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中国电科院杨凯:电力储能中的安全问题及应对技术

北极星储能网  来源:北极星储能网    2019/8/10 15:09:57  我要投稿  

北极星储能网讯:储能系统/电站的安全事故,往往都是由于在预警缺失或滞后的情况下,电池自身热失控或是其他外部因素导致电池起火而引发的,由于缺乏有效的安全防护措施,电池的初期火灾迅速蔓延,而现有的消防措施并非是针对电池火灾而配置的,因此,电池初期火灾无法得到有效抑制,最终演变为大规模火灾,导致整个储能集装箱或储能电站烧毁。

——中国电力科学研究院储能与电工新技术研究所储能电池本体技术研究室主任杨凯

8月7日-8日由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”在北京召开,北极星储能网对论坛进行全程直播。

在8日“储能材料和安全”分论坛上,中国电力科学研究院储能与电工新技术研究所储能电池本体技术研究室主任杨凯作了题为《电力储能中的安全问题及应对技术》的主题报告。

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以下为发言实录:

中国电力科学研究院储能与电工新技术研究所储能电池本体技术研究室主任杨凯:大家好!我今天跟大家报告的题目是《电力储能中的安全问题及应对技术》。我分四部分和大家交流,先看电力储能的安全问题。目前对电力储能来说,可以说电力储能的载体有很多,形式有很多。在这些形式当中,电化学储能目前占了比较大的比重。在电化学储能当中,锂离子电池的比重逐年增加,到2018年年底的时候已经达到了86%。

近两年,随着各地锂离子电池储能电站的大量建设,储能电站的安全问题开始逐渐地凸现出来。从现在来看,2017年至今,韩国发生23起事故,我们国家公开报道3起。储能系统电池串并联数量多、规模大, 安全风险和影响比电动汽车动力电池更加严重。

2017年3月7号,山西某火力发电厂储能系统辅助机组AGC 调频项目发生火灾,2017年12月22日,山西某电厂9MW调频项目2号储能集装箱柜发生火灾。两次事故以后,山西省公安消防总队向全省发出通报消防,加强储能电站火灾防范工作,同时,也对火灾进行了调查与认定。2018年8月3日,江苏扬中某用户侧磷酸铁锂储能电站发生火灾,一个储能集装箱整体烧毁。

韩国近两年发生了23起储能电站火灾事故,今年6月11号,韩国政府公布了23起储能电站火灾事故调查结果,认为是四方面的原因,分别是:电击保护系统不良;运营操作环境管理不善;安装疏忽;储能系统集成控制(EMS,PCS)保护系统管理不善。

今年4月,美国亚利桑那州McMicken变电站的电网侧锂离子电池储能设备发生火灾,4名消防人员受到化学物质伤害、外伤以及烫伤等伤害。

通过上面这些国内外近两年发生的储能电站火灾事故,可以看出,储能系统/电站的安全事故,往往都是由于在预警缺失或滞后的情况下,电池自身热失控或是其他外部因素导致电池起火而引发的,由于缺乏有效的安全防护措施,电池的初期火灾迅速蔓延,而现有的消防措施并非是针对电池火灾而配置的,因此,电池初期火灾无法得到有效抑制,最终演变为大规模火灾,导致整个储能集装箱或储能电站烧毁。

下面我们来看一下电池安全问题的风险来源,主要来源有三方面,一是电激源,包括过充、过放等滥用情况。二是热激源,包括在高温下使用,或其他组件燃烧将电池烤爆等当,再有温度比较高的情况下还在使用或者说其它的一些部件燃烧把电池弄着了。三是机械激源,包括振动、挤压等等,机械激源在电动汽车上较为常见,在储能电站中几乎没有。

对于锂离子电池安全问题的触发机制,这方面的文献非常多了,在这里就不详述了,简单说,就是在锂离子电池中,除了正常的充电-放电反应外,还存在许多潜在的放热副反应,当异常情况发生时,这些放热副反应易被引发,最终导致电池热失控。

