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储能安全的多维视角

北极星储能网  来源:能源评论•首席能源观    2021/11/18 9:55:48  我要投稿  

北极星储能网讯:不久前,中国电力企业联合会发布了《2021年三季度全国电力供需形势分析预测报告》。《报告》显示,截至9月底,全口径非化石能源发电装机容量为10.5亿千瓦,同比增长17.8%,占总装机容量的45.7%,同比提高3.3个百分点。其中全口径并网风电和太阳能发电装机容量同比分别增长32.8%和24.6%;预计2021年年底非化石能源发电装机容量及比重将有望首次超过煤电。

随着新型电力系统建设的全面推开,“十四五”期间,我国新能源装机容量将迎来新一轮的高速增长,但其波动性、间歇性和随机性等特点,也给电网的安全稳定带来一定挑战。因此,近年来,可以在电力系统的发、输、配、用各个环节都发挥巨大作用的储能电池开始崭露头角,并逐渐成为新型电力系统的标配,我国也迎来了一波储能行业发展的高潮。

据中关村储能产业技术联盟数据库统计,截至2020年年底,我国已投运的新型电力储能累计装机容量达到3.28吉瓦。今年7月23日,国家发展改革委、国家能源局发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》中提出,计划到2025年,实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变,新型储能装机容量达3000万千瓦以上。

然而,储能行业蓬勃发展的背后,储能安全问题频频见诸报端。

今年4月16日,北京国轩福威斯“光储充”一体电站发生爆炸事故,导致2名消防员牺牲。7月30日,位于澳大利亚维多利亚州,特斯拉旗下最大的储能电站发生火灾,这座拥有13吨锂电池组的储能电站整整燃烧了三天,火势才被控制下来。

据不完全统计,近五年内,全球仅储能电站的火灾事故就有40余起。在用户侧,移动储能电池也是自燃事件频发。

今年5月,成都市成华区一小区电梯内,一辆电动自行车突然起火燃爆,电梯内多人受伤,包括一名婴儿。随后,多个小区贴出电动自行车禁止“上楼”的通知。汽车方面,近年来,通用、奥迪、现代等品牌旗下的电动汽车,因潜在电池起火风险而被召回的案例也不在少数。安全,成为储能行业发展的“生命不能承受之痛”。

中国化学与物理电源行业协会秘书长刘彦龙曾表示,安全是发展的前提,储能行业必须牢牢守住安全发展这条底线。

那么,储能如何迈过“安全”这道坎儿?

谁点燃了导火索?

储能安全是一个系统性问题,尽管导致储能安全事故的诱因众多,如电池管理系统、电缆线束、系统电气拓扑结构、预警监控消防系统、运行环境、安全管理等因素,但业内专家普遍认为,引发储能安全事故的首要原因还是电池自身的问题。

目前,我国商业运营的电化学储能电站中,电池种类以三元锂电池、磷酸铁锂电池和铅酸电池为主。三者相比,锂离子电池中钴酸锂能量密度高、价格贵、安全性差;锰酸锂、磷酸铁锂能量密度较低、安全性高;铅酸电池性能稳定、安全耐用、价格便宜、易回收,但循环寿命短;三元锂电池能量密度高、但安全性弱。综合各项数据来看,磷酸铁锂电池相对更优,是当前我国储能电池推广应用的主流技术。

据统计,目前国内投运的电化学储能电站中,88.8%的电池为锂离子电池,其中95%以上为磷酸铁锂电池。

不过,即使是安全性能最好的磷酸铁锂电池,也无法完全避免短路的风险。

中国化学与物理电源行业协会储能应用分会秘书长刘勇表示,短路是储能电池安全的“头号杀手”,电化学储能电站电池具有串并联数量多、规模大、运行功率大等特点,一旦发生短路,将会导致发生热失控,从而引起火灾。

“一般而言,短路可由内外两种因素引起。从内部来看,电池在制造过程中,电芯内部在生产制造上可能存在缺陷或隐患,或者电池在长期使用过程中,由于充放电制度和环境等因素造成电池老化,电芯内部产生了枝晶锂,触发电池内短路。从外部来看,电池的外部撞击和泡水等因素也可导致电池受损,进而导致短路。”刘勇告诉记者。

国网江苏经研院储能安防研究员吴静云同样认为,储能电站火灾事故的源头大概率源于短路。“总体来看,电池热失控的诱因可分为机械滥用、电滥用及热滥用。机械滥用在移动汽车上较为常见;热滥用往往发生在连锁热失控阶段;对储能电站而言,大规模电池的充放为主要工况,使用频率最高,最容易引起电滥用。”

