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储能的黑洞:由北京储能电站爆炸与韩国储能电站事故中引发的安全问题思考!

北极星储能网  来源:北京朝阳消防    2021/4/19 8:24:21  我要投稿  

北极星储能网讯:储能的黑洞:燃烧的导火索

近日,北京一储能电站发生火灾,消防队在对电站南区进行处置过程中,电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸,导致2名消防员牺牲,1名消防员受伤(伤情稳定),电站内1名员工失联。

韩国再次为储能系统安全问题敲响警钟。当地时间2021年4月6日,韩国一光伏电站储能系统(ESS)起火,烧毁面积达22平方米,共造成约4.4亿韩元损失(约合人民币258万元)。

“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。

事故回顾:4月17日凌晨,北京消防官方微博通报,4月16日12时17分,北京市119指挥中心接报丰台区南四环永外大红门西马厂甲14号院内储能电站起火的警情,调派15个消防站47辆消防车235名指战员到场处置。14时15分许,在对电站南区进行处置过程中,电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸,导致2名消防员牺牲,1名消防员受伤(伤情稳定),电站内1名员工失联。

经初步调查了解,起火现场为北京国轩福威斯光储充技术有限公司储能电站。事发前,该电站正在进行施工调试。

4月16日23时40分,明火被彻底扑灭,现场仍在进行冷却降温处理。北京市区相关部门已组织专门力量,做好起火区域及周边监测排查,确保安全。事故原因和财产损失正在调查之中。

韩国再次为储能系统安全问题敲响警钟。

当地时间2021年4月6日,韩国一光伏电站储能系统(ESS)起火,烧毁面积达22平方米,共造成约4.4亿韩元损失(约合人民币258万元)。

相关部门初步调查后指出,着火点在储能单元内部发生,其电芯供应商为LG新能源。

该项目安装公司负责人表示,“火灾是在遵守政府和制造商要求的所有安全标准的情况下发生的,由于是室外设施,因此充电率(SOC)限制为90%。”

对此,LG新能源表示,火灾现场储能系统确实是其公司产品,但尚未确认是引起火灾的原因。目前警察和消防部门正进行联合检查,以确定起火的确切原因。这并不是LG新能源的储能系统产品首次发生起火事故。

在2017年8月至2019年10月,韩国发生的27起ESS火灾事故中,有17起事故装置的是LG化学生产的锂电池。2019年11月以来,LG的储能电池着火事故又发生了3起以上。此外,2020年12月,LG化学宣布在美国召回其部分Resu10H家用型储能系统产品(ESS),原因是内部搭载的电芯存在发热起火风险。

外媒报道称,在这场火灾中,尽管LG化学否认其储能电芯存在质量问题,但一系列的起火事故已经让其电池安全受到广泛质疑。事实上,不仅是在韩国,在中国安全问题也已成为储能产业面临的瓶颈之一。国内储能在电网侧、发电侧、用户侧均出现过不同程度的火灾事故。虽然鲜有正式的通报和报道,但事故是客观存在的,这也一度成为储能圈内争议的焦点。而这些事故的背后是多重原因造成的。

过去几年,储能市场逐渐升温,各路资本相继进入。在行业的初期,市场难免鱼龙混杂,既有宁德时代、比亚迪这样的独角兽,也有大量企图赚快钱的中小企业。在市场不成熟的前提下,从业主、投资商到设备商,更在意的是价格和成本,对产品的风险控制和安全并没有足够的认识。起火事故的背后还折射出现有监管能力的缺失。与电动汽车行业100多项国家标准相比,储能行业的国家标准还不到20项,且其消防安全国标至今不存在。

如今,行业处于大规模应用的初期,储能电池性能指标模糊、规划设计简单、储能火灾消防还欠缺研究和技术支撑,电化学储能电站的性能及安全存在很多关键问题亟待解决。建立健全的储能技术标准和检测认证体系已迫在眉睫。

储能安全问题

储能安全问题不仅仅是电池带来的,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。

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。近几年储能安全也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。(根据《2020储能产业应用研究报告》,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%。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。

