儲能電站

編者按

“安全”是儲能發(fā)展繞不開的話題。近年來，大到儲能電站，小到新能源車，起火事故時有發(fā)生。這些事故，除了電池本身缺陷外，還存在著很多亟待解決的系統(tǒng)問題。圍繞近期發(fā)生的多起電池起火事故，本版將從基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)、設(shè)計制造等多個維度，對保障儲能安全展開思考。

鋰離子電池“短命”的潛在因素被發(fā)現(xiàn)、借助新型電極材料并通過界面設(shè)計可提升電極性能、利用納米系統(tǒng)工程理念可提升材料儲鋰性能……近期，關(guān)于儲能電池尤其是鋰離子電池的研究越來越多。雖然研究方法和路徑可能有所不同，但研究成果都有一個共同宣傳點，即高安全性。

儲能安全是儲能發(fā)展繞不開的話題，目前儲能安全問題主要來自于電化學儲能，而電池組(堆)又是其最大的安全隱患之一。

根據(jù)《2020儲能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用研究報告》(以下簡稱《報告》)，僅在2019年，中國儲能項目新增裝機共計1228.4兆瓦，其中電化學儲能項目新增裝機678.4兆瓦，占比第一，高達54.5%。截至2019年底，鋰離子電池裝機占電化學儲能裝機規(guī)模的82.4%。

然而，儲能安全問題不僅僅是電池帶來的。《中國科學報》采訪時了解到，儲能安全是一個系統(tǒng)問題，某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，均有可能導致起火。

火災(zāi)事故后的思考

自2017年8月韓國23個儲能電站起火事故發(fā)生以來，儲能安全問題就一直困擾著行業(yè)。《報告》認為，這與韓國各大企業(yè)以三元鋰電池為主流產(chǎn)品有關(guān)。

中國化學與物理電源協(xié)會儲能應(yīng)用分會教授級高工江衛(wèi)良介紹，目前全球主要儲能企業(yè)以傳統(tǒng)電池企業(yè)為主，技術(shù)類型上基本以兩大派系為主，即日韓三元鋰電池體系和中美磷酸鐵鋰電池體系。

但也并不是說磷酸鐵鋰電池絕對安全。2018年8月初，我國江蘇一儲能項目中磷酸鐵鋰電池集裝箱起火并燒毀，但起火原因目前還未公布。

據(jù)中國科學技術(shù)大學火災(zāi)科學國家重點實驗室副教授段強領(lǐng)介紹，鋰電池在使用過程中，通過鋰離子嵌入和拖出釋放能量。如果使用不當，如過充、高溫、碰撞等條件下可能會誘發(fā)電池內(nèi)部的熱化學反應(yīng)，導致熱失控發(fā)生。“如果熱失控在電池模組內(nèi)發(fā)生傳播，會導致系統(tǒng)的火災(zāi)事故的發(fā)生。”

值得注意的是，熱失控會產(chǎn)生有毒和可燃氣體，而鋰離子電池的火災(zāi)撲救更困難，給消防帶來挑戰(zhàn)。

近年來，電化學儲能技術(shù)應(yīng)用提速，產(chǎn)品投運周期越來越短，在安全標準體系尚不完善、監(jiān)管機制尚未建立的情況下，各國儲能安全事故時有發(fā)生。“必須正視這些關(guān)鍵問題。”江衛(wèi)良認為，儲能系統(tǒng)要通過自身保護措施，及時對儲能電站異常情況進行處理，將儲能系統(tǒng)的安全風險降到最低。

電池本體因素成為安全核心

針對儲能電站火災(zāi)事故，韓國成立專家調(diào)查組將成因總結(jié)為電池系統(tǒng)缺陷、應(yīng)對電氣故障的保護系統(tǒng)不完善、運營環(huán)境管理不到位、儲能系統(tǒng)綜合管理體系欠缺。其中，電池系統(tǒng)缺陷可能是引起火災(zāi)的主要因素之一。

