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剖析储能安全问题 护航产业稳步发展

北极星储能网  来源:华东储能领跑者联盟  作者:Winnie  2020/2/13 14:05:12  我要投稿  

北极星储能网讯:2019年9月24日上午11点29分左右,韩国平昌风力发电站的储能系统发生一起火灾事件,据了解这是一个位于室内的容量为40MW/21MWh的储能系统。起火后当地消防部门紧急出动,派出了71名消防员和20台设备进行灭火,火灾最终于下午14点05分彻底熄灭,历时155分钟左右。其中2700个锂离子电池及一个PCS被烧毁,幸运地是无人员伤亡,火灾原因目前仍在紧密调查中。

(来源:微信公众号“华东储能领跑者联盟” ID:EESA-Energy 作者:Winnie)

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频发的安全事故

近年来,我国电化学储能规模迅速增长。据统计在2014年,电化学储能累计装机规模仅为132.3MW。到2016年,储能规模翻了一倍,达到268.9MW。到2018年年底,我国已投运的电化学储能项目的累计装机规模为1.07GW。

虽然电化学储能不是储能技术种类中占比最大的一种,但却是增速最快的,这代表我国的电化学储能产业真正进入规模化、快速发展的阶段。

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资料来源:前瞻产业研究所整理

然而随着其快速增长和装机相比,关于储能电站的安全性问题也引起了全球百姓的广泛注意。据了解,我们国家关于储能电站火灾的报道,公开发布的有3起。韩国从2017年8月截止到2019年9月,近三年发生的储能系统火灾总共发生26起,总损失额超382亿韩元,折合人民币约2.26亿元。美国有记录的大规模电网储能事故至少也发生了三起以上。

安全性问题已成为影响电化学储能稳步发展的重要因素之一。本文就电化学储能系统可能存在的安全隐患,以及相应地解决措施这两个大的方向,来进行阐述。

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可能存在的安全隐患

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一、产品方面。

无论是电池还是BMS,都缺少储能领域专用产品。只有少部分厂家会专门制造储能领域的电池和BMS,更多的是直接把其他领域的产品拿过来,简单修改一下就应用到储能上,根本达不到实际要求。

而且电池组中的电池在过充、过放、机械碰撞等内外部因素的作用下,可能出现热失控的情况。热失控就是蓄电池在充电时,出现蓄电池失水、内阻增大、容量衰减和在过充过程中产生大量的热量来不及扩散,进而形成热失控。

当蓄电池出现严重的热失控时,就会造成蓄电池爆炸或燃烧的发生,这是电池发生安全问题的本质原因。此外,电池目前采用的电解液有机溶剂大多属于易燃或可燃液体,这又增加了其发生安全事故的隐患。

二、系统集成方面。

储能系统的集成多为简单粗暴的多个功能部件的堆积,相互间缺少联系,没有进行系统化的考虑,也就没能协调发挥出最大优势。而且在电池储能系统中,电池组(堆)的电压很高,高压直流系统就对系统的绝缘性和保护能力提出了极高的要求。一旦发生了线缆老化和空气潮湿等,都有可能造成绝缘下降,最后引起安全事故。

三、标准化程度低。

储能系统多为定制工程及示范应用项目,没有经过长时间的运行考证,更没有统一规定的标准可参考。

四、运行维护方面。

只注重建造,未曾全方位考虑到其安全保护、全周期运营管理以及后期维护的工作安排。而且储能系统的维护复杂,对运维管理人员所掌握的专业技能要求高。还有现阶段的运营手段单一,只有巡视、检查等,都是被动型运维手段。

五、无专门的消防系统。

现有的消防措施并非是专门针对电池火灾而配置的,仅直接借用建筑消防的设计思路,不适合储能系统的消防处理。因此,当储能系统起火后,在初期无法得到有效抑制,最终演变成大规模火灾,导致整个储能集装箱或储能电站烧坏。

六、数据处理无系统化掌控。

在运行过程中,缺乏运行数据的跟踪,无法把控储能系统损耗、故障和衰减等趋势;在发生火灾后,无法知晓发生火灾具体原因,无法做成数据库,以供后期借鉴参考。

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安全防护的势在必行

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电化学储能发展的脚步绝不会停,储能系统的安全问题更不能成为它的“绊脚石”。安全性问题必须引起行业各界的重视,我们可以针对上面所描述的,可能存在的隐患,来一一进行探讨。