下面我们来看一下电池安全问题的应对措施。从电力储能的整体安全来讲,包括三个大的方面,一是电池生产制造环节的安全,包括电池材料和生产工艺控制,二是电池应用环节的安全,包括预警、防护和消防,这个话题一会我会详细再说。三是配套设施的安全设计,包括电站设计等方面。今天我重点讲电池应用环节的安全。在讲这个之前,我们先看几点对于锂离子电池安全性的共识。第一点共识,磷酸铁锂电池理论上并不绝对安全,从刚才我们分析的电池安全问题的触发机制,我们可以看出,磷酸铁锂电池的安全性较三元电池相比,确实会好一些,但只是相对安全,不是绝对安全的。第二点共识,通过安全性检测的产品并不代表使用过程中不需要安全防护,因为电池安全性是一个几率问题,电池检测是抽检,不是全检,电池检测的数量不足以暴露安全性问题,一个储能电站有几万甚至十几万个单体电池,其中肯定会有存在安全隐患的电池,而仅仅依靠电池检测,是不足以发现这些电池的。另外,现有的电池检测都是针对新电池的,而电池发生安全问题又往往是在使用过一定时间以后,因此,对于应用过程中出现的安全问题,电池检测是无法发现的。第三点共识,电池的初期火灾一旦蔓延并形成大规模火灾,现有消防措施均无法有效扑灭,对于初期火灾必须采用快速感知,定向精准灭火的策略,迅速灭火,并采取措施长时间抑制电池复燃。另外,消防设施应该在储能装置安装的同时同步配置,后期采取消防补救措施,不仅难度大,应用效果也大打折扣!第四点共识,就是电池安全性问题“可治可防”,但单纯的电池生产工艺控制无法解决,必须发展电池应用过程的多级安全防控体系,保障电池使用过程中的安全性!多级安全防控体系,包括三级,预警、防护、消防。预警,就是提前足够长的时间告警存在安全隐患的电池,给运维部门留出妥善处置的时间;防护,就是将单个电池的热失控及燃烧限制在一个有限的空间内,不要造成火灾的蔓延;消防,就是能够快速的扑灭电池的初期火灾,并采取措施长时间抑制复燃。

对于电池预警的技术要求,主要包括能够判断电池异常状态,并根据电池异常状态的严重性进行分级报警,同时,要减少误报。对于电池安全防护的技术要求,主要包括抑制故障电池对被动电池的热冲击,并引导电池燃烧爆炸释放能量快速排出,降低电池燃烧爆炸对模块机械结构的物理冲击。对于电池消防安全技术主要是要开发电池火灾专用灭火技术,要研发具备良好吸热特性和绝缘性能的电池火灾专用灭火介质,开发与电池火灾特性匹配的灭火技术,灭火技术必须具有良好的灭火效果,快速灭火,长时间(24h)抑制复燃,减少对其它未起火电池和电气设备的损害,减少经济损失,同时,灭火剂要成本低,无二次污染,环境友好。下面我重点讲一下目前针对电池火灾常用的灭火技术和灭火剂,首先来看用水来灭电池火灾,对于这一点,我只讲一条,就是国家电网公司制定的企业标准《电化学储能电站技术导则》(Q/GDW10769-2017)中9.4.5条明确规定“当锂离子电池电站发生火灾时,严禁使用水喷淋方式灭火。”下面来看七氟丙烷,七氟丙烷对于扑灭电池火灾的明火具有较好的效果,因此被广泛应用于储能集装箱/储能电站中。但目前采用的七氟丙烷浸没式灭火设计方式对于扑灭电池火灾效果有限,同时,七氟丙烷也不具备抑制电池复燃的作用。我们再回顾一下报告刚开始时我们说的山西省消防总队针对山西电站事故的调查和认定报告,报告的结论中写了:该系统设置了七氟丙烷灭火系统,设计灭火浓度为9%,经现场勘验发现,发生火灾的储能单元内七氟丙烷灭火系统已动作,通风口处的防火阀已关闭,但未能将火灾扑灭。七氟丙烷对于此类火灾的灭火效能未得到有效检验!我在这再解释一下,七氟丙烷对于灭电池的明火是有效的,只是目前集装箱内的这种布置方式造成七氟丙烷没有效果,因为目前的这种布置方式,当某个电池组发生火灾时,消防接到信号,七氟丙烷就从喷头处向外喷射,当七氟丙烷蔓延到着火的电池模组周围,达到灭火浓度时,电池的火灾已经扩大了,也就是说,目前的这种七氟丙烷布置的方式,无法有效扑灭电池的初期火灾,当火灾扩大后,七氟丙烷也就无效了。另外,七氟丙烷对于抑制电池复燃是没有效果的。下面再来看看Novec 1230,这是3M公司开发的一种灭火剂,1230 具有良好的吸热特性,可以通过对发生火灾的电池进行降温达到灭火的效果。但是,1230 沸点为49.2℃,容易气化,短时间内即挥发完毕,无法对发生火灾的电池持续降温,因此,对于电池复燃的抑制效果有限。

