Joint Industry Development of Maritime Battery Safety

Dette industriellle utviklingsprosjekt ble etablert for å bedre vurdere risiko og løsninger knyttet til sikkerhet av lithium-ion energilagringssystemer, både fra et design-, ingeniør- eller regulatorisk perspektiv. Fokuset har vært på installasjoner i det maritime miljøet, selv om de fleste funn vil gjelde for andre applikasjoner og bransjer hvor lignende energilagringssystemer blir brukt. Prosjektpartnerne består av aktører fra hele den maritime verdikjeden, fra batterileverandører, systemintegratorer, verft, rederier og myndigheter. Aktiviteter knyttet til å øke forståelsen av oppførselen til en batteribrann og avgassing har blitt prioritert i prosjektet. Med dagens sikkerhetsbariærer er det utfordrende å håndtere risikonene knyttet til både brann og eksplosjon på en gang. Sikkerhetssystemer som hånderer disse risikoene er i dag tilgjengelig, men det er nødvendig både å forstå risikoene og tilhørende sikkerhetssystemser, slik at de kan velges og implementeres på best mulig måte. Det første målet var å spesifisere og kvantifisere innholdet av batterigassen knyttet til toksisitet og eksplosjonsrisiko. Ulike testoppsett kan gi forskjellige resultater, og det var nødvendig å normalisere testene, slik at karakteristikken av batterigassen kan konsekvent burkes for evaluering av eksplosjon og tpksisitetsrissikoer. Testing ble utført på både celle- og modulnivå, for forskjellige batterikjemier og formfaktorer, samt under forskjellige feilmodier. Resultatene av celle- og modultestene ble brukt som input for å kalibrere Computational Fluid Dynamics (CFD) modeller av batterirommet, som deretter ble brukt til å evaluere eksplosjonsrissikoer av flere varianter av batterirommet. Disse resultatene gir en referanse og veiledning av effekten av ventilasjon ved en batteribrann. Virkningen av ventilasjonen avhenger i stor grad av antallet og størrelsen på battericellene som forventes å være involvert i en hendelse. Ventilasjonsanbefalinger knyttet til størrelsen av batterisystemet involvert i en brann har blitt utarbeidet. Generelt kan man si at hvis risikoene relatert til varmeutvikling ved en brann går ned, økes risikoene relatert til avgassing fra batteriet. Dette gjelder spesielt hvis oksygen blir begrenset i batterirommet eller i batterimodulen. Giftighetsgraden til batterigassen, spesifikasjon av eksplosjonssikkert utstyr som skal installerers i et batterirom, og gass deteksjonsstrategier har også blitt evaluert basert på testresultatene. Det andre målet var å evaluere egenskapene til brannslokkingutstyr og slokkemedier ved en litium-ionbatteribrann. En metodikk for komparative tester mellom forskjellige batteribrannslukkesystemer som er tilgjengelige i det maritime markedet er foreslått. Både varme- og gassreduserende egenskaper blir evaluert. Hver av de tilgjengelige systemene har forskjellige styrker og svakheter, og dermed kan slukkesystemene være mer eller mindre effektive, avhengig av egenskapene til en spesifik installasjon eller et bestemt batterisystem. Generelt er brannslukking mer effektiv når det utløses tidlig i brannutviklingen, og hvis slukkningsmediet frigjøres inne i modulen. Sentrale evalueringskriterieer er kortvarig avkjøling-, langvarig avkjøling- og gassabsorpsjonsegenskaper. Det tredje målet var å utvikle et kvantitativt risikovurderingsverktøy, som kvantifiserer de relaterte risikoene involvert. Hyppigheten av feilene er beregnet med og uten kjente sikkerhetsbariæer i batterisystemet, for å fremheve hvor nødvendig disse er.

Results deliverd in this project will enable persons assessing energy storage installations, whether from a design, engineering or regulatory perspective, to better evaluate risks, capabilities and solutions with regard to safety. The focus and context are on installations in the maritime environment although most findings will apply to other applications and industries. Risks and soulutions related to mitigating safeguards of fire and off-gas will be improved. Soulutions, rules and guidelines related to fire supperssion, ventilation, gas detection and explosion proof equiptment is expected to be affected.

This project will lead to improved safety of the products and services provided by the project participants; including battery cell and system vendors, power system providers, yards, ship owners and charterers, fire detection and extinguishing system providers, and finally classification societies and maritime authorities. This will be accomplished by developing novel approaches for assessing risks and ensuring battery system safety. These aspects will be evaluated by execution of the following tasks: Initial Model Development and Assessment: Existing knowledge and modeling tools will be combined to develop a baseline of competency with regard to the underlying physics and to identify knowledge gaps to provide guidance and efficacy to the project. Lithium Ion Battery Risk Assessment: This activity will consist of assessments of battery failure modes, prevention mechanisms and other barriers to catastrophic top events at the battery level as well as relative to the battery room. Battery Safety Testing Program: Tests will be conducted to answer questions of risk, as well as calibrate models. The testing program will be conducted at the cell level, the module level, and on systems representative of real scenario environment. Battery Safety Simulation and Analysis Tool Development: Based on the results, final tools for efficient lithium ion battery risk assessment in the maritime environment will be developed. Input to Requirements and Rules: Lessons learned and risk assessment methodologies developed will be shaped into input that will be given to future DNV GL class rules and NMA requirements pertaining to battery systems. In addition to these inputs, results will be disseminated through training materials and public presentations. These activities will facilitate the harmonization of approval requirements of maritime battery systems globally and create a green safety competitive advantage for the project participants, the Norwegian maritime industry and NMA.