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电化学储能安全建议:补齐安全标准,拒绝低价中标

日期:2021-10-14    来源:澎湃新闻

国际储能网

2021
10/14
08:25
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关键词: 电化学储能 储能电站 储能技术

储能电站建设运营不规范、安全管理机制不健全、安全预警和处理能力较弱,以及锂电池的火灾处置难等问题,已经严重阻碍了行业发展。如何解决这些问题关系到未来电化学储能行业和能源体系绿色安全的发展。

一、电化学储能行业在快速发展的同时安全问题凸显

电化学储能市场呈现快速发展趋势。电化学储能是主流且技术相对成熟的新型储能(除抽水蓄能外的新型电储能技术)技术。2020年全球电化学储能项目的装机规模逆势上涨,刷新了单年新增规模纪录,达到4.7GW,是2019年的1.6倍;中国新增投运的电化学储能达1559.6MW,首次突破吉瓦大关,是2019年同期的2.4倍,目前中国已成为全球最大的电化学储能应用市场。据CNESA预测,在保守场景下,2021年中国电化学储能累计装机规模将达到5790.8MW;在理想场景下可达到6614.8MW。“十四五”期间是储能探索和实现“刚需”应用、系统产品化和获取稳定商业利益的重要时期,电化学储能市场有望实现快速增长。

中国电化学储能正处于从商业化初期向规模化发展转变的关键期。近年来,储能已在电网调峰调频、分布式发电及微电网领域展现出广阔的应用前景,同时它也是支撑新型电力系统的重要技术和基础装备,对推动能源绿色转型、应对极端事件、保障能源安全、促进能源高质量发展、实现碳达峰碳中和具有重要意义。为推动新型储能快速发展,4月21日,国家发改委、国家能源局下发的《关于加快推动新型储能发展的指导意见(征求意见稿)》提出,到2025年,实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变,装机规模达到30GW以上;到2030年,实现新型储能全面市场化发展,成为能源领域碳达峰碳中和的关键支撑之一。在此期间,电化学储能行业将加速向规范化、标准化发展,行业格局有望重塑。

数十起安全事故为电化学储能行业发展蒙上阴影。据统计,近十年来,全球共发生了32起电化学储能电站安全事故,其中30起发生于最近五年,电化学储能电站安全事故呈高发态势。由于安全事故原因复杂,很多详情未能公开披露,但有限的公开资料表明,从事故类型看,三元锂离子电池安全事故率最高,采用三元锂离子电池发生事故25起;磷酸铁锂目前已知的两起事故都发生在中国。从发生地域看,韩国储能电站起火爆炸事故占24起,这与韩国各大电池企业以三元锂电池为主流产品有关;从事故发生环节看,储能电站起火爆炸大多发生在充电中或充电后休止中,占21起。

二、电化学储能电站事故原因分析

目前已披露的事故报告主要有:美国亚利桑那州公用事业服务公司(APS) McMicken Battery Energy Storage System Event Technical Analysis and Recommendations(McMicken电池储能系统事件技术分析与建议)、韩国2017年8月后发生的23起ESS火灾事故分析报告,以及北京集美大红门25MWh直流光储充一体化电站项目事故分析。据分析,引发电化学储能电站安全事故的原因主要涉及电池自身、安全标准、安全管理等五个方面,这些问题在中国较为普遍,且目前仍未得到很好解决。

电池产品本身存在安全风险。受技术水平限制,发生事故的电化学电池构造和材料无法阻止电池发生热失控及其在电池模组内的传播,且电池会随着使用时间的增加而老化,导致枝晶生长、产热增加等火灾风险升高,安全性退化。电池能量密度随着技术进步逐步提高,相同体积的电池产品设备将聚集更多能量,储能系统部署规模越大,安全风险就愈发集中;新技术和拓扑结构设计不断涌现,项目建设前对采用新技术和新结构的储能电池安全性验证时间难以保证,可能导致有瑕疵的电池并入系统。

电池储能电站建设安全相关要求有待规范。储能电站建设标准化是科学安全处置的前提,2015年开始实施的《电化学储能电站设计规范》(以下简称《规范》)中,关于储能系统标准部分的电池性能指标模糊、应急处置和救援措施要求偏低,风险评估相关要求不明确,易导致监管疏漏出现,存在低价竞争、系统容量虚标虚报,以及已有标准得不到遵循的情况。2020年初发布的《关于加强储能标准化工作的实施方案》缺少对安全标准的相关要求,储能电站的重要性未能得到应有的重视。此外,梯次利用动力电池的安全使用标准缺失,相关储能电站质量难以保证;部分储能系统服役时间增加,充放次数逐渐接近设计极限,其安全风险也相应增大。

安全管理体系不健全,各方责任落实不到位。储能系统安全是一个多因素交织的复杂问题,项目承包部门、实际建设部门、项目运营者、项目所有者、行业主管部门各方的安全管理应形成闭环,且均按照制度规范管理才能最大限度地避免事故的发生。从已披露的信息看,国内储能电站建设运营方安全意识普遍淡薄,安全管理制度缺失,安全管理体系不健全,各方职责不明或履行不到位,已成为电站安全管理的主要风险。