最后,我介绍一下中国电科院在电力储能电池安全方面的研究工作,中国电科院电池安全技术研究团队依托新能源与储能运行控制国家重点实验室和全国电力储能标委会,对接IEC/TC120参与电池安全国际标准编制,牵头承担电池安全领域的国家重点研发计划课题1项、国家电网公司科技项目10项,掌握电池安全机理、电池燃烧与火灾蔓延特性、安全风险评估方法、安全防护技术,申请国家发明专利40余项。在电池预警技术方面,我们根据锂离子电池燃烧爆炸过程及现象分析,建立了涵盖易燃性、释热性、烟气毒性的综合评估指标体系,系统反映电池火灾造成的可能安全风险,制定了电池危险等级分级表。我们同时研究了以温度作为预警值的预警策略,研究了以温感、烟感和火感相结合的火灾报警策略。

在电池安全防护技术方面,我们开发了一种阻燃隔热材料,以EPDM为主体,加入功能添加剂,提高隔热性能,基于此隔热材料,我们进行了电池组结构设计,因为加入阻燃隔热材料,会对电池组的散热造成影响,因此,如何平衡隔热和散热之间的关系是非常重要的。我们研制了计及电管理、热管理和安全防护功能的10kW电池组样机,并对电池组进行燃烧实验,实验结果显示,最小储能单元的燃烧没有影响其他相邻电池。

在电池消防安全技术方面,我们开展了专用消防灭火技术攻关,自主研制了锂离子电池自动灭火装置,采用自主研制的锂离子电池专用气液复合灭火剂,根据不同类型电池采取不同的灭火策略,具有智能判定、自动启动功能,能够在5s内快速扑灭明火,且24小时无复燃,同时还具有成本低、对其它设施无损害和环境影响小的优点。目前我们研制的锂离子电池自动灭火装置已经顺利通过了国家消防装备质量监督检验中心组织的产品检验。在产品检验中,灭火装置的自动响应时间仅为0.5秒,在3.5秒内就能扑灭电池明火,且24小时内电池没有复燃,表明该装置具备了优良的灭火和抑制复燃的性能。针对预制舱储能系统,我们还开发了预制舱储能消防系统,预制舱储能消防系统将火灾监测范围确定在电池模组级别,对于初期火灾采取快速感知,定向精准灭火的策略,迅速灭火,并采取措施长时间抑制电池复燃。我们开发的预制舱储能消防系统即将应用到浙江省电力公司杭州江虹变储能电站中,在8个40尺预制舱中进行应用。

最后,我想再明确一点,就是目前所采用的灭火技术主要是针对电池火灾发生初期扑灭火灾的措施。如果火灾扩大到大规模爆炸燃烧时,必须及时采取外部消防措施,因此,储能电站及储能集装箱应该设计预留外部消防进水通道。

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