一、在设备选型的方面。

山东电工电气集团电力工程分公司总经理刘振宇给出了较为详细的建议,在电芯方面:

1.要具有高安全性。通过专业检测机构认证,在任何条件下都不应该发生起火爆炸等恶劣情况;2.具有循环特性。循环特性(电压一致性)稳定可靠,内阻变化率小;3.具有温升特性。电芯在不同倍率下,持续充放电,温度上升应该控制在较小范围;4.自放电率。电芯在运行或长期静止过程中,均应该保持较小自放电率;5.能量密度。一般来说,电池的能量密度越大,单位体积或单位重量内存储的电量越多。

在电池管理系统BMS方面。储能电池管理系统除通用电池管理系统的技术要求外,还有特殊要求。主要包括:

1. 具有很强的电池均衡管理能力。由于储能系统具有“深度充电、深度放电”的特性,在充放电末期时,电池组的一致性会对储能系统的可用容量产生影响,还有可能影响到储能系统的效率。为了保证电池组内单体电池性能的一致性,要求储能BMS具有很强的电池均衡管理能力。

2.为保证电池使用寿命,温度控制非常重要,必须考虑系统的热管理设计。即建立在传热学、分子动力学、电化学等多学科多领域基础之上,为解决电池在温度过高或过低情况下工作而引起热散逸或热失控问题,以提高电池整体性能的一门技术。

3. 当多组电池组并联使用时(或电池堆维护时),必须考虑电池组的并联控制策略,防止电池组间由于电池组组端电压差导致环流的发生。

4. 对于大型储能BMS还有其特殊性,具有特别的要求:由于一般大型储能系统的电池组储能容量为MWh至数百MWh级,变换功率为数百KW至几十MW,往往由大量电池串并联,且多组电池组并联成堆组成,系统拓扑复杂,涉及多个控制单元的协调,系统布线复杂。使得大型储能系统具有直流侧电压高(甚至高达1000V以上)、功率大 (数百千瓦或兆瓦)、电池数量多、环境恶劣干扰严重、数据庞大、控制复杂的特点。对BMS系统布局布线设计,抗干扰设计,数据处理能力,响应速度等等提出了极高的要求。

5. 电池安全状态分析和预警是BMS的一项极为重要,也极为基础性的一项要求。首先要确保电芯本身的安全性,其次要时刻监控电池在工作过程中的损耗变化及可能会发生的意外状况,要尽可能在第一时间察觉出异常,并及时预警。

6. 要具有较高的可靠性、系统容错和保护能力。只有做好这几点,才算是达到了一个储能电站的电池管理系统的基本要求。

除了上面提到的两个最主要的产品部件,储能电站站内的电气配套设施防护等级也要同步。就目前看来,发生储能安全事故的主要原因是电池易燃,并伴随有热失控发生,但引发的事故点也不全是电池,还有的是由于电气事故引发。安全是一个复杂的体系,不能简单归结到电池选择上,配套系统同样重要。

想要改良产品的道路不是一蹴而就的,它需要时间的积累、技术人员夜以继日的研究以及对储能电站的充分了解,才有可能取得进步。当储能电站的这些基础部件安全性得不到提升的时候,我们更应该注意从其他方面来保证储能电站的安全性。

二、专业的系统集成商。

系统集成涉及电化学、电网调度多个行业的跨界融合,不同应用场景下、电芯选型、系统控制策略都不尽相同,进入门槛并不低。但却有不少企业都主动延伸到这一块,比如很多电池厂商、PCS企业都从单纯的设备供应商转型,虽然业务范围扩大了,但也对其资金和技术实力提出了更高的要求。行业人士预测,在未来,一定会有越来越多的专业的、独立的系统集成商出现。

三、建立专项行业标准。

与电动汽车行业100多项的国家标准相比,储能行业的国家标准在20项左右,是远远不能给予储能行业一个全面指引的,行业很多人士都直白的说出“对于储能行业来说,国家能多出台关于储能行业标准建立的、可实操性的政策,尤为重要”。由此看来,建立健全的储能技术标准和检测认证体系为电站质量“保驾护航”,也是最为顶层的一个措施。

