EN 50110). W instalacjach DC energia łuku elektrycznego jest bardzo mocno zależna od prądu zwarcia i możliwości źródła do potrzymania łuku elektrycznego. Do zwarć łukowych dochodzi podczas:

• uszkodzenia izolacji
• prac eksploatacyjnych (błąd ludzki)
• błędów instalacyjnych
• czynników środowiskowych (wilgoć, zanieczyszczenia, powódź)
• zwarcia wewnętrznego i zewnętrznego

W przeciwieństwie do zwarcia pełnych (metalicznych), zwarcie łukowe charakteryzuje się pewną impedancją łuku elektrycznego co ma swoje konsekwencje w postaci :

• problemów z detekcja prądów zwarć łukowych
• problemów z wyłączaniem prądów zwarć łukowych
• wydłużonym czasem detekcji i wyłączenia

Charakterystycznymi cechami łuku elektrycznego są:

• temperatura dochodząca do 19 400°C
• promieniowanie świetlne (UVA/UVB)
• wzrost ciśnienia (fala uderzeniowa)
• Jonizacja i podgrzanie otaczającego powietrza
• emisja stopionego metalu
• odłamki poruszające się nawet z prędkością do 1100 km/h
• fala dźwiękowa nawet do 160dB

Thermal runaway

Zjawisko thermal runaway stanowi jedno z najpoważniejszych zagrożeń w magazynach energii. Thermal runaway jest efektem utraty kontroli nad bilansem cieplnym ogniwa, najczęściej inicjowanym przez uszkodzenia mechaniczne, przeciążenia elektryczne, wysoką temperaturę lub defekty wewnętrzne. Grafika poniżej bardzo prosto opisuje przyczyny, mechanizm oraz konsekwencje.

Charakter zagrożenia zależy od technologii i chemii użytej do produkcji ogniw.
Najbardziej narażone są ogniwa wykonane z :

• Lithium Cobalt Oxide (LCO)
• Nickel Manganese Cobalt (NMC)

Najmniej :

• Lithium Iron Phosphate (LFP)
• Solid-State Batteries (stały elektrolit)

W bateryjnych systemach magazynowania energii szczególne zagrożenie stanowi obecność substancji o właściwościach utleniających, które w warunkach awaryjnych (np. thermal runaway) mogą znacząco zwiększyć intensywność pożaru oraz umożliwić jego rozwój niezależnie od dostępu tlenu z otoczenia. Zgodnie z wymaganiami NFPA 400 oraz NFPA 704, systemy zawierające takie materiały powinny być odpowiednio klasyfikowane i oznakowane, a ich eksploatacja powinna uwzględniać scenariusze uwolnienia substancji utleniających.

Do inicjacji tego zjawiska dochodzi w wyniku:

• Uszkodzenia mechaniczne – przebicie, zgniatanie, zwarcie wewnętrzne
• Przeciążenia elektryczne – przeładowanie, nadmierne rozładowanie, zbyt duży prąd
• Oddziaływanie temperatury – wysoka temperatura otoczenia, pożar, brak chłodzenia
• Wady wewnętrzne ogniwa – defekty produkcyjne prowadzące do zwarcia w czasie

Zwarcia w obwodach DC

Zwarcia w magazynach energii mają szczególny charakter ze względu na obecność ogniw bateryjnych o dużej wydajności prądowej. Skupiamy się tutaj na bateryjnych magazynach energii stosowanych w instalacjach przemysłowych czy sieciowych. Dla podania skali, systemowe magazyny buduje się z kontenerowych 20’ BESS o mocach typowo do 5MWh /1300VDC (12*1P416S) – co znaczy 12 klastrów po 416 modułów 3.2 V.

Systemy budowane z takich kontenerów osiągają wartości :

• Edwards & Sanborn Solar – USA, California, 821 MW/3287MWh
• Collie Battery – Australia, 560 MW/2240MWh
• Bisha BESS – Saudi Arabia, 500 MW/2000MWh

W dużych systemach magazynowania energii zwarcia mają znaczenie nie tylko lokalne, ale również sys temowe. Pełnią też różne role od magazynowania energii lokalnie do szybkiego wsparcia częstotliwości (frequency support). Z perspektywy magazynu energii prąd zwarciowy możemy podzielić na :

• zewnętrzny
• wewnętrzny

Ten sam podział można zrobić na poziomie samego ogniwa tj. zwarcia występujące poza ogniwem oraz występujące w ogniwie np. z powodu przebicia membrany elektrolitu przez formację dendrytów.

W odróżnieniu od klasycznych systemów elektroenergetycznych, prądy zwarciowe w systemach BESS są w dużej mierze determinowane przez charakterystykę układów energoelektronicznych (PCS), co wpływa zarówno na poziom energii łuku elektrycznego, jak i skuteczność jego detekcji.

