Riscos de incêndio e explosão em estações de armazenamento de energia com baterias de íon-lítio: análise e estratégias de prevenção.

Com a ampla aplicação de baterias de íon-lítio em estações de armazenamento de energia eletroquímica, os incidentes de incêndios e explosões tornaram-se cada vez mais frequentes. Para investigar as causas subjacentes desses acidentes com maior profundidade, um estudo analisou 90 eventos de incêndio e explosão envolvendo estações de armazenamento de energia com baterias de íon-lítio que ocorreram em todo o mundo entre novembro de 2017 e setembro de 2024.

A análise focou em quatro aspectos principais: tipo de bateria, país de ocorrência, estado operacional da estação e fatores causais. Os resultados indicam que as baterias ternárias de lítio são significativamente mais propensas a desencadear acidentes de incêndio e explosão, com uma taxa de ocorrência 2,5 vezes maior do que a das baterias de fosfato de ferro-lítio.

Essas descobertas reforçam uma mensagem clara para a indústria de armazenamento de energia: à medida que as baterias de íon-lítio continuam a ser amplamente implantadas, priorizar o projeto e a seleção de materiais com foco na segurança torna-se essencial.

Nesse contexto, as baterias de estado sólido oferecem um caminho promissor. Sua estabilidade térmica inerentemente maior e menor probabilidade de vazamento ou combustão as tornam particularmente adequadas para aplicações de armazenamento de energia em larga escala.

A escolha de tecnologias de baterias inerentemente mais seguras é fundamental para garantir a segurança das centrais de armazenamento de energia ao longo de todo o seu ciclo de vida. Este é precisamente o ponto de partida para todos os projetos de produtos e inovações tecnológicas da Super Power.

Resultados Estatísticos e Análise das Causas de Acidentes

A análise estatística dos incidentes mostra que incêndios e explosões às vezes ocorrem sequencialmente. Portanto, este estudo categoriza as consequências em três tipos: incidentes de incêndio, incidentes de explosão e incidentes de incêndio-explosão, conforme mostrado na Figura 1.

Figura 1: Distribuição dos tipos de bateria em acidentes

Entre 85 incidentes em estações de armazenamento de energia com tipos de bateria conhecidos, 61 foram causados ​​por baterias ternárias de lítio, representando aproximadamente 71,8%.

As baterias ternárias de lítio apresentam menor estabilidade térmica, tornando-as mais suscetíveis à fuga térmica. Elas também apresentam maior risco de incêndio, com a fuga térmica se propagando mais rapidamente e liberando maiores quantidades de gases inflamáveis ​​durante tais eventos.

Em conjunto, esses fatores indicam que as baterias ternárias de lítio apresentam riscos significativamente maiores do que as baterias de fosfato de ferro-lítio em termos de estabilidade térmica, risco de incêndio e potencial de explosão.

Ao contrário das baterias ternárias de eletrólito líquido de alto risco discutidas no relatório, os principais produtos da Super Power são construídos com tecnologia de estado sólido. Ao utilizar um eletrólito de polímero sólido, a empresa elimina fundamentalmente os riscos de inflamabilidade dos sistemas líquidos convencionais. Como resultado, as baterias são intrinsecamente resistentes ao fogo.

Pesquisas demonstram que a estabilidade térmica do material do cátodo desempenha um papel decisivo na segurança geral. No projeto da Super Power, os materiais do cátodo e o eletrólito de estado sólido atuam em conjunto, formando uma janela de segurança térmica muito mais ampla. Essa sinergia eleva consideravelmente o limite para a fuga térmica e aumenta a resiliência do sistema em condições extremas.

● Estatísticas do país e análise de causas

Figura 2. Análise da distribuição de incidentes por país.

Análises estatísticas mostram que incidentes de incêndio e explosão em estações de armazenamento de energia eletroquímica foram relatados na Coreia do Sul, Estados Unidos, China, Austrália, França, Alemanha, Bélgica, Suécia, Reino Unido e Singapura.

A análise dos tipos de baterias utilizadas nesses incidentes mostra que mais da metade dos acidentes em estações de armazenamento de energia nos Estados Unidos envolveram baterias ternárias de lítio. Em contrapartida, a maioria das estações na China e em países da UE estava equipada com baterias de fosfato de ferro-lítio, o que reflete uma diferença regional na preferência por segurança e na adoção de tecnologias.

Dentre esses países, a Coreia do Sul registrou o maior número de acidentes, 34 no total, representando 37,8% de todos os casos. Os relatórios de investigação apontam para diversas causas recorrentes. Defeitos nas baterias são um dos principais fatores, juntamente com sistemas inadequados de proteção do motor, ambientes operacionais precários, negligência na instalação e gestão insuficiente das instalações de armazenamento de energia.