四.运行维护方面。

在储能项目正式运行前经过充分的安全论证。近一年来,中国、韩国的电池项目均出现了安全事故,但电池的主流厂商在欧美市场却保护较低的事故率,有些项目的安全使用时间已经超过了8年。这充分说明虽然电池存在很多风险,但通过严格有效的管控,经过充分的安全测试与权威认证,是可以保证电池储能系统的安全性的。

在储能电站正式运行前对人员进行培训及考核,并在运行后经常组织储能电站火灾专项应急演练。不但可以有力提升人员对储能电站火灾事故的应急意识和处置能力,还可以针对演练暴露出的不足和薄弱项目,进行针对性改进。

五、专门的消防系统

预防机制。锂电池因自身或者外界条件刺激下,导致内部化学反应失控,再导致自燃的整个过程,都会有气体、能量的释放以及烟雾的产生,直至最后的明火出现。这是一步步递增的过程。我们可以设有专门的烟感、温感、光感等探测器,并且可以根据不同锂电池的特性,有针对性的增设相应气体探测器。确保在电池失控早期检测到电池舱内的气体变化报警,联动设备间的电气设备断开电源,将报警信息上传至后台监控人员。

还可以实施物联网多级预警策略,采用总共四级的消防防护设计,对电池箱单元体、电池柜、储能集装箱淹没防护和外部消防应急接口设置四重消防保护。每级火灾防控的火灾探测器自动启动灭火。这类预警警告,具有定位报警、短信报警、微信报警、语音报警及其他常用报警方式,全面实现自动计时预警。

当预防手段全面展开后,如若很不幸地发生了明火火灾事故,应在第一时间进行灭火措施。

灭火措施。灭火措施又分为内部灭火措施和外部灭火措施。

内部灭火措施即对存放电池的电池舱或建筑内部的电池室实施独立的安全防护,主要解决因为电池包或电池簇内部火灾形成没有得到有效灭火,火焰在电池室内部形成扩大化灾情,或因为外部电气火灾导致的电池室空间火灾,在这种情况下需要通过气体灭火装置进行空间淹没消防,为火灾救援争取时间。

目前国内储能电站中单预制舱的消防灭火措施均依据日本规范《电力贮存用电池规范》,采用管网全淹没的气体灭火系统,灭火介质为七氟丙烷。然而,七氟丙烷对于储能电站火灾的灭火效果还未得到有效验证,行业里部分研究人员已在着手研究新型灭火剂。

外部灭火措施是在火灾蔓延已经形成或可能存在继续扩大化的情况下,为保证储能电站绝对的消防安全,可以用大剂量雨淋式水消防方案。中国江苏省电力有限公司经济技术研究院有发表研究,认为水系灭火剂相比其他种类的灭火剂,具有抑制温升效果显著、使用成本相对较低等优势,可以有效防止事故的进一步扩大。

六、建立全方位全周期的数据库。

储能电站发生的火灾事故在全球有很多起,但真正能说清楚具体起火原因却少之又少,只有部分的合理推测。我们应该建立全方位全周期的数据库,如系统对储能站内电池箱内电解液泄漏、热失控数据进行全周期、连续性监测,保证对储能站电池工作状况的完整监控,并实现后台系统数据存储,为大数据分析提供有效数据,以期能得到一个完整的数据库模型。七、选址规范

除以上必备的消防措施外,我们还可以从选址规范上,来进行辅助性帮助。我们在储能电站还在选址阶段时,就应充分考虑到储能电站的安全性问题,最好是选择离水源较近,或有消防管道的地方,万一发生事故可及时扑救。

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写在最后

未来大规模发展储能的需求没有变,我们将在迷茫中探索出前进的道路,建设出具有高度安全性的储能电站,这是让储能可以发展的更快更好的一个关键因素。作为一个健步发展中的产业,储能在前进过程中的道路肯定是曲折蜿蜒的,也会遇到数不胜数的问题。

当这些问题发生时,我们能做的就是不恐慌、不遮掩,要理性且积极地面对问题。然后充分进行事故调查和原因分析,尽最大努力从中总结经验教训。只有这样,我们才能从根本上解决问题,才能使储能发展的更健康更稳定,储能行业才会更加的未来可期!


原标题:剖析储能安全问题 护航产业稳步发展

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