以北京国轩福威斯“光储充”一体电站爆炸事故为例,中国电力科学研究院有限公司储能与电工新技术研究所的分析报告显示:传统电动汽车充电站中,充电桩输入的是交流电,而新能源车的大功率充电使用直流电,需配备一圈交流转换直流的设备。但该储能电站考虑电池级联输出本身为直流电的特性,去除了相应的“交转直”“直转交” 的变电设备,电池直接串联至750伏,经过多机并联,使得每个充电桩都可以达到150千瓦功率、250安电流和750伏电压,相应参数对应国标充电桩输出标准最高值。该设计虽然突破了现有设备的尺寸及性能限制,但对电池簇间的均流能力及直流开关设备的开断能力提出了更高的要求。

报告显示,“电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸”,是因电池在内外部激源的影响下,超出其安全技术承受能力,电池遭遇极端滥用条件,诱发了热失控。

吴静云指出,目前,用于避免电池滥用的电池管理系统等电气保护装置尚存在一些问题有待改进。

“一是监测大规模串并联拓扑结构的电池时,系统监测的管理精度无法到达每个电池电芯,相关监测数据只是节点和等效电路的参数。也就是说,电芯可能异常,但监测数据正常;二是电芯温度监测深度不足。目前电池模组通常由12~96个电芯组成,普通配置2~4个温度监测点,无法覆盖全部电芯,难以及时发现温度异常。三是电池管理系统存在信号干扰、遗失、误差等场景。

如何有效防范?

如果说储能电池自身的瑕疵和老化所引起的安全事故在当下很难避免,那么在电化学储能电站事故发生前的前期设计、现场施工、监控预警,以及火灾发生时的消防和应急管理方面如何做,才能及时止损并避免二次伤害发生?

刘勇认为,目前我国已建和在建的大部分电化学储能电站仍沿用传统的报警和防护技术,缺乏针对性保护技术方案。他指出应从本体安全、主动安全、被动防御安全三个层面做好储能电站安全体系维护。

“在本体安全方面要做好储能电池内部的安全设计和新材料体系应用;在主动安全方面要结合人工智能与系统软件技术,通过对储能电池从电芯到PACK演化过程进行分析、监测和评估,做好系统安全状态的早期预警,避免发展到热失控阶段;在被动防御安全方面要通过消防报警控制主机、火灾探测控制器、灭火装置、消防管道器材、声光报警器、防爆全自动开关、UPS后备电源、应急外部接口等自动化设备,有效干预热失控蔓延。”刘勇说。

除上述问题,目前的电化学储能电站在运维管理方面也存在不少隐患。

吴静云指出,储能运维检修人员专业技能不足,现场作业安全管理措施不到位,应急处置能力欠缺,都极易造成事故隐患,加大电站安全风险。

为此,自20 1 8年以来,国网江苏省电力有限公司从规划、设计、设备、运行等方面对电化学储能开展了系统性研究,形成了储能电站全过程建设运维管理的“江苏经验”。

吴静云告诉记者,“江苏经验” 的运维管理逻辑分为三层:第一层从正常运行状态预测,提前发现异常电池,排除发生事故隐患;第二层是电池故障异常时通过气体探测技术及时发现,较烟感、温感提前10分钟以上发现故障,采用联动技术及时切断电源,阻断电池热失控及其链式反应;第三层是采用防爆泄压设计防范爆燃爆炸事故发生及次生灾害,上下设计防爆风机2个,通风量每分钟1个舱体容积,最大限度避免爆燃爆炸事故发生、减少财产损失,降低社会影响。

一直以来,储能产业的相关安全标准的缺位,也是储能安全事件频发的原因之一。

堵不如疏。近期,有关部委先后出台了多项关于储能产业发展和技术应用的支持政策,特别是涉及安全方面的相关政策正在抓紧完善。

2021年8月,国家发展改革委、国家能源局组织起草了《电化学储能电站安全管理暂行办法(征求意见稿)》,其中明确要求,建设单位在项目设计时应综合研判储能系统和储能场所安全风险,禁止在人员密集场所、高层建筑内、地下建筑、易燃易爆场所部署储能电站。合理进行防火设计,明确电池室等部位的最大容量、防火分隔、防爆泄压、防火封堵等要求,配置可靠消防设施,最大限度降低风险。能源管理部门应加强电源侧、电网侧储能电站运行维护安全管理,住房和城乡建设主管部门应加强用户侧储能电站运行维护安全管理,组织制定储能电站的运行安全监管制度,完善储能电站运行检修标准和安全操作规程。

刘勇强调,储能电站的安全必须进行全生命周期内各环节过程管理, 保证对储能电站电池电解液泄漏、热失控工作状态等进行全方位监控,并实现本地和远端后台系统数据存储, 为电站运行状态和事故隐患分析提供大数据支撑。

安全无小事,储能电池的安全, 不仅关乎储能行业的健康发展,未来,其更是以新能源为主体的新型电力系统稳定运行的保障。


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