Outro fator crucial reside no desempenho de segurança das próprias baterias.

Na Coreia do Sul, as baterias ternárias de lítio são amplamente utilizadas, principalmente porque dominam o portfólio de produtos dos principais fabricantes nacionais de baterias. No entanto, essas baterias apresentam estabilidade térmica relativamente baixa e seus sistemas de gerenciamento nem sempre são confiáveis.

Deficiências na gestão de baterias ou em sistemas de alerta precoce podem impedir que os operadores detectem anomalias a tempo, permitindo que potenciais riscos se agravem sem controle.

● Estatísticas do Estado Operacional e Análise de Causas

As estações de armazenamento de energia normalmente passam por quatro etapas principais: construção, comissionamento, operação e manutenção. Cada etapa apresenta seus próprios riscos. Deficiências na integração do sistema, na qualidade da construção, nos procedimentos de manutenção ou na gestão de segurança podem criar riscos ocultos que não devem ser negligenciados.

Figura 3. Estatísticas de status dos EESSs em acidentes.

Os relatórios de acidentes revelam um padrão claro. Na Coreia do Sul, a maioria dos incidentes em estações de armazenamento de energia eletroquímica ocorreu durante o carregamento ou no período de inatividade imediatamente após o carregamento. Isso sugere que o controle inadequado do carregamento e o gerenciamento térmico deficiente podem desempenhar um papel significativo.

Conforme demonstrado pelos dados, a maioria dos acidentes, 72 no total, representa 80% de todos os casos registrados e ocorreu durante a operação normal. Essa alta proporção indica que a segurança operacional continua sendo o desafio mais crítico nos sistemas de armazenamento de energia atuais.

Os seguintes fatores podem contribuir para acidentes durante a operação de estações de armazenamento de energia eletroquímica:

1. Efeitos cumulativos da operação a longo prazo;

2. Impacto de ambientes de alta temperatura;

3. Flutuações na carga do sistema;

4. Confiabilidade insuficiente dos sistemas de alerta precoce;

5. Alto estado de carga (SOC) que leva à sobrecarga.

O sistema de armazenamento de energia da Super Power é construído em torno de uma arquitetura abrangente de defesa ativa.

● O design BMS de três camadas permite o monitoramento independente e em tempo real de cada célula. Na prática, isso significa que não há pontos cegos na supervisão de segurança, oferecendo detecção mais precoce e precisa de falhas como curtos-circuitos internos ou variações repentinas de tensão.

● O gerenciamento térmico do líquido do sistema é igualmente crucial. A “falha do sistema de refrigeração” é frequentemente citada como o fator de maior risco, e a Super Power a enfrenta de frente. Uma rede de refrigeração líquida meticulosamente ajustada mantém as baterias dentro da faixa de temperatura ideal, garantindo a dissipação constante de calor mesmo em ambientes adversos. Isso evita o acúmulo de calor e mantém a estabilidade geral do sistema.

● A sobrecarga é outro perigo oculto. Através do controle coordenado do BMS (Sistema de Gerenciamento de Bateria) e do PCS (Sistema de Conversão de Energia), o estado de carga (SOC) da bateria é rigorosamente gerenciado. Esse projeto impede a sobrecarga na sua origem, protegendo o sistema contra uma das causas mais comuns de falha da bateria.

A tecnologia de integração CTC (Cell-to-Container) da Super Power não apenas aumenta a densidade de energia, mas também introduz um nível sem precedentes de redundância de segurança.

● Design modular e isolamento físico. A abordagem CTC alcança um maior grau de integração das células, incorporando materiais inovadores de isolamento térmico. Dentro de cada módulo, forma-se uma barreira térmica eficaz. Mesmo que uma única célula sofra uma falha grave, o sistema consegue bloquear eficazmente a transferência de calor para as células adjacentes, interrompendo fisicamente a cadeia de propagação térmica.

● Sistemas duplos de supressão de incêndio. Cada contêiner de armazenamento de energia Super Power está equipado com sistemas de supressão de incêndio à base de gás e por imersão em água. O sistema a gás age rapidamente para conter incêndios em estágio inicial, enquanto o sistema de imersão em água serve como a proteção final para cenários extremos. Juntos, eles garantem que qualquer risco residual seja completamente extinto e que a segurança seja mantida em todas as condições.