Skutki eksploatacyjne zwarć prowadzą do:

• przyspieszonej degradacji ogniw,
• wyłączenia instalacji
• zagrożeń podczas eksploatacji

Skutki systemowe w przypadku dużych instalacji mogą prowadzić do:

• zaburzenia stabilności sieci,
• kaskadowych wyłączeń
• pożar instalacji

Normy i regulacje — UE, USA, Chiny

Świadomość zagrożeń elektrycznych znalazła odzwierciedlenie w szeregu regulacji prawnych na poziomie europejskim i krajowym:

• Dyrektywa 89/391/EEC z dnia 12 czerwca 1989 r. w sprawie wprowadzenia środków w celu poprawy bezpieczeństwa i zdrowia pracowników w miejscu pracy. Art. 6.2. wprowadza zasady ogólne dotyczące zapobiegania zagrożeniom
• Rozporządzenie Ministra Energii z dnia 8 czerwca 2021 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach energetycznych (Dz.U. z 2021 Poz. 1210).
• PN-EN 50110-1:2023 Eksploatacja urządzeń elektrycznych – Część 1: Wymagania ogólne

Na świecie opracowano szereg norm i standardów dotyczących ochrony przed zagrożeniem łukiem elektrycznym:

• IEC 61482-2 Live working – Protective clothing against the thermal hazards of an electric arc – Part 2: Requirements
• IEC 61482-1-1 Prace pod napięciem — Odzież ochronna przed zagrożeniami termicznymi
  spowodowanymi łukiem elektrycznym — Część 1-1: Metody badań — Metoda 1 — Określanie
  parametrów łuku (ATPV, EBT50, ELIM) dla materiałów trudnopalnych na ubrania
• NFPA 70E Handbook for Electrical Safety in the Workplace (wydanie 2024)
• IEEE 1584-2018 IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations
• ISSA Guide Guideline for the selection of personal protective equipment when exposed to the thermal effects of an electric fault arc (2011)
• DGUV 203-077 Thermal hazards due to electric fault arcing Guide for the selecting personal protective equipment (2021)

W kontekście magazynów energii szczególnie istotne oraz stanowiące przydatne źródło wiedzy są grupy norm:

Europa / IEC:

• IEC 62933 (seria)Electrical Energy Storage (EES) systems – Series of standards (np. IEC 62933-1-1:2018 – Terminology; IEC 62933-5-2 – Safety requirements)
• IEC 62619:2022Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes – Safety requirements for secondary lithium cells and batteries, for use in industrial applications
• IEC 62485 (seria)Safety requirements for secondary batteries and battery installations
  (np. IEC 62485-2:2018 – Stationary batteries)

USA:

• NFPA 855:2023Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems
• UL 9540Energy Storage Systems and Equipment
• UL 9540ATest Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systems

Chiny:

• GB/T 36276-2018Electrochemical Energy Storage System – Lithium-ion Battery Technical Specification
• GB/T 34131-2023 (aktualizowana wersja)Technical Specification for Electrochemical Energy Storage Power Station
• NB/T33015(seria) Technical standards for electrochemical energy storage systems in power applications
• NB/T33004 Technical specification for grid-connected operation of electrochemical energy storage systems

Obszar	Europa / IEC	USA	Chiny
Zakres ogólny systemów BESS	IEC 62933 – Electrical Energy Storage Systems (EES)	UL 9540 – Energy Storage Systems and Equipment	GB/T 34131 – Technical Specification for Electrochemical Energy Storage Power Station
Bezpieczeństwo baterii (ogniwa i moduły)	IEC 62619 – Safety requirements for lithium batteries (industrial)	UL 1973 – Batteries for Use in Stationary Applications	GB/T 36276 – Lithium-ion Battery Technical Specification
Instalacja i integracja systemu	IEC 62485 – Battery installations	NFPA 855 – Installation of Energy Storage Systems	NB/T 33015 – Energy storage system technical requirements
Thermal runaway / testy pożarowe	IEC 62933-5-2 – Safety requirements (system level)	UL 9540A – Thermal Runaway Fire Propagation Test	GB/T (częściowo ujęte w testach systemowych)
Bezpieczeństwo eksploatacji (BHP)	PN-EN 50110-1 – Operation of electrical installations	NFPA 70E – Electrical Safety in the Workplace	GB 26860 – Safety work regulations for electric power industry
Łuk elektryczny (Arc Flash)	IEC 61482 – Arc flash protective clothing	IEEE 1584 – Arc-Flash Hazard Calculations + NFPA 70E	Brak dedykowanego standardu – stosowane podejścia pośrednie

W celu zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa prawo w Polsce wymaga od nas szeregu instrukcji i procedur. Dotyczą one także instalacji magazynów energii:

• IOBP – Instrukcja Organizacji Bezpiecznej Pracy
• IEUEE – Instrukcja Eksploatacji Urządzeń Elektroenergetycznych
• IRiESD – Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej ( dla OSDn)
• Instrukcje stanowiskowe i BHP
• PPN – Procedura Prac Pod Napięciem przy urządzeniach elektroenergetycznych ( jeśli wymagana)

Zarządzanie ryzykiem w eksploatacji BESS

Skuteczne zarządzanie ryzykiem związanym z łukiem elektrycznym wymaga systematycznego podejścia, obejmującego następujące etapy:

• Ocenę zagrożenie od łuku elektrycznego
• Ocenę zagrożenia porażeniem prądem
• Ocenę stanu aparatury i instalacji
• Wstępny dobór wymaganych ŚÓI
• Ocenę ryzyka oraz dobór wymaganych śoi dla wykonywanych prac

Pierwszy etap procesu zarządzania ryzykiem polega na identyfikacji potencjalnych miejsc, w których może wystąpić zagrożenie łukiem elektrycznym. Daje nam to możliwość :

• określenie poziomu energii łuku elektrycznego
• strefy oddziaływania łuku elektrycznego (ang.Arc Flash Boundary)
• dalszych działań i rekomendacji

Po zidentyfikowaniu poziomu zagrożeń, należy ocenić ryzyko zagrożeni porażeniem co mocno zależne jest od konstrukcji instalacji oraz wykonywanych prac np. poprzez:

• określenie napieć
• określenie wykonywanych prac w pobliżu napięcia
• określenie prac wykonywanych pod napięciem

Następnie poprzez oszacowanie prawdopodobieństwa wystąpienia zagrożeń elektrycznych dla
poszczególnych czynności oraz prac eksploatacyjnych i możemy dostosować stosowanie do:

• poziomu zagrożenia
• ekspozycji na to zagrożenie
• kondycji i stanu aparatury
• wykonywanych prac

Takie podejście opracowane przez MR Power Systems w formie metody „Uproszczonego doboru oraz oceny ryzyka wykonywanych prac” z ang. (Simplified Task Based PPE Risk Matrix ) pozwala na kontrolowanie stosowanych podczas prac przy urządzeniach elektroenergetycznych.

Skuteczne zarządzanie ryzykiem wymaga podejścia systemowego które zaczyna się od identyfikacji i określenia zagrożeń. W dalszych krokach naturalnie chcemy kontrolować oraz ograniczać ekspozycję na występujące zagrożenia. Tutaj z pomocą przychodzi Hierarchia Kontroli z standardu NFPA 70E-2024 obejmująca kolejność działań od najbardziej efektywnych do najmniej:

• eliminacja zagrożenia,
• redukcja energii,
• środki techniczne,
• świadomość i szkolenia
• rozwiązania administracyjne
• środki ochrony indywidualnej.

Studium przypadku: Victoria Big Battery

Jednym z najbardziej znanych zdarzeń związanych z magazynami energii był pożar instalacji Victoria Big Battery (300 MW / 450 MWh) w Australii w 2021 roku. Zdarzenie miało miejsce podczas testów odbiorczych systemu i stanowi istotny przykład ryzyka charakterystycznego dla wielkoskalowych systemów BESS.

Bezpośrednią przyczyną zdarzenia było wewnętrzne uszkodzenie jednego z modułów bateryjnych. Doszło do utraty szczelności płynu chłodzącego a następnie do zwarcia, które to doprowadziło do lokalnego przegrzania, a następnie inicjacji zjawiska thermal runaway. W wyniku utraty kontroli nad bilansem cieplnym doszło do rozprzestrzenienia się zjawiska na sąsiednie moduły w obrębie kontenera.

Pomimo zastosowanych systemów zabezpieczeń, takich jak systemy detekcji oraz środki gaśnicze, zdarzenie doprowadziło do długotrwałego pożaru, który trwał kilka dni. W trakcie zdarzenia zaobserwowano emisję gazów oraz intensywne oddziaływanie cieplne, co wymusiło wyznaczenie strefy bezpieczeństwa wokół instalacji. Analiza zdarzenia wskazuje na kilka kluczowych wniosków:

• inicjacja zdarzenia może nastąpić na poziomie pojedynczego modułu,
• thermal runaway ma charakter propagacyjny w obrębie kontenera,
• standardowe systemy gaszenia mogą być niewystarczające do zatrzymania procesu, ale
  pozwalają ograniczać skalę pożaru i jego rozprzestrzeniania
• kluczowe znaczenie ma wczesna detekcja oraz separacja modułów,
• projektowanie systemów BESS powinno uwzględniać scenariusze eskalacyjne, a nie tylko
  pojedyncze awarie.

Przypadek Tesla Big Battery pokazuje, że zagrożenia w magazynach energii mają charakter systemowy i wymagają podejścia obejmującego zarówno projektowanie, jak i eksploatację instalacji.

Podsumowanie

Magazyny energii wprowadzają nowy poziom złożoności zagrożeń elektroenergetycznych, wynikający z połączenia zwarć w obwodach DC, trudności w detekcji łuku elektrycznego, napięć powyżej 1000 VDC oraz ryzyka eskalacji zdarzeń do poziomu utraty bilansu cieplnego ogniw. Czynniki te powodują, że klasyczne podejście do bezpieczeństwa instalacji elektrycznych jest niewystarczające.

Zapewnienie bezpiecznej eksploatacji wymaga zintegrowanego podejścia obejmującego etap projektowania, eksploatacji instalacji oraz analizę zagrożeń i ryzyka. Ogólne traktowanie kontenerowych wersji magazynów energii bardziej jako produktów a nie jako instalacji stawia wyzwania w zakresie prowadzenia eksploatacji.