安全管理系统预警及处理能力不强。从已披露的储能电站事故报告看,电池管理系统(BMS)大多因早期未监测到电池内部故障发出预警或作出处理,从而引发热失控;或者是电站缺少气体监测装置和通讯系统,未能对易燃易爆气体集聚做出通风处理,未能及时让消防救援人员了解到内部环境的危险性。此外,还有一个重要因素就是,BMS、PMS(电源管理系统)、EMS(能量管理系统)之间的信息不能共享,数据没有发挥其最大价值,BMS与PCS(功率变换系统)控制器的信息交互程度较弱,协同控制能力不足。

消防手段存在局限性,无法有效阻止事态扩大。在消防方面,《规范》只是对电气安全、消防配置等一般性内容进行了规定,缺少针对性强的消防设计要求,消防安全装备仍以传统的消防烟雾报警器、温度报警器为主,均属事后报警,无法对电池前期故障进行消防安全处理。与其他类型火灾场景相比,电化学储能电站事故发生频率偏低,消防部门和消防人员的应对经验相对不足,技术、装备较为欠缺,现有消防灭火措施只能处理锂离子电池储能系统早期的火势,难以有效抑制电池热失控和控制初期火灾蔓延, 同时产生的有毒可燃气体也给火灾扑救带来挑战, 还可能进一步引发爆炸事故。比如,北京丰台“4.16”事故,就是在对储能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而导致人员伤亡。

三、几点建议

加强电池技术研究和安全性强制要求。一是鼓励持续改进储能电芯安全控制技术/安全结构,并实现安全性方面的突破,降低电池出现连锁热失控风险。二是借鉴《电动汽车用动力蓄电池安全要求》,适时出台更加严格的储能电池强制性国家标准,并建立监督管理机制,确保强制标准得到切实实施。

完善安全标准体系,引导规范化发展。一是严格准入,提升储能项目的安全相关门槛。就建设而言,对于储能电站项目的建设承担单位,可强化其项目经验、系统集成能力和已有项目运维效果等方面的要求;以储能电池型式试验报告等认定的容量额定值代替普遍存在的依据自行设定的储能电池容量标称值核算储能系统容量,拒绝低价中标,倡导质优安全,促进电化学储能行业由成本导向向质量导向转变。就运营而言,电站应加强工作人员识别危险和排除隐患的能力,确保其能正确维护和保养储能电站设置的安全设施和设备。二是完善原有标准中有关安全的内容,加快补充缺失的安全性标准。比如,将《规范》第13.0.5条有关爆炸危险的条款设置为强制性条款,增加电站选址对人员密集场所和关键基础设施的限制条件或规定不同的安全防范措施,要求与周围建筑留有一定的安全距离,增加防火、灭火、冷却、抑爆设计要求等。

完善电化学储能电站的安全管理体系。一是明确新型储能产业链各环节安全责任主体及安全管理职责划分,尤其要重视事故报告制度建设,事故发生后应由官方及时公开,且明确对相关责任主体的处理意见,即明确项目相关各方的责任,以保障项目建设运营过程中各项安全职责的切实履行,为之后的建设项目提供有效的风险管控指导,避免类似事故发生。二是完善基于储能项目技术升级和安全性的检测认证和监督体系,对核心部件和充放次数接近上限的、梯次利用的储能系统等进行严格管理,确保储能系统安全可靠地运行,电站工作人员操作安全规程、维护检修制度等也应纳入其中。三是按风险等级对电化学储能电站进行分类分级管控,对危险等级高的储能电站进行仿真建模、可行性论证、设备制造、建设安装、测试运行等,建立全周期安全监管制度和规范。比如,依据中国建筑灭火器配置设计规范GB50140,电化学储能电站的电池室与危险化学品库房同属严重危险级,可借鉴相关危险化学品安全管理制度,制定电池室的安全管理制度、应急方案、事故报告制度等。

提升安全预防管理的智能化水平。一是搭建储能电站大数据平台,将实时参数上传至统一管理平台作为储能电站大数据分析和事故预测的依据,研判风险,提前准备,确保及时响应。二是建设智能化程度高、集成水平好的安全管理系统,重点是加强组件和系统的运行状态在线监测、电池系统和周边环境的调节措施,以及与消防部门的联动,比如电池温度监控、易燃气体检测、自动通风系统、各部门联动通讯系统等,确保能够在风险达到一定阈值时能够自动断电或作出相应处理,以避免事故发生或扩大,为各部门提供信息依据,便于其做出应对措施。

强化针对电化学储能的消防能力建设。一是进一步深化储能电站系统安全研究、储能系统火灾演化机制及防控技术研究, 针对火灾防控、早期预警、事故处置等方面的重点攻关,多部门联合研究制定电化学储能电站专门的消防安全产品和应对方案。比如,加强消防系统和BMS等系统的信息交互,提高系统整体消防安全等级;认真总结事故教训,举一反三,提高消防部门对电化学储能电站爆炸风险的认识和应对能力,开展储能电站消防技能培训和演练。二是支持研发和应用专用特种消防材料和设备应对电化学储能电站事故,做好防爆准备,进一步研究科学处置流程,避免和减少人员伤亡。


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