Risques d'incendie et d'explosion dans les stations de stockage d'énergie par batteries lithium-ion : analyse et stratégies de prévention

Avec la généralisation de l'utilisation des batteries lithium-ion dans les stations de stockage d'énergie électrochimique, les incidents d'incendie et d'explosion sont devenus de plus en plus fréquents. Afin d'étudier plus en détail les causes sous-jacentes de ces accidents, une étude a analysé 90 cas d'incendie et d'explosion survenus dans des stations de stockage d'énergie par batteries lithium-ion à travers le monde entre novembre 2017 et septembre 2024.

L'analyse a porté sur quatre aspects clés : le type de batterie, le pays d'incident, l'état opérationnel de la station et les facteurs causaux. Les résultats indiquent que les batteries lithium-ion ternaires sont nettement plus susceptibles de provoquer des incendies et des explosions, avec un taux d'occurrence 2,5 fois supérieur à celui des batteries lithium-fer-phosphate.

Ces résultats soulignent un message clair pour l'industrie du stockage d'énergie : à mesure que les batteries lithium-ion continuent d'être largement déployées, il devient essentiel de privilégier une conception et un choix de matériaux axés sur la sécurité.

Dans ce contexte, les batteries à l'état solide offrent une perspective prometteuse. Leur stabilité thermique intrinsèquement supérieure et le faible risque de fuite ou de combustion les rendent particulièrement adaptées aux applications de stockage d'énergie à grande échelle.

Le choix de technologies de batteries intrinsèquement plus sûres est la pierre angulaire de la sécurité des centrales de stockage d'énergie tout au long de leur cycle de vie. C'est précisément le point de départ de toutes les conceptions de produits et innovations technologiques chez Super Power.

Résultats statistiques et analyse des causes des accidents

L'analyse statistique des incidents montre que les incendies et les explosions surviennent parfois successivement. Par conséquent, cette étude catégorise les conséquences en trois types : incendies, explosions et incidents combinant incendie et explosion, comme illustré à la figure 1.

Figure 1 Répartition des types de batteries lors d'accidents

Parmi 85 incidents survenus dans des stations de stockage d'énergie avec des types de batteries connus, 61 ont été causés par des batteries au lithium ternaires, représentant environ 71,8 %.

Les batteries lithium-ion ternaires présentent une stabilité thermique moindre, ce qui les rend plus sensibles à l'emballement thermique. Elles présentent également un risque d'incendie plus élevé, l'emballement thermique se propageant plus rapidement, et libèrent de plus grandes quantités de gaz inflammables lors de tels incidents.

L’ensemble de ces facteurs indique que les batteries lithium-ion ternaires présentent des risques nettement plus élevés que les batteries lithium-fer-phosphate en termes de stabilité thermique, de risques d’incendie et de potentiel d’explosion.

Contrairement aux batteries ternaires à électrolyte liquide à haut risque évoquées dans le rapport, les produits phares de Super Power reposent sur la technologie à l'état solide. Grâce à l'utilisation d'un électrolyte polymère solide, l'entreprise élimine les risques d'inflammabilité des systèmes liquides classiques. De ce fait, les batteries sont intrinsèquement résistantes au feu.

Les recherches montrent que la stabilité thermique du matériau de la cathode joue un rôle déterminant dans la sécurité globale. Dans la conception de Super Power, les matériaux de la cathode et l'électrolyte solide fonctionnent de concert, créant une marge de sécurité thermique bien plus large. Cette synergie augmente considérablement le seuil d'emballement thermique et renforce la résilience du système dans des conditions extrêmes.

● Statistiques nationales et analyse des causes

Figure 2 Analyse de la répartition des incidents par pays

L'analyse statistique montre que des incidents d'incendie et d'explosion dans des stations de stockage d'énergie électrochimique ont été signalés en Corée du Sud, aux États-Unis, en Chine, en Australie, en France, en Allemagne, en Belgique, en Suède, au Royaume-Uni et à Singapour.

L'analyse des types de batteries utilisées lors de ces incidents révèle que plus de la moitié des accidents survenus dans des stations de stockage d'énergie aux États-Unis impliquaient des batteries lithium-ion ternaires. En revanche, la majorité des stations en Chine et dans les pays de l'UE étaient équipées de batteries lithium-fer-phosphate, ce qui témoigne d'une différence régionale en matière de sécurité et d'adoption technologique.

Parmi ces pays, la Corée du Sud a enregistré le plus grand nombre d'accidents, soit 34 au total, représentant 37,8 % des cas. Les rapports d'enquête mettent en évidence plusieurs causes récurrentes. Les défauts de batterie constituent l'un des principaux facteurs, aux côtés de systèmes de protection moteur inadéquats, d'environnements d'exploitation inappropriés, de négligences lors de l'installation et d'une gestion insuffisante des installations de stockage d'énergie.

