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破除储能安全隐患该做些啥

北极星储能网  来源:中国科学报  作者:​ 秦志伟  2020/11/5 9:20:18  我要投稿  

北极星储能网讯:“安全”是储能发展绕不开的话题。近年来,大到储能电站,小到新能源车,起火事故时有发生。这些事故,除了电池本身缺陷外,还存在着很多亟待解决的系统问题。围绕近期发生的多起电池起火事故,本版将从基础研究、技术开发、设计制造等多个维度,对保障储能安全展开思考。

锂离子电池“短命”的潜在因素被发现、借助新型电极材料并通过界面设计可提升电极性能、利用纳米系统工程理念可提升材料储锂性能……近期,关于储能电池尤其是锂离子电池的研究越来越多。虽然研究方法和路径可能有所不同,但研究成果都有一个共同宣传点,即高安全性。

储能安全是储能发展绕不开的话题,目前储能安全问题主要来自于电化学储能,而电池组(堆)又是其最大的安全隐患之一。

根据《2020储能产业应用研究报告》(以下简称《报告》),仅在2019年,中国储能项目新增装机共计1228.4兆瓦,其中电化学储能项目新增装机678.4兆瓦,占比第一,高达54.5%。截至2019年底,锂离子电池装机占电化学储能装机规模的82.4%。

然而,储能安全问题不仅仅是电池带来的。《中国科学报》采访时了解到,储能安全是一个系统问题,某一环节出现问题,均有可能导致起火。

火灾事故后的思考

自2017年8月韩国23个储能电站起火事故发生以来,储能安全问题就一直困扰着行业。《报告》认为,这与韩国各大企业以三元锂电池为主流产品有关。

中国化学与物理电源协会储能应用分会教授级高工江卫良介绍,目前全球主要储能企业以传统电池企业为主,技术类型上基本以两大派系为主,即日韩三元锂电池体系和中美磷酸铁锂电池体系。

但也并不是说磷酸铁锂电池绝对安全。2018年8月初,我国江苏一储能项目中磷酸铁锂电池集装箱起火并烧毁,但起火原因目前还未公布。

据中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室副教授段强领介绍,锂电池在使用过程中,通过锂离子嵌入和拖出释放能量。如果使用不当,如过充、高温、碰撞等条件下可能会诱发电池内部的热化学反应,导致热失控发生。“如果热失控在电池模组内发生传播,会导致系统的火灾事故的发生。”

值得注意的是,热失控会产生有毒和可燃气体,而锂离子电池的火灾扑救更困难,给消防带来挑战。

近年来,电化学储能技术应用提速,产品投运周期越来越短,在安全标准体系尚不完善、监管机制尚未建立的情况下,各国储能安全事故时有发生。“必须正视这些关键问题。”江卫良认为,储能系统要通过自身保护措施,及时对储能电站异常情况进行处理,将储能系统的安全风险降到最低。

电池本体因素成为安全核心

针对储能电站火灾事故,韩国成立专家调查组将成因总结为电池系统缺陷、应对电气故障的保护系统不完善、运营环境管理不到位、储能系统综合管理体系欠缺。其中,电池系统缺陷可能是引起火灾的主要因素之一。

借鉴韩国储能事故调查报告对安全诱因的分类,中科院广州能源研究所曹文炅等人将储能安全事故成因划分为电池本体、外部激源、运行环境及管理系统四类。而电池本体因素仍是储能安全的核心,其诱发安全事故的来源主要包括电池制造过程的瑕疵及电池老化带来的储能系统安全性退化两方面。

曹文炅等人撰文解释道,电池在非常规的运行环境及管理系统因素影响下,内部老化过程更加复杂多变,并逐渐演变成安全问题。

鉴于电池本体因素长周期演化特征,研究如何通过电池内部老化机理、电池间不一致性演化及对应的外部参数变化,实现对储能系统安全性演化趋势的预测和早期预警,成为当前锂电池储能安全管理的重点。

“受现阶段管理系统的监测管控可靠性限制,对电池本体的充放电的电池荷电状态(SOC)区间有必要适当收紧。”曹文炅表示,“一般而言,锂电池在20%~80%的SOC区间工作时充放电内阻较小,发热量也相应较小,并且该区间工作不容易造成电池的过充过放问题,有利于规避因此产生的风险。”

风险防控与处置相结合

但储能安全是系统问题,不能将安全问题全部归于电池,事故往往是多因素交互作用引发的。

在江卫良看来,储能安全技术问题的核心分为安全风险和安全处置,前者包括储能系统及部件的电气安全风险、机械安全风险、化学安全风险、火灾安全风险、爆炸安全风险等多个维度。

“风险分析和风险评估是认知风险的核心内容。”江卫良表示,已经发布或正在制定的电力储能系统标准首先就是论述风险分析和风险评估。

接下来就是安全处置,包括参数量化准入限制设定、产品防护设计、消防环节设计、感知预警、紧急处理、运维等。

平高集团储能科技有限公司市场支持部部长李占军以江苏昆山储能电站消防设计为例介绍,他们通过与国网江苏省电力公司合作,在磷酸铁锂电池预制舱首次配置自动灭火系统、火灾报警及联动控制系统,其中自动灭火系统创新性集成应用了七氟丙烷气体灭火系统和高压细水雾灭火系统,设置了自动控制、远程手动控制等4种控制模式,实现了系统效用最大化,将电池运行的安全系数提到最高。

据悉,昆山储能电站是世界单体容量最大的电网侧电化学储能电站,建设规模为110.88兆瓦/193.6兆瓦时,总占地面积31.4亩,共配置88组预制舱式储能电池,电池采用磷酸铁锂电池方案。

平高集团在近期储能项目并网测试时发现,国内并网标准差异较大,给工作推进带来了阻力。因此,李占军建议,我国在加快储能技术标准落地的同时,也要加强储能标准化建设,尤其是并网调试、产品检测、消防安全、运维管理等,助力储能行业安全稳步发展。


原标题:破除储能安全隐患该做些啥

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