借鑒韓國儲能事故調(diào)查報告對安全誘因的分類，中科院廣州能源研究所曹文炅等人將儲能安全事故成因劃分為電池本體、外部激源、運行環(huán)境及管理系統(tǒng)四類。而電池本體因素仍是儲能安全的核心，其誘發(fā)安全事故的來源主要包括電池制造過程的瑕疵及電池老化帶來的儲能系統(tǒng)安全性退化兩方面。

曹文炅等人撰文解釋道，電池在非常規(guī)的運行環(huán)境及管理系統(tǒng)因素影響下，內(nèi)部老化過程更加復(fù)雜多變，并逐漸演變成安全問題。

鑒于電池本體因素長周期演化特征，研究如何通過電池內(nèi)部老化機理、電池間不一致性演化及對應(yīng)的外部參數(shù)變化，實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)安全性演化趨勢的預(yù)測和早期預(yù)警，成為當前鋰電池儲能安全管理的重點。

“受現(xiàn)階段管理系統(tǒng)的監(jiān)測管控可靠性限制，對電池本體的充放電的電池荷電狀態(tài)(SOC)區(qū)間有必要適當收緊。”曹文炅表示，“一般而言，鋰電池在20%～80%的SOC區(qū)間工作時充放電內(nèi)阻較小，發(fā)熱量也相應(yīng)較小，并且該區(qū)間工作不容易造成電池的過充過放問題，有利于規(guī)避因此產(chǎn)生的風險。”

風險防控與處置相結(jié)合

但儲能安全是系統(tǒng)問題，不能將安全問題全部歸于電池，事故往往是多因素交互作用引發(fā)的。

在江衛(wèi)良看來，儲能安全技術(shù)問題的核心分為安全風險和安全處置，前者包括儲能系統(tǒng)及部件的電氣安全風險、機械安全風險、化學安全風險、火災(zāi)安全風險、爆炸安全風險等多個維度。

“風險分析和風險評估是認知風險的核心內(nèi)容。”江衛(wèi)良表示，已經(jīng)發(fā)布或正在制定的電力儲能系統(tǒng)標準首先就是論述風險分析和風險評估。

接下來就是安全處置，包括參數(shù)量化準入限制設(shè)定、產(chǎn)品防護設(shè)計、消防環(huán)節(jié)設(shè)計、感知預(yù)警、緊急處理、運維等。

平高集團儲能科技有限公司市場支持部部長李占軍以江蘇昆山儲能電站消防設(shè)計為例介紹，他們通過與國網(wǎng)江蘇省電力公司合作，在磷酸鐵鋰電池預(yù)制艙首次配置自動滅火系統(tǒng)、火災(zāi)報警及聯(lián)動控制系統(tǒng)，其中自動滅火系統(tǒng)創(chuàng)新性集成應(yīng)用了七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)和高壓細水霧滅火系統(tǒng)，設(shè)置了自動控制、遠程手動控制等4種控制模式，實現(xiàn)了系統(tǒng)效用最大化，將電池運行的安全系數(shù)提到最高。

據(jù)悉，昆山儲能電站是世界單體容量最大的電網(wǎng)側(cè)電化學儲能電站，建設(shè)規(guī)模為110.88兆瓦/193.6兆瓦時，總占地面積31.4畝，共配置88組預(yù)制艙式儲能電池，電池采用磷酸鐵鋰電池方案。

平高集團在近期儲能項目并網(wǎng)測試時發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)并網(wǎng)標準差異較大，給工作推進帶來了阻力。因此，李占軍建議，我國在加快儲能技術(shù)標準落地的同時，也要加強儲能標準化建設(shè)，尤其是并網(wǎng)調(diào)試、產(chǎn)品檢測、消防安全、運維管理等，助力儲能行業(yè)安全穩(wěn)步發(fā)展。