Un autre facteur clé réside dans la sécurité des batteries elles-mêmes.

En Corée du Sud, les batteries lithium-ion ternaires sont largement utilisées, principalement parce qu'elles constituent la majeure partie des gammes de produits des principaux fabricants nationaux. Cependant, ces batteries présentent une stabilité thermique relativement faible et leurs systèmes de gestion ne sont pas toujours fiables.

Des défaillances dans la gestion des batteries ou les systèmes d'alerte précoce peuvent empêcher les opérateurs de détecter les anomalies à temps, permettant ainsi aux dangers potentiels de s'aggraver sans contrôle.

● Statistiques de fonctionnement et analyse des causes

Les stations de stockage d'énergie passent généralement par quatre étapes clés : la construction, la mise en service, l'exploitation et la maintenance. Chaque étape comporte ses propres risques. Des défaillances dans l'intégration du système, la qualité de la construction, les procédures de maintenance ou la gestion de la sécurité peuvent engendrer des dangers cachés qu'il ne faut pas négliger.

Figure 3 Statistiques d'état des EESS dans les accidents

Les rapports d'accidents révèlent une tendance claire. En Corée du Sud, la plupart des incidents survenus dans les stations de stockage électrochimique d'énergie se sont produits pendant la charge ou durant la période d'inactivité qui suit immédiatement celle-ci. Cela laisse supposer qu'un contrôle inadéquat de la charge et une mauvaise gestion thermique pourraient jouer un rôle important.

Comme le montrent les données, la majorité des accidents, soit 72 au total, représentent 80 % de tous les cas recensés et se sont produits en fonctionnement normal. Cette forte proportion indique que la sécurité d'exploitation demeure le principal défi des systèmes de stockage d'énergie actuels.

Les facteurs suivants peuvent contribuer aux accidents survenant lors du fonctionnement des stations de stockage d'énergie électrochimique :

1. Effets cumulatifs d'une utilisation à long terme ;

2. Impact des environnements à haute température ;

3. Fluctuations de la charge du système ;

4. Fiabilité insuffisante des systèmes d’alerte précoce ;

5. Un état de charge (SOC) élevé peut entraîner une surcharge.

Le système de stockage d'énergie de Super Power est construit autour d'une architecture de défense active complète.

● La conception du système de gestion de batterie (BMS) à trois couches permet une surveillance indépendante et en temps réel de chaque cellule. Concrètement, cela signifie qu'il n'y a aucun angle mort dans la supervision de la sécurité, ce qui permet une détection plus précoce et plus précise des défauts tels que les courts-circuits internes ou les variations de tension soudaines.

La gestion thermique du système est tout aussi cruciale. Une défaillance du système de refroidissement est souvent considérée comme le principal facteur de risque, et Super Power s'y attaque de front. Un réseau de refroidissement liquide finement réglé maintient les batteries dans leur plage de température optimale, assurant une dissipation thermique constante même dans des environnements difficiles. Ceci prévient l'accumulation de chaleur et préserve la stabilité globale du système.

La surcharge représente un autre danger insoupçonné. Grâce à la gestion coordonnée du BMS et du PCS (système de conversion de puissance), l'état de charge (SOC) de la batterie est rigoureusement contrôlé. Cette conception empêche la surcharge à la source, protégeant ainsi le système contre l'une des causes les plus fréquentes de défaillance de la batterie.

La technologie d'intégration CTC (Cell-to-Container) de Super Power augmente non seulement la densité énergétique, mais introduit également un niveau de redondance de sécurité sans précédent.

● Conception modulaire et isolation physique. L'approche CTC permet une intégration cellulaire accrue grâce à l'utilisation de matériaux d'isolation thermique innovants. Au sein de chaque module, une barrière thermique efficace est formée. Même en cas de défaillance grave d'une seule cellule, le système bloque efficacement le transfert de chaleur vers les cellules adjacentes, interrompant ainsi physiquement la propagation thermique.

● Double système d'extinction d'incendie. Chaque conteneur de stockage d'énergie Super Power est équipé d'un système d'extinction d'incendie combinant gaz et eau. Le système à gaz intervient rapidement pour maîtriser les débuts d'incendie, tandis que le système à eau constitue la protection ultime en cas de situation extrême. Ensemble, ils garantissent l'extinction complète de tout risque résiduel et le maintien de la sécurité en toutes circonstances.

● Analyse des causes et des facteurs contributifs des accidents

Les problèmes de sécurité dans les stations de stockage d'énergie électrochimique sont intrinsèquement systémiques, les accidents résultant généralement de l'interaction de multiples facteurs contributifs.