电池组(堆)是最大的安全隐患之一。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。

电池本体因素成为安全核心。储能安全事故成因可划分为电池本体、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。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。有关专家表示,“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。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。”

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。”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。风险防控与处置相结合。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。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。

如何解决储能安全问题

一不要恐慌。从理论上来说,储能项目的安全性都能通过工程技术手段去解决,因此没必要引起恐慌。目前遇到的储能事故,主要是有些技术门槛及安全措施没有严格到位。

二不要将事故简单的归结到电池选择上。目前来看,发生储能安全事故的主要原因是锂电易燃,伴随有热失控发生,但引发的事故点往往不是电池,我们看到更多的起因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。

三不要以牺牲安全措施为代价压低成本。目前国内储能项目招标价格逼近成本价,同时要求项目短期内必须上马,一方面低成本限制了系统安全措施的投入,另一方面仓促交付会导致系统测试与验证期过短,无法充分论证安全性的问题。因此,在保证安全的前提下实现可接受的技术经济性是储能产业发展需要克服的挑战。

四要尽快推进安全标准及相关规范的制定。发生事故之后必须把起火的真实原因摸清,针对问题制定解决方案和整改措施。而滞后或空白的相关标准规范,有关部门也要抓紧研究制定和出台。中关村储能产业技术联盟(CNESA)针对储能安全需要也相继开展了联盟标准规范、检测认证等方面的研究制定工作,目前正在制定储能系统的综合评价指标并拟开展相关评价工作,推动行业的健康有序发展。

五要在储能项目正式运行之前经过充分论证和安全评估。近一年来,中国、韩国、比利时的锂电项目均出现了起火事故,但锂电的主流厂商在欧美市场保持比较低的事故率,部分项目的安全使用时间已经超过8年,国外很多有价值的经验已经转化成为规范和标准。这充分说明虽然锂电存在易燃、热失控的风险,但通过严格有效的管控、从安全角度提高准入门槛,并经过充分的安全测试与权威认证是可以保障锂电池储能系统安全性的。

六要重视新型水电解液电池发展。大规模蓄电的储能电站,务必将安全放在一切需要考虑的问题之首。储能电站作为经营单位,经济效益也很重要,应该使用能量转换效率高、寿命长、造价和运行成本低、适当兼顾比能量的电池。因此,当前应高度重视新型水电解液电池的发展与应用:

1.大力发展能量转换效率高于80%、造价低于2元/瓦时、循环寿命达10000次的新型液流电池;现有液流电池也应提高到这个水平。

2.在持续治理铅污染的同时,积极支持研制比能量大于50瓦时/千克、循环寿命达3000次、价格低于0.6元/瓦时的新技术铅酸电池。

3.鼓励发展比能量大于50瓦时/千克、循环寿命达4000次、价格低于0.8元/瓦时、生产-回收全过程环境友好的新型水电解液储能电池。

在合适的进、出电价条件下,使用上述电池的蓄电站均有可能取得YCC(规模蓄电技术经济效益的判据)指数达1.0的运行效果,且有较高的安全保障。

专家观点

新能源行业专家们认为,“锂离子电池不容易点燃,但是一旦变成火灾时,其火焰强度无法使用水灭火,还会出现如烟花一般的连环爆炸。虽然ESS储能系统普及是值得赞扬的,但需要政府或安全监管机构对此保持重视,至少要具备最小限度的安全概念,需要对已安装储能系统设备进行全方位检查”。

中国科学院电工所储能技术组组长陈永翀教授认为,现有结构设计的锂离子电池应用于规模储能,尚存在较大的安全风险,需要创新突破。尤其是三元锂电池,即使是电池系统的外部电压在正常的范围内,经过一段时间的使用后,也很难保证电池内部材料电化学性能的均一性,局部活性区域容易出现过充或过放,造成锂枝晶短路或电解液分解,继而引发电池的热失控,发生燃烧甚至爆炸。

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