● Análise das causas e fatores contribuintes em acidentes

As preocupações com a segurança em estações de armazenamento de energia eletroquímica são inerentemente sistêmicas, com acidentes que normalmente resultam da interação de múltiplos fatores contribuintes.

Figura 4. Mapa estatístico das causas de acidentes em usinas de energia eletroquímica.

Os fatores relacionados ao equipamento originam-se principalmente das próprias baterias, bem como dos sistemas de proteção e refrigeração do motor, incluindo problemas com o isolamento. Problemas específicos da bateria geralmente incluem defeitos de fabricação ou envelhecimento natural ao longo do tempo. Fatores ambientais também podem desempenhar um papel. Por exemplo, infiltração de água ou explosões de caldeiras próximas podem provocar incêndios em baterias de íon-lítio.

Figura 5. Fatores que induzem acidentes de segurança em sistemas de armazenamento de energia de baterias de íon-lítio e suas interações.

Os fatores humanos, contudo, destacam-se como a principal causa de acidentes em estações de armazenamento de energia eletroquímica. Dos 90 incidentes analisados, 38 foram direta ou indiretamente relacionados a erro humano, representando 43,3% do total. Isso evidencia que, apesar das salvaguardas técnicas e ambientais, as ações dos operadores e as práticas de gestão continuam sendo cruciais para a segurança geral do sistema.

1. Erros humanos operacionais: Os funcionários das estações de armazenamento de energia eletroquímica podem não ter treinamento adequado, o que leva a erros como operações incorretas ou negligência dos procedimentos de segurança.

2. Sistemas de gestão de segurança incompletos: Embora os países estejam continuamente aprimorando as regulamentações para todas as etapas da operação de usinas de armazenamento de energia, o rápido desenvolvimento das tecnologias de armazenamento muitas vezes supera o estabelecimento de sistemas eficazes de gestão de segurança e supervisão regulatória. Isso pode resultar em negligência por parte dos funcionários em relação a questões de segurança.

3. Resposta de emergência tardia: Em caso de emergência, habilidades de resposta insuficientes ou falta de ação oportuna por parte dos operadores podem agravar a gravidade do incidente.

4. Consciência insuficiente de segurança: Um baixo nível de consciência de segurança entre os operadores e o pessoal de gestão pode levar à negligência de riscos potenciais, aumentando a probabilidade de acidentes.

Com base na análise estatística de acidentes em estações de armazenamento de energia eletroquímica, a probabilidade e a gravidade de 90 incidentes foram avaliadas de acordo com 15 fatores de risco identificados. Análises quantitativas e qualitativas foram realizadas para avaliar a probabilidade e a gravidade dos acidentes, sendo utilizado o método Delphi para determinar os níveis de gravidade.

Figura 6. Níveis de risco para fatores de risco de EESSs

Dentre os 15 fatores de risco, cinco foram identificados como de alto risco: falha no sistema de refrigeração do sistema de armazenamento de energia, sobrecarga da bateria, instalações de proteção contra incêndio insuficientes, anormalidades no BMS/PCS/EMS e temperaturas ambientais extremas.

● Medidas de prevenção

Para lidar com os fatores de alto risco identificados, a segurança geral das estações de armazenamento de energia eletroquímica deve ser aprimorada em cinco áreas principais:

Reforçar a confiabilidade dos sistemas de refrigeração, otimizar as medidas do sistema de baterias para evitar sobrecarga, aprimorar as tecnologias de alerta precoce e monitoramento de segurança, desenvolver tecnologias de proteção contra incêndio e otimizar as estratégias e táticas de combate a incêndio.

Além disso, para reforçar a segurança sistêmica dos sistemas de armazenamento de energia (EESS), os esforços devem se concentrar no projeto e na fabricação das células de bateria. Os sistemas de gestão de segurança devem ser aprimorados e normas obrigatórias devem ser implementadas para impedir que baterias danificadas entrem nas estações de armazenamento de energia. A pesquisa em tecnologias de alerta ultraprecoce deve ser intensificada para permitir a previsão de acidentes com várias semanas de antecedência. Agentes extintores de incêndio especializados, eficientes, com capacidade de resfriamento, à prova de explosão e isolantes, devem ser desenvolvidos, juntamente com testes de incêndio em baterias em nível de cluster.

Evitar tecnologias de baterias de alto risco e optar por soluções inerentemente seguras e confiáveis ​​para o sistema é o único caminho sustentável para a indústria de armazenamento de energia. A filosofia de produto da Super Power alinha-se perfeitamente a essa visão e oferece uma solução de segurança totalmente validada, abrangendo todas as camadas, desde o design de materiais até a integração do sistema, do alerta antecipado inteligente à proteção máxima.