Figure 4 Carte statistique des causes d'accidents dans les centrales électrochimiques

Les facteurs liés à l'équipement proviennent principalement des batteries elles-mêmes, ainsi que des systèmes de protection et de refroidissement du moteur, notamment des problèmes d'isolation. Les problèmes spécifiques aux batteries incluent souvent des défauts de fabrication ou le vieillissement naturel. Les facteurs environnementaux peuvent également jouer un rôle. Par exemple, une infiltration d'eau ou une explosion de chaudière à proximité peuvent provoquer des incendies de batteries lithium-ion.

Figure 5 Facteurs induisant des accidents liés à la sécurité dans les systèmes de stockage d'énergie par batteries lithium-ion et leurs interactions

Cependant, les facteurs humains constituent la principale cause d'accidents dans les stations de stockage électrochimique d'énergie. Sur les 90 incidents analysés, 38 étaient directement ou indirectement liés à une erreur humaine, soit 43,3 % des cas. Ceci souligne que, malgré les mesures de protection techniques et environnementales, les actions des opérateurs et les pratiques de gestion demeurent essentielles à la sécurité globale du système.

1. Erreurs humaines d'exploitation : Le personnel des stations de stockage d'énergie électrochimique peut manquer de formation adéquate, ce qui entraîne des erreurs telles que des opérations incorrectes ou la négligence des procédures de sécurité.

2. Systèmes de gestion de la sécurité incomplets : Bien que les pays améliorent constamment la réglementation relative à toutes les étapes de l’exploitation des centrales de stockage d’énergie, le développement rapide des technologies de stockage devance souvent la mise en place de systèmes de gestion de la sécurité efficaces et d’un contrôle réglementaire adéquat. Il peut en résulter un manque d’attention des employés aux questions de sécurité.

3. Réponse d'urgence retardée : En cas d'urgence, des compétences de réponse insuffisantes ou un manque d'action rapide de la part des opérateurs peuvent aggraver la gravité d'un incident.

4. Sensibilisation insuffisante à la sécurité : Un faible niveau de sensibilisation à la sécurité parmi les opérateurs et le personnel de direction peut conduire à la négligence des risques potentiels, augmentant ainsi la probabilité d'accidents.

À partir d'une analyse statistique des accidents survenus dans des stations de stockage électrochimique d'énergie, la probabilité et la gravité de 90 incidents ont été évaluées selon 15 facteurs de risque identifiés. Des analyses quantitatives et qualitatives ont été menées pour évaluer la probabilité et la gravité des accidents, la méthode Delphi étant utilisée pour déterminer les niveaux de gravité.

Figure 6 Niveaux de risque des facteurs de risque des EESS

Parmi les 15 facteurs de risque, cinq ont été identifiés comme présentant un risque élevé : défaillance du système de refroidissement du système de stockage d’énergie, surcharge de la batterie, installations de protection contre l’incendie insuffisantes, anomalies dans le BMS/PCS/EMS et températures environnementales extrêmes.

● Mesures de prévention

Pour remédier aux facteurs de risque élevés identifiés, la sécurité globale des stations de stockage d'énergie électrochimique devrait être renforcée dans cinq domaines clés :

renforcer la fiabilité des systèmes de refroidissement, optimiser les mesures relatives aux systèmes de batteries afin d'éviter la surcharge, améliorer les technologies d'alerte précoce et de surveillance de la sécurité, faire progresser les technologies de protection contre l'incendie et optimiser les stratégies et tactiques de lutte contre l'incendie.

Par ailleurs, afin de renforcer la sécurité systémique des systèmes de stockage d'énergie, les efforts doivent porter sur la conception et la fabrication des cellules de batterie. Les systèmes de gestion de la sécurité doivent être perfectionnés et des normes obligatoires doivent être mises en œuvre pour empêcher l'introduction de batteries endommagées dans les stations de stockage d'énergie. La recherche sur les technologies d'alerte ultra-précoce doit être intensifiée afin de permettre la prédiction des accidents plusieurs semaines à l'avance. Des agents extincteurs spécialisés, efficaces, refroidissants, antidéflagrants et isolants, doivent être développés, parallèlement à des essais d'incendie de batteries à l'échelle de grappes.

Éviter les technologies de batteries à haut risque et privilégier des solutions intrinsèquement sûres et fiables est la seule voie durable pour l'industrie du stockage d'énergie. La philosophie produit de Super Power s'inscrit parfaitement dans cette vision et offre une solution de sécurité entièrement validée, couvrant tous les aspects, de la conception des matériaux à l'intégration du système, de l'alerte précoce intelligente à la protection ultime.